Das ist die Transkription einer Folge meines Sternengeschichten-Podcasts. Die Folge gibt es auch als MP3-Download und YouTube-Video.
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Sternengeschichten Folge 363: Energie durch Kernfusion
Kernfusion ist die Energiequelle der Sterne. Sie ist der Grund warum wir nachts nicht auf einen völlig dunklen Himmel blicken und warum tagsüber die Sonne scheint und das Leben auf der Erde überhaupt erst möglich ist. Wie die Sterne ihre Energie produzieren habe ich schon oft in den Sternengeschichten erzählt, zum Beispiel ausführlich in den Folgen 168 und 169. Aber was die Sterne können, sollten wir Menschen doch auch hinbekommen. Deswegen geht es in dieser Folge um den Versuch die Energiequelle des Kosmos auch für uns hier auf der Erde technisch nutzbar zu machen.
Fangen wir mit dem grundlegenden Prinzip an. Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Der Kern kann aus zwei verschiedenen Bausteinen bestehen, den positiv geladenen Protonen und den elektrisch nicht geladenen Neutronen. Die Anzahl der Protonen bestimmt um welches chemische Element es sich handelt. Wasserstoff hat immer ein Proton, Helium immer zwei Protonen, und so weiter durch das ganze Periodensystem der Elemente. Rein theoretisch ist es also ganz einfach aus einem Element ein anderes zu machen: Man nimmt zum Beispiel zwei Wasserstoffatome, die ja jeweils ein Proton im Kern haben, steckt die zusammen und kriegt ein Heliumatom mit zwei Protonen. Aber leider ist es nicht ganz so einfach. Erstmal darf man auch die Neutronen nicht ignorieren! Helium hat nicht nur zwei Protonen im Kern sondern auch zwei Neutronen und die müssen auch noch irgendwo herkommen. Im Inneren von Sternen geht der Weg daher auch nicht direkt über Wasserstoff zu Helium sondern es braucht Zwischenschritte. Zwei Wasserstoffatome können zum Beispiel miteinander fusionieren wobei sich gleichzeitig eines der Protonen in ein Neutron umwandelt. Das was da entsteht ist dann immer noch Wasserstoff, aber ein sogenanntes Isotop. In diesem Fall heißt es “Deuterium”: Ein Wasserstoffatom das im Kern neben einem Proton auch noch ein Neutron hat. Ein Deuteriumkern kann mit einem weiteren Wasserstoffatom zu “Helium-3” fusionieren, einem Helium-Isotop das einen Kern aus zwei Protonen und einem Neutron hat. Wenn zwei dieser Helium-3-Kerne entstanden sind können die zusammen ein “normales” Helium-Atom bilden. Die beiden Protonen die bei diesem Prozess zu viel sind – von den insgesamt vier werden ja nur zwei benötigt – werden freigesetzt; zusammen mit ein wenig überschüssiger Energie. Und genau diese Energie (plus die Bewegungsenergie die in den wegfliegenden Protonen steckt) ist das, was den Stern zum Leuchten bringt!
Es bleibt aber die grundlegende Frage: Warum wird bei der Fusion von leichten zu schwereren Atomen überhaupt Energie frei? Das ist, bei genauerer Betrachtung, gar nicht mal so einfach zu erklären. Und hat mit der zweiten Schwierigkeit bei der Kernfusion zu tun: Der Tatsache, dass Atomkerne keine Legosteine sind die man einfach aneinander stecken kann. Dazu muss man erst mal verstehen was eigentlich genau dazu führt dass Atomkerne zusammenhalten. Hier spielen zwei Kräfte eine Rolle. Da ist einmal die elektrostatische Abstoßungskraft die zwischen den elektrisch positiv geladenen Protonen wirkt. Es ist – wie gesagt – eine abstoßende Kraft, das heißt eine Kraft die dazu führt dass die Protonen eigentlich nicht zusammenhalten wollen, genau so wie zwei gleich orientierte Magnete eigentlich nicht zusammen sein wollen. Dann gibt es aber noch eine zweite Kraft, nämlich die sogenannte “starke Wechselwirkung” oder “starke Kernkraft”. Das ist die Kraft durch die die Kernbausteine zusammenhalten wollen. Sie wirkt bei Protonen UND Neutronen bzw. bei “Nukleonen”, wie die beiden Bausteine gemeinschaftlich genannt werden. Die starke Kernkraft lässt also Protonen an Protonen kleben, Neutronen an Neutronen und natürlich und vor allem auch Protonen an Neutronen. Allerdings nur wenn sich die Nukleonen wirklich sehr, sehr nahe kommen. Erst wenn der Abstand nur noch etwa ein Billiardstel Meter beträgt, kann die starke Kernkraft die elektrostatische Abstoßungskraft überwinden.
Jetzt kleben die Nukleonen also zusammen. Bei unterschiedlichen Atomsorten unterschiedlich viele. In dem ganzen Gebilde aus Protonen und Neutronen steckt also Energie. Einmal die Energie die die einzelnen Teilchen selbst haben. Andererseits auch die Energie die das ganze Trumm zusammenhält. Wie stark diese Bindungsenergie ist, hängt von der Größe des Atomkerns ab, also von der Anzahl der Protonen und Neutronen. Schwere Atomkerne mit vielen Protonen erzeugen viel Abstoßungskraft, das lockert quasi die Bindung der Nukleonen. Atome mit wenig Nukleonen sind auch locker gebunden denn hier hat nicht jedes Kernteilchen zwingend mehrere Nachbarn an die es sich binden kann. In einem großen Kern liegen viele Nukleonen mitten drin und haben überall Nachbarteilchen um sich herum. In kleinen Kernen ist das nicht so; hier sind verhältnismäßig mehr am äußern Rand des Kerns wo es weniger Nachbarn gibt.
