Ich hätte gern, das mir jemand erklärt wie Kernfusion funktioniert. Also jetzt nicht die Sache mit den Kraftwerken. Sondern die Grundlage: Wenn man die Kerne leichter Atome, wie zum Beispiel des Wasserstoff nahe genug aneinander bringt, verbinden sie sich zu Kernen schwerere Atome, wie etwa Helium. Dabei wird Energie frei. Warum ist das so?
Ich hab das natürlich während meines Studiums gelernt; ich kenne die entsprechenden physikalischen und mathematischen Gleichungen und das Thema eigentlich verstanden. Aber ich bin mir nicht sicher, ob ich es wirklich auf einer so fundamentalen Ebene so absolut verstanden habe, dass ich auch in der Lage bin, es Leuten ohne entsprechende Vorbildung anschaulich zu vermitteln. Und genau das ist der Punkt um den es mir geht!
Ein Beispiel: Im Lehrbuch “Einführung in Astronomie und Astrophysik” von Arnold Hanslmeier steht zu dem Thema:
“Vor einem Kernfusionsprozess sei die Masse der betroffenen Kernen i Σ Mi, nach der Fusion Mp. Die Masse der fusionierten Kerne ist leichter als die Masse der Ursprungskerne und der fehlender Betrag, Massendefekt, ΔM, beträgt ΔM=Σ Mi-Mp und dieser wird nach Einstein in Energie umgewandelt: E=ΔMc²
Gut, so weit, so klar und das ist ja eine der Standarderklärungen die man zu dem Thema findet. Die Masse des fusionierten Kerns ist geringer als die Gesamtmasse der Kerne die vor der Fusion vorhanden waren. Und diese überschüssige Masse ist genau die Energie, die bei der Fusion frei wird. Was hier aber nicht erklärt wird: WIESO ist die Masse des fusionierten Kerns geringer?
Hier muss man jetzt über die Bindungsenergie sprechen. Das ist die Energie durch die die Bausteine des Atomkerns aneinander gebunden sind. Es braucht Energie, wenn man so einen Atomkern in seine Bestandteile zerlegen will und diese Energie ist die Bindungsenergie. Die Wikipedia sagt zum dem Thema zum Beispiel:
“In der Kernphysik ist die Bindungsenergie die Energiemenge, die aufgewandt werden muss, um den Atomkern in seine Nukleonen zu zerlegen. Umgekehrt wird eine ebenso große Energie frei, wenn sich Nukleonen zu einem Kern vereinigen. Die Bindung kommt durch die anziehende Kraft der starken Wechselwirkung zwischen benachbarten Nukleonen zustande. Diese überwiegt die gegenseitige Coulomb-Abstoßung der elektrisch positiv geladenen Protonen im Kern. Die maximale Bindungsenergie pro Nukleon wird bei Nickel-62”
Dazu gibt es dann meistens Bilder wie das hier zu sehen:
Leichte Kerne haben also eine geringe Bindungsenergie; schwerere Kerne eine größere (und hinter Nickel dreht sich das ganze wieder um) Bindungsenergie. Aber auch hier kriege ich Probleme, wenn ich mir das anschaulich vorstellen will. Ich habe zwei leichte Kerne mit geringer Bindungsenergie. Daraus mache ich einen Kern mit größere Bindungsenergie. Wo in diesem Prozess aber kommt nun die Energie her, die frei wird? Wenn ich zum Beispiel zwei Kerne mit einer Bindungsenergie von je 2 Energieeinheiten zu einem Kern fusionieren, der eine Bindungsenergie von 6 Energieeinheiten habe, dann fehlen mir ja eigentlich 2 Energieeinheiten. Wieso wird dann Energie frei?
Weil die Bindungsenergie eine negative Größe ist und damit am Ende eben was übrig bleibt; das ist das was mir die entsprechende Mathematik sagt. Aber wie kann man das veranschaulichen? Es geht mir explizit nicht darum, das Phänomen der Kernfusion an sich zu erklären; für sowas gibt es Lehrbücher, ein Studium, und so weiter. Ich suche nach einem Weg wie man diese absolut nicht intuitiven Vorgänge anschaulich machen kann. Was soll es bedeuten, dass die Bindungsenergie eines Atomkerns negativ ist? Wie kann man sich das vorstellen; ohne komplizierte Diagramme und mathematische Formeln?
