Der Aufstieg der kommerziellen Fusions-Startups: Eine kurze Geschichte der Fusion

Mitverfasser: Richard Pearson - Fachberater, Fusionsenergietechnik

Die Kernfusion treibt die Sterne an und lässt viele der Elemente entstehen, aus denen unser Universum besteht. Eine Fusionsreaktion findet statt, wenn zwei Elemente die fundamentalen Kräfte der Natur überwinden, um sich unter hohen Temperaturen und hohem Druck zu verbinden. Dabei wird Energie freigesetzt, die durch Einsteins berühmte Gleichung E=mc2 berechnet werden kann. Der Fusionsenergie wird ein erhebliches Potenzial zur Unterstützung einer kohlenstofffreien Wirtschaft zugeschrieben, da bei jeder Reaktion große Mengen an Energie freigesetzt werden, Brennstoff im Überfluss vorhanden ist (Wasserstoffisotope), keine langlebigen radioaktiven Nebenprodukte entstehen und keine Treibhausgasemissionen entstehen. Allerdings ist es eine Herausforderung, die Bedingungen für die Kernfusion nachzuahmen, also einen Stern auf der Erde nachzubilden.

Während eines Großteils des letzten Jahrhunderts haben Wissenschaftler versucht, die Geheimnisse der Kernfusion zu enträtseln. Unkontrollierte energieerzeugende Fusionsreaktionen wurden in den 1950er Jahren bei thermonuklearen Waffentests auf der Erde demonstriert; das Erreichen einer kontrollierten energieerzeugenden Fusionsreaktion ist jedoch seither ein wichtiges wissenschaftliches Ziel geblieben. Der Großteil der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten konzentrierte sich auf zwei Ansätze zur Erreichung der Fusion: die Magnetic Confinement Fusion (MCF), bei der starke Magnete verwendet werden, um Fusionsbrennstoffe in Form eines Plasmas einzuschließen und zu komprimieren, das dann erhitzt wird, und die Inertial Confinement Fusion (ICF), bei der Laser, die auf ein Brennstoffziel gerichtet sind, sofort die Bedingungen für die Fusion schaffen. Eine Variante des MCF-Reaktors, der Tokamak, bei dem Magnete zur Komprimierung eines Plasmas in einer zentralen donutförmigen (toroidalen) Kammer verwendet werden, war schon früh erfolgreich und wurde in der Folge zum Zentrum der Fusionsaktivitäten auf der ganzen Welt.

Das ITER-Projekt, eine internationale Zusammenarbeit in der Tokamak-Forschung, steht seit der Jahrtausendwende im Mittelpunkt der Fusionsforschung. ITER war ein wichtiger Prozess für die Entwicklung der internationalen Zusammenarbeit in der wissenschaftlichen Forschung. Es haben sich jedoch mehrere neue Ansätze für die Fusion herauskristallisiert, die möglicherweise schneller voranschreiten und innerhalb von zwei Jahrzehnten kommerziell wettbewerbsfähige Optionen bieten.

Der Aufstieg der kommerziellen Fusions-Startups

Das Aufkommen neuartiger Fusionskonzepte und ein besseres Verständnis der Plasmaphysik führten zur Gründung zahlreicher privat finanzierter kommerzieller Fusionsunternehmen. Kommerzielle Neugründungen im Bereich der Kernfusion gab es erstmals in den 2000er Jahren(TAE Technologies, General Fusion, Tokamak Energy und andere), doch Mitte der 2010er Jahre gewannen private Fusionsinvestitionen an Fahrt. Fusions-Start-ups erforschen eine Vielzahl konzeptioneller Ansätze für die Fusion, z. B. die Verwendung von Hochtemperatur-Supraleitungsmagneten für Tokamaks und Stellaratoren oder die Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Gasgeschossen zur Implosion von Zielen. Andere entwickeln ganz eigene Reaktorkonzepte, die auf einem Ansatz basieren, der als Magnetized Target Fusion (MTF) - manchmal auch als Magneto-Inertial Fusion (MIF) bezeichnet - bekannt ist und Elemente der MCF und ICF vereint.

Mehrere Ansätze, die jetzt erforscht werden, wurden vor mehreren Jahrzehnten theoretisiert oder entwickelt, lagen aber außerhalb der Mainstream-Fusionsprogramme, die sich in erster Linie auf Tokamaks konzentrierten. Privates Kapital hat dieses Paradigma verändert, und im Februar 2020 beliefen sich die privaten Kapitalinvestitionen in Fusions-Start-ups auf insgesamt rund 1,5 Mrd. USD, mit Investoren wie Jeff Bezos, Breakthrough Energy Ventures und anderen. Diese privat finanzierten Unternehmen haben sich auf Fusionskonzepte mit kommerziellem Potenzial und die Rolle der Fusion bei der Schaffung einer kohlenstofffreien Wirtschaft konzentriert.

Clean Air Task Force (CATF) Globale Fusionskarte

Auf dem Weg zur kommerziellen Fusion

Zwar haben einige Fusions-Start-ups beträchtliche Fortschritte gemacht, doch sind sie alle noch weit von der Kommerzialisierung entfernt und konzentrieren sich stattdessen auf die Erzeugung eines stabilen Plasmas, um den Break-Even der Fusionsenergie zu demonstrieren. Um einen Fusionsreaktor kommerziell rentabel zu machen, müssen jedoch mehrere zusätzliche technische und kommerzielle Herausforderungen bewältigt werden. Bislang wurden kommerziellen Fusionsentwicklern nur sehr wenige öffentliche Finanzmittel zur Verfügung gestellt. Die Programme ARPA-E ALPHA, ARPA-E BETHE, INFUSE des Energieministeriums sowie das britische AMR-Programm (Advanced Modular Reactor) haben eine gewisse Unterstützung für private kommerzielle Fusionsentwickler bereitgestellt. Um die Kommerzialisierung in einem Zeitrahmen zu erreichen, der sich auf die globalen Klimaziele auswirken kann, ist jedoch eine viel breitere und tiefere öffentliche Unterstützung erforderlich.

CATFDas Kernfusionsprojekt von zielt darauf ab, unerforschte Fragen der Kernfusion zu ermitteln und herauszufinden, wie eine wirksame öffentliche und private Unterstützung erfolgen kann. Dementsprechend sucht das Fusionsprojekt von CATFnach Antworten auf die folgenden Fragen:

• Welche Rolle könnte die Kernfusion bei der Dekarbonisierung des globalen Energiesystems spielen?
• Kann die Kernfusionsenergie wirtschaftlich sein?
• Auf welche Märkte sollte die kommerzielle Fusionsentwicklung ausgerichtet sein?
• Wie sollte die kommerzielle Kernfusion sicher geregelt werden?
• Stellt die kommerzielle Kernfusion ein Risiko für die Verbreitung von Kernwaffen dar, und wenn ja, wie lässt sich dieses Risiko bewältigen?
• Welche öffentlichen Maßnahmen und Programme könnten die Entwicklung der kommerziellen Kernfusion und den Markteintritt erleichtern?
• Wie können öffentliche und private Investitionen in die Kernfusionstechnologie am wirksamsten eingesetzt werden?
• Welche kommerziellen Herausforderungen, z. B. bei der Herstellung von Komponenten, Werkstoffen oder Abfällen, könnten die Einführung der Kernfusion behindern?