Wann wird die Kernfusion Öl und Gas aus dem Geschäft bringen?

Diese Weihnachtszeit ist eine Zeit des Dankes und der Hoffnung auf imposante Fortschritte in der Wissenschaft, die gemacht werden:

Erstens Prinz William, Gründer des Earthshots Prize2022 gab sie in Boston Auszeichnungen bekannt. Eine Kategorie wurde aufgerufen Belebe unsere Ozeane. Der Gewinner war eine Gruppe namens Indigene Frauen des Great Barrier Reef. Das Riff wurde angegriffen, und die Gewinner setzen sich für seine Verteidigung ein. Sie arbeiten daran, Strände und Schildkröten zu schützen und Seegras zu erhalten, das zehnmal mehr CO2 bindet als Amazonaswälder. Sie setzen sich mit dem alten Wissen der Ureinwohner auseinander und verwenden moderne Werkzeuge wie Drohnen, um die Veränderungen des Korallenriffs sowie die Buschbrände im Landesinneren zu überwachen.

Zweitens finanziert das US-Energieministerium seit 20 Jahren das Konzept und die Entwicklung eines kleinen modularen Kernreaktors (SMR) namens NuScale Power Module. Sicherer, billiger, skalierbar und kohlenstofffrei sind die Vorteile. Es ist das einzige SMR, das von der Nuclear Regulatory Commission (NRC) eine Designgenehmigung erhalten hat. Das Modul ist weniger als 100 Fuß hoch und ein 15 Fuß breiter Zylinder, der in einem Wasserbad unter der Erde sitzt. Es kann 77 Megawatt Strom erzeugen, die 60,000 Haushalte mit Strom versorgen können. Ziel ist es, bis 2029 in Idaho in Betrieb zu gehen.

Drittens hat die medizinische Einrichtung a Durchbruch bei der Behandlung bestimmter Krebsarten. Bei der Methode werden T-Zellen, die Teil des Immunsystems sind, das Krebs bekämpft, aus dem Körper entfernt, um sie mithilfe der CRISPR-Technik genetisch zu verändern und sie dann als „lebende Droge“ wieder in den Körper zu injizieren. Mit CRISPR können die T-Zellen fein abgestimmt und in ihrem Angriff auf bestimmte Krebszellen tödlicher gemacht werden.

Diese „off-the-shelf“ T-Zellen können mit CRISPR schnell in großen Mengen hergestellt werden, anstatt wochen- oder monatelang warten zu müssen. Am 12. Dezember 2022 gab Dr. McGuirk von der University of Kansas Studienergebnisse bekannt, die überraschend gut waren und eine neue Tür zur Behandlung von Krebs öffneten: Bei 67 % von 32 Patienten mit Lymphomkrebs waren die Tumore geschrumpft. 40 % der Patienten erreichten eine vollständige Remission. Es gibt große Begeisterung für das Potenzial dieser Technik, viele andere Krebsarten zu heilen.

Viertens ist ein Durchbruch in der Kernfusion, der ziemlich erstaunlich ist.

Durchbruch der Kernfusion.

Im letzten Jahrhundert, dem größten Jahrhundert der Physik, war eine der Entdeckungen die Kernspaltung. Wenn ein schweres Atom wie Plutonium auseinanderbricht, geht eine winzige Menge Masse verloren und taucht als riesige Menge Energie wieder auf – denn E = mc^2, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und eine sehr große Zahl ist.

Unter der Drohung, dass Deutschland auf der Grundlage dieser Reaktion eine Kettenreaktionsbombe entwickeln würde, hat die US-Regierung enorme Geldsummen in den Bau einer Kernspaltungsbombe in Los Alamos, New Mexico, nicht weit von meinem Wohnort, gesteckt. Es wurde in der Wüste White Sands südlich von Albuquerque getestet und schließlich dazu verwendet, den Krieg mit Japan zu beenden.

Die kommerzielle Anwendung führte schnell zu netzgroßen Kernreaktoren in verschiedenen Ländern. Einige waren erfolgreich – Frankreich bezieht 70 % seiner elektrischen Energie aus 56 Kernreaktoren, während die USA etwa 20 % ihrer Energie aus 93 Kernreaktoren bezieht.

Aber der Erfolg ist unsicher, wenn sich schreckliche Unfälle ereignen, wie Tschernobyl, Russland, 1986 und Fukushima, Japan, 2011, und die allgegenwärtige Sorge um die Entsorgung von Atommüll in den USA.

Eine Schwester-Kernreaktion ist, wenn zwei Wasserstoffkerne durch Überwindung der Abstoßungskräfte gezwungen werden, sich zu Helium zu verschmelzen, und erneut eine enorme Energiemenge freigesetzt wird. Dies war die Grundlage für US-Wasserstoffbombentests im Südpazifik (Bikini-Atoll) in den 1950er Jahren vor dem Teststoppvertrag von 1963.