Ich habe diese Frage kürzlich auf Twitter gestellt und daraus hat sich eine heftige Diskussion entwickelt. Da war alles dabei: Erklärungsansätzer die noch tiefer in komplexe Themen abgetaucht sind wie Tröpfchenmodell des Atomkerns oder Quantenfelder. Versuche das ganze durch den Vergleich mit Schulden, Gravitationspotentiale oder Seifenblasen anschaulich zu erklären. Und so weiter. Aber so richtig und absolut zufriedenstellend war das alles nicht. Am Ende blieb immer ein kleiner, nerviger Gedanke im Gehirn der darauf beharrt, dass da irgendwas nicht stimmen kann.
Die Kernfusion ist physikalisch verstanden; sehr gut sogar – in der Hinsicht gibt es keine Probleme. Aber ich bin immer noch auf der Suche nach einer anschaulichen Erklärung. Und ich lasse auch “Man kann halt nicht alles anschaulich erklären!” nicht gelten. Ja, es gibt Sachen die man nicht anschaulich erklären kann, weil sie nicht anschaulich sind; alles was mit irgendwelchen höherdimensionalen Räumen usw zu tun hat. Aber ich bin mir absolut sicher, dass man für die Sache mit der Kernfusion ein Bild finden kann, das auch Menschen ohne Physikstudium klar macht, wieso man Energie gewinnen kann wenn man zwei leichte Atome zu einem schweren Atom zusammenpappt!
Was passiert dort, wo der “Bang” im Bild ist?! (Bild: gemeinfrei)
Ich habe jede Menge Ansätze durchprobiert; ich hab versucht die Bindungsenergie mit Schulden zu vergleichen; mit einer zu zahlenden Miete bzw einer Mietkaution, die nach einem Auszug wieder ausgezahlt wird; ich hab über Kugeln aus geschmolzenen Gummibären nachgedacht die aneinanderkleben und bei der Trennung Teile von sich selbst verlieren, und so weiter. Am Ende bin ich zu einer Erklärung und einem Bild gekommen, mit dem ich mehr oder weniger (aber auch nicht zu 100 Prozent) zufrieden bin. Das könnt ihr am Freitag in der kommenden Folge 363 meines Sternengeschichten-Podcasts hören (bzw. in der Transkription hier im Blog dann auch lesen). Aber ich dachte, ich stell die Frage einfach mal auch dem Rest der Welt!
Ich weiß, dass in der Leserschaft meines Blogs jede Menge schlaue Menschen zu finden sind. Und rufe euch daher auf: Erklärt die Kernfusion! Wie funktioniert dieser Prozess bei der man aus leichten Atomen schwere Atome macht und dabei Energie gewinnen kann? Und mit welchen Bildern, Vergleichen (oder vielleicht sogar Experimenten?) kann man das anschaulich darstellen? Ihr könnt eure Erklärung hier in die Kommentare schreiben; ihr könnt auch einen Text schreiben und ihn mir per Email schicken (am besten bis 17. November) – den veröffentliche ich dann gerne hier als Gastbeitrag. Ihr könnt auch ein Video aufnehmen; ein Bild zeichnen oder was euch sonst noch so einfällt um diese Sache mit der Fusion anschaulich zu erklären!
Als Anreiz gibt es auch was zu gewinnen! Die Erklärungen die mir am besten gefallen werden mit Preisen belohnt. Es gibt Bücher (mein neues Buch zum Beispiel, aber auch andere). Ich hab auch noch ein paar Freikarten für Shows der Science Busters und andere nette Sachen die ich als Preise vergeben kann. Ich würde mich freuen, wenn ihr mitmacht. Am meisten würde ich mich aber freuen, wenn ich danach diese Sache mit der Kernfusion endlich vernünftig verstanden habe 😉
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