Wenn über Kernfusion diskutiert wird, dann redet man meist über das Plasma – bei hundert Millionen Grad, in magnetischen Feldern und der Frage, wann der erste Reaktor mehr Energie liefert, als er verbraucht. Deutlich seltener geht es jedoch um die Wand, die das alles aushalten muss. Genau dort setzt das neue Projekt SIBAF an, das jetzt vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt mit 9,7 Millionen Euro über drei Jahre gefördert wird. Koordiniert wird es am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Projektpartner ist die Goethe-Universität Frankfurt am Main – einer der tragenden Standorte der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR (HFHF). Der Ansatz ist ungewöhnlich: Teilchenbeschleuniger sollenl künftig Werkstoffe altern lassen.
Das Problem, um das es geht, ist handfest. Ein Fusionskraftwerk erzeugt bei jeder Reaktion nicht nur Wärme, sondern auch schnelle Neutronen. Diese fliegen ungehindert durch das Magnetfeld und schlagen in den umgebenden Strukturmaterialien ein. Dort stoßen sie Atome aus ihren Gitterplätzen, lösen ganze Kaskaden aus und hinterlassen Leerstellen. Die Folgen kennt die Werkstoffkunde gut: Das Material schwillt an, wird spröder und/oder verliert seine Festigkeit. Ein Reaktor soll aber nicht Wochen, sondern Jahrzehnte laufen. Materialien, die das über eine ganze Betriebsdauer durchhalten, gehören deshalb zu den größten technologischen Hürden auf dem Weg zur Fusionsenergie.
Wie testet man so etwas? Der naheliegende Weg ist die Bestrahlung mit Neutronen. Sie bleibt unverzichtbar, hat aber zwei Nachteile: Weltweit gibt es nur wenige geeignete Anlagen, und die Experimente sind teuer und langwierig. Hinzu kommt, dass die bestrahlten Proben anschließend selbst radioaktiv sind, was jede weitere Untersuchung erschwert.
Hier kommen schwere Ionen ins Spiel. Ein Ion, das mit hoher Energie in einen Festkörper eindringt, richtet im Kristallgitter einen ganz ähnlichen Schaden an wie ein Neutron – es verlagert Atome und erzeugt Stoßkaskaden. Der Unterschied liegt im Tempo und in der Kontrolle. Mit einem Ionenstrahl lässt sich eine Schädigung, die in einem Reaktor Jahre bräuchte, in überschaubarer Zeit erzeugen, und zwar unter sehr genau eingestellten Bedingungen: definierte Dosis, definierte Temperatur, definierte Eindringtiefe. Zugleich fällt die Aktivierung der Proben deutlich geringer aus, sodass sie sich anschließend leichter analysieren lassen. Man kann sich das wie einen Zeitraffer vorstellen – mit dem Vorteil, dass man den Film jederzeit anhalten und hineinschauen kann.
Für diesen Zeitraffer braucht es allerdings die richtige Maschine. SIBAF steht für „Supraleitender Ionenbeschleuniger als Basistechnologie für die Fusionsforschung", und der Name verrät bereits das Herzstück: HELIAC, der supraleitende Dauerstrich-Linearbeschleuniger, der derzeit auf dem GSI/FAIR-Campus entsteht. Anders als die klassischen Beschleuniger, die ihre Teilchen in kurzen Pulsen abfeuern, liefert ein Dauerstrichbeschleuniger einen kontinuierlichen Strahl. Für die Materialforschung ist das ideal, weil sich die Schädigung so gleichmäßig und gut kontrollierbar aufbaut. Und weil die dazu gehörenden Hohlraumresonatoren supraleitend sind, geschieht das mit erheblich weniger Energieaufwand als bei konventioneller Technik – ein nicht unwesentliches Argument, wenn man an Energiegewinnung forscht.
Damit soll in Darmstadt eine in Europa einzigartige Infrastruktur entstehen, in der sich Materialien für Fusionskraftwerke schneller, reproduzierbarer und energieeffizienter testen lassen. GSI/FAIR und die Goethe-Universität bringen dafür sich ergänzende Kompetenzen ein: hier die jahrzehntelange Erfahrung mit supraleitender Linearbeschleuniger-Technologie und der Materialforschung an Ionenstrahlen, dort die Frankfurter Expertise im Design von Beschleunigerstrukturen.
Getragen wird das Projekt unter anderem von der HFHF-Wissenschaftlerin María Eugenia Toimil-Molares, Leiterin der GSI-Materialforschung, sowie vom HFHF-Wissenschaftler Holger Podlech von der Goethe-Universität. Für den Wissenschaftlichen Geschäftsführer von GSI und FAIR, Thomas Nilsson, zeigt die Förderung, wie sehr Beschleunigertechnologie und Materialforschung am Standort inzwischen auch für Energietechnologien relevant werden – und dass dabei zugleich Ausbildungsmöglichkeiten für die nächste Generation von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern entstehen.
Für die HFHF ist das ein bemerkenswerter Vorgang, weil er einen Bogen schlägt, der in der Grundlagenforschung selten so unmittelbar sichtbar wird. Die Grundlagenforschung wird nun unmittelbar in der Entwicklung von neuen Technologien eingesetzt und gebraucht. Das zeigt die Wichtigkeit der interdisziplinären Verzahnung der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR. Wir freuen uns auf die nächsten Jahre und darauf, dass wir an dieser spannenden Forschung einen Beitrag leisten können.