Seitdem wurde über die Jahrzehnte nach einer kommerziellen Anwendung der Kernfusion gesucht. Ein Versuch befindet sich beispielsweise in den Sandia National Laboratories in Albuquerque, wo heißes geladenes Plasma durch elektrische Felder eingeschlossen wird. Die Idee war, das Plasma einzuschließen, zu komprimieren und zu erhitzen (Energie-in), bis Wasserstoffkerne verschmelzen (Energie-out). Aber die Energieaufnahme war immer größer als die Energieabgabe.

Eine weitere kommerzielle Anwendung fand im Lawrence Livermore Laboratory in der San Francisco Bay Area in Kalifornien statt. Hier 192 Laser wurden verwendet um das Plasma einzuschließen, zu komprimieren und zu erhitzen, indem ein 1-Millionen-Dollar-Pellet aus gemischten Wasserstoffisotopen gesprengt wird. Die Ergebnisse waren immer gleich – bis jetzt. Wie in der Woche zum 16. Dezember 2022 angekündigt, war die Energie-Out (3.1 MegaJoule) zum ersten Mal mehr als die Energie-In (2.1 MegaJoule). Es ist ein echter Durchbruch. Die erreichte Temperatur betrug 3 Millionen Grad C.

Dies ins rechte Licht gerückt.

Erstens ist Energieaufnahme versus Energieabgabe zu einfach, weil das Hochfahren der Laser eine weitaus größere Energie erfordert: 400 Megajoule. Siehe Ref. 1.

Zweitens drehte sich die Erfolgsgeschichte um nur ein Ereignis – eine Fusionszündung. Um auch nur annähernd praktikabel zu sein, wären viele, viele Fusionsereignisse pro Minute und ein tausendmal stärkerer Laser erforderlich. Außerdem müssten die Kosten millionenfach günstiger sein (Ref. 1). Mit einem Wort, dieser eine Erfolg, obwohl er inspirierend ist, kommt nicht einmal annähernd einer praktischen Anwendung nahe.

Es ist also nicht billig und nicht praktikabel, aber es würde hochintensive Energie erzeugen und wäre kohlenstofffrei.

Kernspaltungsenergie ist millionenfach stärker als jede andere Energiequelle auf der Erde. Und das ist ein wichtiger Grund, warum in Ländern wie Frankreich und den USA in den Bau von Dutzenden von Kernkraftwerken investiert wurde.

Die Kernfusion erzeugt 3-4 Mal mehr Energie als die Kernspaltung. Das ist ein Teil des Traums. Ein weiterer Teil des Fusionstraums ist, dass keine nuklearen Abfallprodukte entsorgt werden müssen – Abfallprodukte, deren Zerfall Hunderte oder Tausende von Jahren dauern kann. Ein dritter Teil ist, dass die Fusion keine Kettenreaktion ist, sodass die Gefahr von außer Kontrolle geratenen Kernreaktionen und Explosionen nicht besteht.

Da die Stromerzeugung für etwa ein Drittel der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich ist, besteht der letzte Teil des Traums aus Kernfusionsanlagen, die über ein Land verteilt sind, um hochintensive kohlenstofffreie elektrische Energie bereitzustellen.

Aber denken Sie daran, es ist nur ein Traum. Trotz ihrer Vorteile wird die kohlenstofffreie Kernfusion die Öl- und Gasindustrie nicht bis 2050 und vielleicht nicht einmal bis 2100 aus dem Geschäft bringen.

Mitbringsel.

Die Menschheit hat die Licht- und Wärmequelle der Sonne nachgebildet. Bei etwa 15 Millionen Grad C wird das gasförmige Innere der Sonne unter enormem Druck komprimiert – ein Teelöffel wiegt 750 g oder 1.65 Pfund ) ist eine beeindruckende Leistung.

Aber die Kernfusion ist nicht annähernd so weit, dass man sich auch nur eine kommerzielle Anwendung vorstellen kann.

Warum geben wir also viel Geld aus, um es zu untersuchen? Denn das ist es, was fortgeschrittene Länder tun. Sie bauen Teleskope wie das James Webb und installieren sie auf Satelliten, um das Universum zu untersuchen. Sie bauen Raketen, um Männer und Frauen auf den Mond zu bringen. Sie bauen magnetische Rennbahnen, um Protonen auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, bevor sie abstürzen und in den Fragmenten schwer fassbare subatomare Teilchen wie das Higgs-Boson enthüllen.

Die Politik entscheidet maßgeblich darüber, wo die staatliche Unterstützung und Förderung der Wissenschaft verteilt wird. Glücklicherweise gibt es, wie oben berichtet, viele Beispiele dafür, dass Länder die Wissenschaft nutzen, um dringende Probleme zu lösen, die der Menschheit direkt zugute kommen.

Referenz 1: Jerusalem Demsas, Power of the Sun, The Atlantic Daily, 16. Dezember 2022.