Hier ist, wie Wissenschaftler erstmals "Zündung" der Kernfusion erreicht haben.

Einer der größten Fortschritte in der Kernfusion wäre ohne einige makellose wissenschaftliche Kunstfertigkeit nicht möglich gewesen.

Im Dezember 2022 erzeugten Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien Fusionreaktionen, die einen Überschuss an Energie produzierten - ein Novum. In dem Experiment wurden 192 Laser auf eine kleine Kammer gerichtet, was Fusionreaktionen auslöste - bei denen sich kleinere Atomkerne zu größeren verbinden - die mehr Energie freisetzten als zunächst eingespeist wurde (SN: 12/12/22). Es handelt sich um einen Meilenstein, der als "Zündung" bekannt ist und jahrzehntelange Vorbereitung erforderte.

Jetzt haben Forscher Einzelheiten dieses Experiments in fünf begutachteten Artikeln veröffentlicht, die am 5. Februar online in den Zeitschriften Physical Review Letters und Physical Review E erschienen sind. Die Leistung erforderte ein außergewöhnliches Maß an Finesse, um die Bedingungen so anzupassen, dass mehr Energie aus den Lasern gewonnen und die idealen Bedingungen für die Fusion geschaffen wurden.

Die Arbeit ist "außerordentlich schön", sagt der Physiker Peter Norreys von der University of Oxford. Norreys, der nicht an der Forschung beteiligt war, vergleicht die Leistung mit der Leitung eines weltklasse Orchesters: Unterschiedliche Elemente des Experiments mussten akribisch koordiniert und präzise abgestimmt werden.

Die Wissenschaftler entdeckten auch einen lange vorhergesagten Aufheizeffekt, der die Physik anderer gewalttätiger Umgebungen, wie explodierender Sterne namens Supernovae, aufdecken könnte. "Die Leute sagen [Physik ist] ein trockenes Thema", sagt Norreys. "Aber ich denke immer, dass die Physik an vorderster Front der Kreativität steht."

Fusion, der gleiche Prozess, der in der Sonne stattfindet, ist eine attraktive Energiequelle. Fusionkraftwerke würden keine Treibhausgase emittieren. Und im Gegensatz zu herkömmlichen Kernspaltungskraftwerken, bei denen Atomkerne gespalten werden, um Energie zu erzeugen, würden Kernfusionskraftwerke keinen gefährlichen, langlebigen radioaktiven Abfall produzieren. Die Zündung ist der erste Schritt zur Nutzung dieser Energie.

Die Erzeugung von Fusion erfordert extremen Druck und extreme Temperaturen. In dem Experiment wurden die Laser der National Ignition Facility des LLNL den Innenraum eines hohlen Zylinders, genannt Hohlraum, der etwa so groß wie ein Radiergummi ist, bombardiert. Die Explosion erhitzte den Hohlraum auf sengende 3 Millionen Grad Celsius - so heiß, dass er Röntgenstrahlen abgab. In diesem Röntgenofen befand sich eine Diamantkapsel mit dem Brennstoff: zwei schwere Wasserstoffsorten namens Deuterium und Tritium. Die Strahlung verdampfte die Diamantschale der Kapsel und ließ den Brennstoff mit Geschwindigkeiten von etwa 400 Kilometern pro Sekunde implozieren, was die heißen, dichten Bedingungen erzeugte, die die Fusion auslösten.

Zuvor waren Versuche nur knapp an der Zündung gescheitert (SN: 8/18/21). Um weiter voranzukommen, erhöhten die Forscher die Energie des Laserimpulses von 1,92 Millionen Joule auf 2,05 Millionen Joule. Dies gelang ihnen, indem sie den Laserimpuls geringfügig verlängerten, der das Ziel nur für wenige Nanosekunden trifft, um nur einen winzigen Bruchteil einer Nanosekunde. (Eine direkte Erhöhung der Laserleistung bestand das Risiko von Beschädigungen an der Einrichtung.)

Das Team verdickte auch die Diamantschale der Kapsel um etwa 7 Prozent - eine Differenz von nur wenigen Mikrometern -, was die Implosion der Kapsel verlangsamte und es den Wissenschaftlern ermöglichte, das volle Potenzial des längeren Laserimpulses zu nutzen. "Das war eine bemerkenswerte Leistung", sagt Norreys.

Aber diese Anpassungen veränderten die Symmetrie der Implosion, was weitere Anpassungen erforderte. Es ist, als würde man versuchen, einen Basketball auf die Größe einer Erbse zu quetschen, sagt die Physikerin Annie Kritcher von LLNL, "und wir versuchen, das sphärisch symmetrisch auf etwa 1 Prozent genau zu tun."

Dies ist besonders herausfordernd aufgrund der Mischung aus elektrisch geladenen Partikeln oder Plasma, das den Hohlraum während des Laserblasts füllt. Dieses Plasma kann die Laserstrahlen absorbieren, bevor sie die Wände des Hohlraums erreichen, und so die Symmetrie der Implosion stören.

Um die Dinge auszugleichen, änderten Kritcher und Kollegen leicht die Wellenlängen der Laserstrahlen so, dass sie Energie von einem Strahl auf einen anderen übertragen konnten. Die Lösung erforderte die Anpassung der Wellenlängen der Strahlen um winzige Angström - ein Zehntel eines Milliardstel Meters.

"Ingenieurtechnisch ist es erstaunlich, dass sie das tun konnten", sagt die Physikerin Carolyn Kuranz von der University of Michigan in Ann Arbor, die nicht an der Arbeit beteiligt war. "Zudem machen diese winzigen Änderungen einen phänomenalen Unterschied."

Nach all den Anpassungen lieferten die resultierenden Fusionsreaktionen 3,15 Millionen Joule Energie - etwa 1,5-mal die eingespeiste Energie, berichteten Kritcher und Kollegen in Physical Review E. Die Gesamtenergie, die benötigt wird, um die Laser von NIF mit Strom zu versorgen, ist deutlich größer, etwa 350 Millionen Joule. Obwohl NIFs Laser nicht darauf ausgelegt sind, energieeffizient zu sein, bedeutet dies, dass Fusion als praktische Energiequelle noch weit entfernt ist.

Another experiment in July 2023 used a higher-quality diamond capsule and obtained an even larger energy gain of 1.9, meaning it released nearly twice as much energy as went into the reactions (SN: 10/2/23). In the future, NIF researchers hope to be able to increase the laser’s energy from around 2 million joules up to 3 million, which could kick off fusion reactions with a gain as large as 10.

The researchers also discovered a long-predicted phenomenon that could be useful for future experiments: After the lasers heated the hohlraum, it was heated further by effects of the fusion reactions, physicist Mordy Rosen and colleagues report in Physical Review Letters.

Following the implosion, the ignited fuel expanded outward, plowing into the remnants of the diamond shell. That heated the material, which then radiated its heat to the hohlraum. It’s reminiscent of a supernova, in which the shock wave from an exploding star plows through debris the star expelled prior to its explosion (SN: 2/8/17).

“This is exactly the collision that’s happening in this hohlraum,” says Rosen, of LLNL, a coauthor of the study. In addition to explaining supernovas, the effect could help scientists study the physics of nuclear weapons and other extreme situations.

NIF is not the only fusion game in town. Other researchers aim to kick off fusion by confining plasma into a torus, or donut shape, using a device called a tokamak. In a new record, the Joint European Torus in Abingdon, England, generated 69 million joules, a record for total fusion energy production, researchers reported February 8.

After decades of slow progress on fusion, scientists are beginning to get their atomic orchestras in sync.