Angetrieben von Milliarden Dollar tritt die Kernfusion in ein neues Zeitalter ein

Nachdem Fusionsentwickler im Jahr 3 mehr als 2021 Milliarden US-Dollar von Größen wie Bill Gates und Jeff Bezos eingesammelt haben, bestehen sie darauf, dass diese kohlenstofffreie Energiequelle innerhalb eines Jahrzehnts Realität werden könnte.

Es ist klar, dass die Kernfusion in großem Maßstab funktionieren kann – schauen Sie sich nur die Sterne an. Seit 70 Jahren träumen Physiker davon, diese Sternenkraft in Form von Fusionsreaktoren abzufüllen, die das Stromnetz mit denselben grenzenlosen, kohlenstofffreien Reaktionen versorgen würden, die die Sonne zum Leuchten bringen. Lange wurde damit geworben, dass dieser Heilige Gral nur noch 20 oder 30 Jahre entfernt sei, doch Fusion-Fans haben sich geweigert, diesen Glauben aufzugeben. Und das aus gutem Grund. Die Fusion (das Zusammenschlagen von Wasserstoffatomen zu Helium) verspricht grenzenlose COXNUMX-freie elektrische Energie ohne Risiko einer Kernschmelze und praktisch ohne den radioaktiven Abfall, der mit bestehenden Kernkraftwerken verbunden ist, die mit Spaltung (der Aufspaltung von Uranatomen in kleinere Elemente) betrieben werden. 

Der Traum inspirierte Ajay Royan, Mitbegründer von Mithril Capital (zusammen mit dem Milliardär Peter Thiel), der 2013 erstmals 2 Millionen US-Dollar in Helion Energy mit Sitz in Redmond, Washington, investierte, um einen Prototyp einer „Repetitive Pulse Power“-Maschine zu bauen. Mithril hat seitdem in Helion investiert, einschließlich der jüngsten 500-Millionen-Dollar-Runde (womit das Unternehmen einen Wert von 3 Milliarden US-Dollar hat) – mit der Zusage, weitere 1.7 Milliarden US-Dollar zu erhalten, wenn der siebte Prototyp des Unternehmens wie erhofft funktioniert. Helions Runde wurde von Sam Altman von Y Combinator angeführt. 

Das Jahr 2021 war sowohl für die Fusionsfinanzierung als auch für die Prognosen ein großes Jahr, da die Entwickler mehr als 3 Milliarden US-Dollar aufbrachten, um ihre nächste Runde von Maschinen zu finanzieren – von denen einige nun eine kommerziell realisierbare Fusion in nur fünf Jahren versprechen. Royan freut sich, dass Fusion mehr Aufmerksamkeit erhält; „Natürlich könnte 2021 laut Google Analytics ein Wendepunkt für die Fusion sein, aber der eigentliche Wendepunkt ereignete sich vor einem Jahrzehnt, als die Leistungselektronik eine Schwelle überschritt.“ 

CEO David Kirtley erklärt, dass die anfängliche Forschungs- und Entwicklungsarbeit hinter Helion in Bundeslaboren durchgeführt wurde, aus denen Helion 2013 ausgegliedert wurde. Befreit von der bundesstaatlichen Forschungs- und Entwicklungsbürokratie baut Helion seitdem einen neuen Prototypen nach dem anderen. „Die Startup-Mentalität ist kein nettes Extra, sie ist eine Voraussetzung. und worauf wir uns von Anfang an konzentriert haben“, sagt Kirtley.

Im Jahr 2020 stellte Helion seinen sechsten Prototypreaktor mit dem Namen Trenta fertig. Es baut derzeit eine siebte, Polaris, und entwirft bereits die achte, Antares. Kirtley will die erste Fusionsmaschine überhaupt sein, die mehr Energie abgibt, als sie aufnimmt. Neben der schnellen Iteration profitiert Helion von lokaler Expertise. Die Polaris-Maschine wird in Everett, Washington, in der Nähe der größten Fabriken von Boeing gebaut, wo sie auf ein einladendes Ökosystem von Vertragsingenieuren und Präzisionsherstellern zurückgreifen können. Kirtley sagt, dass sie die Vormittage damit verbringen, zu basteln, Systeme zu aktualisieren und Kondensatoren hochzufahren. „Jeden Nachmittag um 3 Uhr beginnen wir mit der Fusion.“

Um Helions Ansatz zu verstehen, betrachten Sie zunächst die magnetische Abstoßung, die auftritt, wenn Sie versuchen, die positiven Pole zweier Stabmagnete zusammenzudrücken. Es ist das Prinzip, das „Maglev“-Technologien wie Japans berühmte Hochgeschwindigkeitszüge ermöglicht, die magnetische Abstoßung nutzen, um auf einem Luftkissen zu schweben. 

