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Der italienische Ölkonzern Eni investiert 50 Millionen US-Dollar in Commonwealth Fusion Systems, ein MIT-Spinout, das mit dem Institut an der Entwicklung supraleitender Magnete zur Erzeugung kohlenstofffreier Energie in einem Fusionsenergieexperiment namens SPARC zusammenarbeitet. Julian Turner erfährt die Fakten von CEO Robert Mumgaard.
Tief in den heiligen Hallen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) findet eine Energierevolution statt. Nach jahrzehntelangen Fortschritten glauben Wissenschaftler, dass die Fusionsenergie endlich ihren Siegeszug antreten wird und dass der heilige Gral der grenzenlosen, verbrennungsfreien und kohlenstofffreien Energie in greifbare Nähe gerückt sein könnte.
Der italienische Energieriese Eni teilt diesen Optimismus und investiert 50 Millionen Euro (62 Millionen US-Dollar) in ein Gemeinschaftsprojekt mit dem Plasma Fusion and Science Center (PSFC) des MIT und dem Privatunternehmen Commonwealth Fusion Systems (CFS), das darauf abzielt, Fusionsenergie schnell ans Netz zu bringen in nur 15 Jahren.
Die Steuerung der Kernfusion, des Prozesses, der die Sonne und die Sterne antreibt, wird durch ein uraltes Problem blockiert: Während bei dieser Praxis große Mengen an Energie freigesetzt werden, kann sie nur bei extremen Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius durchgeführt werden, heißer als das Zentrum des Planeten Sonne und zu heiß, als dass festes Material es aushalten könnte.
Aufgrund der Herausforderung, Fusionsbrennstoffe unter diesen extremen Bedingungen einzuschließen, liefen Fusionsenergieexperimente bisher im Defizit und erzeugten weniger Energie, als zur Aufrechterhaltung der Fusionsreaktionen erforderlich ist, und konnten daher keinen Strom dafür erzeugen das Gitter.
„Die Fusionsforschung wurde in den letzten Jahrzehnten umfassend untersucht, was zu Fortschritten im wissenschaftlichen Verständnis und in den Technologien für die Fusionsenergie geführt hat“, sagt Robert Mumgaard, CEO von CFS.
„CFS kommerzialisiert die Fusion mithilfe des Hochfeld-Ansatzes, wobei wir neue Hochfeld-Magnete entwickeln, um kleinere Fusionsgeräte herzustellen, die denselben physikalischen Ansatz wie die größeren Regierungsprogramme verwenden. Dazu arbeitet CFS in einem Gemeinschaftsprojekt eng mit dem MIT zusammen und beginnt mit der Entwicklung der neuen Magnete.“
Das SPARC-Gerät verwendet starke Magnetfelder, um das heiße Plasma – eine gasförmige Suppe aus subatomaren Teilchen – an Ort und Stelle zu halten und zu verhindern, dass es mit irgendeinem Teil der donutförmigen Vakuumkammer in Kontakt kommt.
„Die größte Herausforderung besteht darin, ein Plasma unter Bedingungen zu erzeugen, die eine Fusion ermöglichen, sodass es mehr Strom produziert als es verbraucht“, erklärt Mumgaard. „Dies hängt stark von einem Teilgebiet der Physik ab, das als Plasmaphysik bekannt ist.“
Dieses kompakte Experiment ist darauf ausgelegt, in Zehn-Sekunden-Pulsen rund 100 MW Wärme zu erzeugen, so viel Strom, wie eine Kleinstadt verbraucht. Da es sich bei SPARC jedoch um ein Experiment handelt, werden die Systeme zur Umwandlung der Fusionsenergie in Strom nicht enthalten sein.
Wissenschaftler am MIT gehen davon aus, dass die Leistung mehr als doppelt so hoch sein wird wie die zum Erhitzen des Plasmas aufgewendete Energie, um endlich den ultimativen technischen Meilenstein zu erreichen: positive Nettoenergie aus der Fusion.
„Die Fusion findet in einem Plasma statt, das durch Magnetfelder an Ort und Stelle gehalten und isoliert wird“, sagt Mumgaard. „Das ist vom Konzept her wie eine Magnetflasche. Die Stärke des Magnetfelds hängt sehr stark von der Fähigkeit der Magnetflasche ab, das Plasma zu isolieren, damit es Fusionsbedingungen erreichen kann.
„Wenn wir also starke Magnete herstellen können, können wir Plasmen erzeugen, die heißer und dichter werden und weniger Energie benötigen, um sie aufrechtzuerhalten. Und mit besseren Plasmen können wir die Geräte kleiner und einfacher zu konstruieren und zu entwickeln machen.
