Die Idee, Sterne auf der Erde zu zünden, klingt wie Science-Fiction – und ist doch eines der ehrgeizigsten Ziele der modernen Physik. Die sogenannte Laserfusion, bei der mit hochenergetischen Laserpulsen eine Kernfusion ausgelöst wird, gilt als vielversprechender Weg zu einer Diversifizierung unserer Energieversorgung. Doch wie funktioniert das genau?
Unter extrem hohem Druck und hoher Temperatur verschmelzen leichte Atomkerne – meist Wasserstoffisotope – zu schwereren Kernen. Dabei wird eine enorme Menge Energie freigesetzt. Im Gegensatz zur Kernspaltung, wie sie in heutigen Atomkraftwerken genutzt wird, entstehen dabei keine langlebigen radioaktiven Abfälle.
Die Herausforderung: Diese Bedingungen künstlich zu erzeugen – kontrolliert, effizient und reproduzierbar.
Bei der Laserfusion wird ein winziges Kügelchen aus Wasserstoffisotopen (Deuterium und Tritium) von mehreren hochintensiven Laserpulsen gleichzeitig beschossen. Die Laserpulse heizen die äußere Hülle des Targets innerhalb weniger Nanosekunden so stark auf, dass sie explosionsartig nach außen verdampft – und dabei durch Rückstoß das Innere des Kügelchens stark komprimiert. Der Druck im Inneren steigt auf ein Niveau, das mit dem im Inneren der Sonne vergleichbar ist – die Voraussetzung für Kernfusion.
Dieses Prinzip nennt sich Trägheitsfusion, weil das Ziel durch seine eigene Trägheit kurz genug zusammengehalten wird, um die Fusionsreaktion ablaufen zu lassen, bevor es wieder auseinanderfliegt.
Die physikalischen und technischen Herausforderungen sind enorm: Die Laserpulse müssen exakt abgestimmt, symmetrisch und extrem kurz sein – im Bereich von Pikosekunden. Gleichzeitig muss das Target exakt zentriert sein, und die Kompression extrem gleichmäßig erfolgen. Schon kleinste Abweichungen können dazu führen, dass die gewünschte Fusionsreaktion nicht zündet.
Um diese Prozesse zu verstehen und zu optimieren, führen Forscherinnen und Forscher an der HFHF aufwendige Experimente mit modernsten Lasersystemen und hochauflösenden Detektoren durch. Dabei werden nicht nur die thermischen Bedingungen, sondern auch die entstehenden Teilchen und elektromagnetischen Signaturen analysiert. Die gewonnenen Daten helfen dabei, die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse besser zu verstehen – und neue Modelle für das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen zu entwickeln.
Warum ist das so spannend?
Laserfusion ist nicht nur ein möglicher Weg zur Energiegewinnung der Zukunft – sie öffnet auch neue Türen zur Grundlagenforschung. Die extremen Bedingungen in den Experimenten ähneln jenen im Inneren von Planeten, Sternen oder Supernovae. Das macht die Laserfusion zu einem einzigartigen Labor für die Astrophysik, Plasmaphysik und Kernphysik.
Zudem bietet sie die Möglichkeit, neue Materialien zu testen, Prozesse in heißem, dichter Materie zu simulieren oder sogar Anwendungen in der Medizin und Raumfahrt zu entwickeln.
Bisher wurden in Experimenten bereits beachtliche Fortschritte gemacht: In einigen Fällen konnte mehr Energie freigesetzt werden, als direkt im Brennstoff deponiert wurde – ein entscheidender Meilenstein. Der Weg zu einem funktionierenden Fusionsreaktor, der kontinuierlich mehr Energie erzeugt als er verbraucht, ist jedoch noch lang. Es braucht Fortschritte in der Zielherstellung, Laserleistung, Diagnostik und Reaktordesign – viele dieser Fragen sind Gegenstand intensiver internationaler Forschung – auch an der HFHF.