Seit Jahrzehnten versuchen Fusionsforscher, die stärksten Elektromagnete der Welt zu entwickeln, mit denen sie Reaktionskammern mit Magnetfeldern konstruieren, die so stark sind, dass sie einen injizierten Strom positiv geladener Protonen enthalten und zu einer Plasmakugel komprimieren können, die so heiß ist, dass sie verschmelzen Helium. 

In Helions neuartigem System drückt die bei den Fusionsreaktionen freigesetzte Energie kontinuierlich gegen ihr magnetisches Eindämmungsfeld, das sie zurückdrückt – was zu Schwingungen („wie ein Kolben“, sagt Kirtley) führt, die einen elektrischen Strom erzeugen, den Helion direkt aus dem Reaktor auffängt . (Weitere Informationen finden Sie unter Faradays Induktionsgesetz.) 

Laut Royan aus Mithril liegt der vielleicht größte Reiz der direkten Stromerzeugungsmethode von Helion in ihrer Einfachheit. Andere Fusionsansätze zielen darauf ab, Wärme zu erzeugen, um Wasser zum Kochen zu bringen und Dampfturbinen anzutreiben, die Strom erzeugen – wie in herkömmlichen Kernkraftwerken. „Wir können es ohne Dampfturbinen oder Kühltürme schaffen. Wir werden das Kraftwerk los.“ 

Natürlich versteht Kirtley die Fusionsskepsis, insbesondere im Hinblick auf seinen aggressiven Zeitplan. Er begann seine Karriere im Fusionsbereich, inspiriert von Wissenschaftlern in nationalen Labors in den 1960er Jahren, die bereits vor der Erfindung der Transistoren große Fortschritte bei der magnetischen Eindämmung machten (sie wetteiferten mit russischen Wissenschaftlern um die Entwicklung donutförmiger Reaktoren namens Tokamaks). Doch Kirtley verlor den Glauben, als er feststellte, dass sich frühe Ansätze einfach nicht schnell genug weiterentwickeln konnten, um eine kommerzielle Lösung hervorzubringen – also machte er sich an die Arbeit an fortschrittlichen Raumschiffantrieben mithilfe von Plasmastrahlen, die von Elektromagneten gesteuert wurden. Im Jahr 2008 kehrte er in die Branche zurück, um bei der Kommerzialisierung der Technologie von Helion mitzuhelfen. 

Mit der Zeit stellt er sich die Herstellung von Fusionsgeneratoren in einer Fabrik vor. Ein 50-MW-System, verpackt in drei Einheiten in Schiffscontainergröße, würde 40,000 Haushalte mit Strom versorgen. „In 10 Jahren werden wir mit Sicherheit kommerziellen Strom zum Verkauf haben.“ 

Damit befindet sich Helion in einem Wettlauf mit dem in Boston ansässigen Unternehmen Commonwealth Fusion Systems, einem Spin-off des MIT, das 1.8 Milliarden US-Dollar von Investoren wie Bill Gates und George Soros eingesammelt hat. CEO Bob Mumgaard sagt, dass sie in sechs Jahren einen funktionierenden Reaktor haben werden. Sein Optimismus wird durch den erfolgreichen Sommertest des Commonwealth mit neuen Elektromagneten bestärkt, die mit Supraleitern aus Bariumkupferoxid der seltenen Erden hergestellt wurden. 

Mumgaard sagt, dass diese superstarken Magnete es Commonwealth ermöglichen werden, seinen etwas traditionelleren Fusionsansatz zu perfektionieren, einen donutförmigen „Tokamak“-Reaktor zu bauen, den Mumgaard eine „große Magnetflasche“ nennt, in der starke Magnetfelder Kugeln aus 100 Millionen Grad heißem Plasma kontrollieren – „ Sternmaterial; Sternzeug; Sternkram." 

Weltweit gibt es etwa 150 Tokamaks; Das größte davon wird in Frankreich für 30 Milliarden US-Dollar von einem internationalen Konsortium namens ITER gebaut. Die 20,000 Tonnen schwere Maschine, die so groß ist wie eine Basketballarena, soll bis 2035 fertiggestellt sein. 

Aber Mumgaard beabsichtigt, ITER durch Commonwealth Fusion überflüssig zu machen, bevor es überhaupt fertiggestellt ist. Sein Vorteil liegt in der Anwendung von „Hochtemperatur“-Supraleitern, die aus Seltenerd-Bariumkupferoxid (auch bekannt als ReBCO) hergestellt werden. 