„Mit Hochtemperatursupraleitern haben wir ein neues Werkzeug, um sehr starke Magnetfelder und damit bessere und kleinere Magnetflaschen herzustellen. Wir glauben, dass wir dadurch schneller zur Fusion gelangen werden.“
Mumgaard bezieht sich auf eine neue Generation supraleitender Elektromagnete mit großer Bohrung, die das Potenzial haben, ein Magnetfeld zu erzeugen, das doppelt so stark ist wie das, das in jedem bestehenden Fusionsexperiment verwendet wird, was eine mehr als zehnfache Steigerung der Leistung pro Größe ermöglicht.
Die neuen supraleitenden Magnete bestehen aus Stahlband, das mit einer Verbindung namens Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) beschichtet ist, und werden es SPARC ermöglichen, eine Fusionsleistung zu erzeugen, die etwa einem Fünftel der von ITER entspricht, allerdings in einem Gerät, das nur etwa 1/65 der Leistung beträgt Volumen.
Durch die Reduzierung der Größe, der Kosten, des Zeitrahmens und der organisatorischen Komplexität, die für den Bau von Netto-Fusionsenergiegeräten erforderlich sind, werden YBCO-Magnete auch neue akademische und kommerzielle Ansätze für die Fusionsenergie ermöglichen.
„SPARC und ITER sind beide Tokamaks, eine spezielle Art von Magnetflaschen, die auf der umfassenden Grundlagenforschung der Entwicklung der Plasmaphysik im Laufe der Jahrzehnte basieren“, erklärt Mumgaard.
„SPARC wird die nächste Generation von Hochtemperatur-Supraleiter-Magneten (HTS) nutzen, die ein viel höheres Magnetfeld ermöglichen und so die angestrebte Fusionsleistung bei viel kleinerer Größe ermöglichen.
„Wir glauben, dass dies eine Schlüsselkomponente sein wird, um die Fusion in einem klimarelevanten Zeitrahmen und einem wirtschaftlich attraktiven Produkt zu erreichen.“
Was den Zeitrahmen und die kommerzielle Realisierbarkeit betrifft, so ist SPARC eine Weiterentwicklung eines Tokamak-Designs, das über Jahrzehnte hinweg untersucht und verfeinert wurde, einschließlich der Arbeiten am MIT, die in den 1970er Jahren begannen.
Das SPARC-Experiment soll den Weg für das weltweit erste echte Fusionskraftwerk mit einer Kapazität von rund 200 MW Strom ebnen, vergleichbar mit der Leistung der meisten kommerziellen Kraftwerke.
Trotz der weit verbreiteten Skepsis gegenüber der Fusionsenergie – Eni hat die zukunftsweisende Vision, das erste globale Ölunternehmen zu sein, das stark in sie investiert – glauben Befürworter, dass die Technik potenziell einen erheblichen Teil des weltweit wachsenden Energiebedarfs decken und gleichzeitig drastische Einsparungen erzielen kann Treibhausgasemissionen.
Der durch die neuen supraleitenden Magnete ermöglichte kleinere Maßstab ermöglicht möglicherweise einen schnelleren und kostengünstigeren Weg zur Stromerzeugung aus Fusionsenergie im Netz.
Eni schätzt, dass die Entwicklung eines 200-MW-Fusionsreaktors bis 2033 3 Milliarden US-Dollar kosten wird. Das ITER-Projekt, eine Zusammenarbeit zwischen Europa, den USA, China, Indien, Japan, Russland und Südkorea, ist mehr als halb auf dem Weg zu seinem Ziel, einen ersten Super-Fusionsreaktor zu bauen Bis 2025 soll es einen Test mit beheiztem Plasma und bis 2035 die erste Fusion mit voller Leistung geben. Das Budget beläuft sich auf rund 20 Milliarden Euro. Wie SPARC ist ITER darauf ausgelegt, keinen Strom zu produzieren.
Wenn sich das US-Netz also von monolithischen 2GW-3GW-Kohle- oder Kernspaltungskraftwerken hin zu Kraftwerken im Bereich von 100 MW bis 500 MW verlagert, stellt sich die Frage, ob Fusionsenergie auf einem schwierigen Markt konkurrieren kann – und wenn ja, wann?
„Es gibt noch Forschungsbedarf, aber die Herausforderungen sind bekannt, neue Innovationen weisen den Weg zur Beschleunigung, neue Akteure wie CFS rücken die Probleme kommerziell in den Mittelpunkt und die Grundlagenforschung ist ausgereift“, sagt Mumgaard.
„Wir glauben, dass die Fusion näher ist, als viele Leute denken. Bleiben Sie dran." jQuery( document ).ready(function() { /* Firmenkarussell */ jQuery('.carousel').slick({ dots: true, infinite: true, speed: 300, lazyLoad: 'ondemand', slidesToShow: 1, slidesToScroll: 1, adaptiveHeight: true });
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 18. Dezember 2019