Supraleiter transportieren elektrischen Strom nahezu verlustfrei (wesentlich effizienter als beispielsweise Kupfer). Und sie sind der Schlüssel zur Herstellung leistungsstarker Elektromagnete. Commonwealth hat herausgefunden, dass durch die Herstellung seiner Magnete aus einem speziellen Barium-Kupferoxid-Band (wie das Band, das man in einer VHS-Kassette findet) magnetische Felder erzeugt werden können, die stärker sind als die bei ITER erwarteten, allerdings in der Größenordnung von 1/20. 

Während die Primärmagnete von ITER (Solenoide genannt) rund 400 Tonnen wiegen und Felder von mehr als 12 Tesla erreichen werden, hat Commonwealth 15-Tonnen-Magnete im Auge, die jeweils 300 km ReBCO-Dünnschichtband verwenden und 20 Tesla erzeugen werden (zum Vergleich: a Ein Magnetresonanztomograph leistet 1.5 Tesla). 

„Dadurch wird die Fusionsmaschine freigeschaltet“, sagt Mumgaard. CES testete die Magnete letzten Sommer und erklärte sie zum „Beweis“, dass die Wissenschaft der Kernfusion nun praktisch abgeschlossen sei und nur noch der Bau des Reaktors übrig sei. „Wir verstehen das Material gut und glauben, dass wir das in drei Jahren schaffen können“, sagt Mumgaard. „Bis 2030 werden wir Fusion im Netz sehen.“ 

CES wird seine Fusionsmaschine auf einem 47 Hektar großen Gelände in Massachusetts bauen und arbeitet bereits daran, Tausende Kilometer ReBCO-Band zu beschaffen. Könnte die Verfügbarkeit seltener Erden ein limitierender Faktor bei der Einführung der Kernfusion werden? Nein, sagt Mumgaard. „Eine Fusionsanlage wird weniger seltene Erden enthalten als eine Windkraftanlage. Bei der Fusion geht es nicht um eine Ressource, die abgebaut oder gefördert werden muss. Es geht um eine Technologie.“ 

Es sollte Platz für mehr als einen Fusionssieger geben. Zu den weiteren Spitzenreitern gehört General Fusion mit Sitz in Kanada, das von Jeff Bezos unterstützt wird und dieses Jahr 130 Millionen US-Dollar gesammelt hat. Andere bemerkenswerte Milliardäre im Fusionsgeschäft sind Neal und Linden Blue, denen das in San Diego ansässige Unternehmen General Atomics gehört, das seit Jahrzehnten im Auftrag des Energieministeriums einen Forschungstokamak betreibt und dieses Jahr die Kerne seiner Tokamak-Elektromagnete an ITER geliefert hat – ein 1,000 Tonnen schwerer Zentralmagnet. Und da ist noch TAE Energy aus Kalifornien, das im letzten Jahrzehnt mit einer Milliarde US-Dollar experimentiert und während der Pandemie 1 Millionen US-Dollar eingesammelt hat.

Die Fusionstechnologie hat zwar ihren Anfang in staatlich finanzierten Labors genommen, ihre Verwirklichung wird jedoch auf private Finanzierung angewiesen sein. Amy Roma, Partnerin bei Hogan Lovells in Washington, D.C., sagt, dass der jetzt in der Schwebe befindliche „Build Back Better“-Gesetzentwurf 875 Millionen US-Dollar für fortgeschrittene Nuklearanlagen vorgesehen hätte, aber vorerst muss sich die Branche mit einem neuen Büro für die Demonstration fortgeschrittener Reaktoren im Rahmen des Gesetzes zufrieden geben Energieministerium, finanziert durch das jüngste Infrastrukturgesetz. CO2030-freie Atomkraft würde auch von der jüngsten Verordnung von Präsident Biden profitieren, die vorsieht, dass die Energieeinkäufe der Bundesregierung bis XNUMX „netto null“ sein sollen. 

Der legendäre Technologieinvestor Steve Jurvetson, ein Unterstützer von Commonwealth Fusion, der vor 25 Jahren seinen ersten Scheck für die Fusionsforschung ausstellte, ist fast begeistert, dass dieser lange aufgeschobene Traum bald Wirklichkeit werden könnte. „Bis es fertig ist, gibt es viele Kritiker. Dann sagen sie, es sei offensichtlich.“ 

Royan von Mithril sagt, er arbeite bereits daran, seinen Rahmen anzupassen, um zu berücksichtigen, wie anders die Welt aussehen wird, wenn die Fusion real ist – „Denken Sie an die Möglichkeiten für die Wasserentsalzung und die Düngemittelproduktion. Dies verändert die Wasserwirtschaft und damit auch die Ökonomie der Landwirtschaft über Nacht grundlegend.“ Es sei alles Teil des Weges der Menschheit, sagt er, „immer wieder zu beweisen, dass Malthus ein Idiot war.“ 

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