Wenn wir also von den leichten Atomen zu schwereren Atomen gehen, wird die Bindung im Kern zuerst immer stärker, bis sie bei Kernen mit circa 60 Protonen im Kern (das ist bei Nickel- und Eisenatomen der Fall) am stärksten wird. Dann aber werden die Kerne zu groß, die Protonen stoßen sich immer stärker ab und die Bindung wird wieder lockerer. Die Bindungsenergie die pro einzelnem Kernteilchen eines Atomkerns zu dessen Bindung beigetragen werden muss steigt also von leichten zu schweren Atomkernen zuerst immer weiter an bis sie bei Eisen- und Nickelatomen ein Maximum erreicht und dann wieder geringer wird.
Bindungsenergie pro Nukleon (Bild: Napy1kenobi, Matt, CC-BY-SA 3.0)
Das Konzept der Bindungsenergie ist zentral wenn man verstehen will, wieso man durch die Fusion zweier leichter Atomkerne zu einem schweren Kern Energie gewinnen kann. Es ist daher vielleicht ganz gut, wenn wir uns dazu zuerst einmal eine andere Art der Bindung anschauen. Wir Menschen sind ja gewissermaßen an die Erde gebunden. Sie hält uns mit ihrer Gravitationskraft fest, genau so wie die starke Kernkraft die Nukleonen fest hält. Wir können uns von der Bindung zur Erde lösen, müssen uns dafür aber quasi auslösen; wir müssen eine Energieschuld begleichen. Und zwar um so mehr, je weiter wir ihrem Einfluss entkommen wollen und das kann durchaus anstrengend sein, wie alle wissen, die schon mal beim Umzug geholfen haben und eine Waschmaschine in den fünften Stock getragen haben.
Wenn sich dann heraus stellt, dass die Waschmaschine gar nicht dort hin sollte, hat man ein Problem. Beziehungsweise hat vor allem die Person ein Problem die einem zuvor gesagt hatte, man solle das schwere Trumm dort rauf tragen. Aber wenn die Waschmaschine wieder runter muss; also wieder stärker an die Erde gebunden werden soll, dann müssen wir quasi eine neue Energieschuld von der Erde aufnehmen und die Energie die hier frei wird kann man gut beobachten. Das kann man leicht sehen in dem man die Waschmaschine einfach direkt aus dem fünften Stock auf die Strasse wirft. Man kann der freiwerdende Energie dann wunderbar zusehen, wie sie die Waschmaschine in ihre Einzelteile zerlegt; oder anders gesagt: Wie die kinetische Energie, also die Bewegungsenergie bei immer stärkerer Bindung an den Erdboden immer mehr wird und sich am Ende in Deformationsenergie umwandelt und freigesetzt wird. Aber selbst wenn man nett ist und die Waschmaschine vorsichtig wieder fünf Stockwerke nach unten trägt, wird die Energie frei. Das merkt man daran, dass man anfängt zu schwitzen und Wärmeenergie abgibt. Man wärmt durch die Reibung zwischen den Füßen und dem Boden das Treppenhaus ein klein wenig. Die Muskeln die zum Einsatz kommen geben Energie ab. Und so weiter.
Am Ende ist das verflixte Trumm dann wieder auf der Straße und schuldet Energie. Entweder mir, weil ich mich angestrengt habe es nach unten zu tragen oder der Erde, von der es sich die Bewegungsenergie für den schnellen Fall abgezwackt hat. Die Energie mit der es nun an den Boden gebunden ist – auf jeden Fall dauerhaft, denn ich werde sie sicher nirgendwohin mehr tragen! – ist also eigentlich eine negative Energie. Was man sich auch andersherum gut vorstellen kann: Die Bindungsenergie ist die Energie die notwendig ist um die Maschine aus ihrer Bindung mit der Erde wieder zu lösen; eine Energie die man erst hineinstecken muss, damit sich das Ding überhaupt rührt.
Bei den Nukleonen die in einem Atomkern gebunden sind ist es genau so. Ihre Bindungsenergie ist genau die Energie, die man in den Atomkern hineinstecken muss, wenn man ihn wieder in seine Einzelteile zerlegen und die Nukleonen voneinander trennen will. Die Energie, die man erst mal investieren muss, damit sich die Kernteilchen überhaupt bewegen wollen. Je stärker die Nukleonen aneinander gebunden sind desto negativer ist diese Energie.
Wenn ich nun also zwei Atome mit einer geringen Bindungsenergie habe sind das zwei Atome in deren Kerne ich nur wenig Energie stecken muss um die Nukleonen voneinander zu trennen. Diese Atome zwinge ich nun sich miteinander zu verbinden und einen größeren Kern zu bilden der eine höhere Bindungsenergie hat; also einen Kern in den ich sehr viel mehr Energie stecken muss, um ihn wieder zerlegen zu können. Der stärker gebundene Kern muss dafür aber erst mal ein wenig Energie abgeben damit sein Energiedefizit groß genug ist.
Versuchen wir noch einen letzten Vergleich: Man kann sich einen Atomkern wie ein Loch im Boden vorstellen in dem die Nukleonen liegen. Wenn ich sie da herausholen will, muss ich Energie aufwenden und zwar um so mehr, je tiefer das Loch ist. Atomkerne die nur schwach aneinander gebunden sind liegen in einem flachen Loch. Die Nukleonen in einem stark gebundenen Kern liegen in einem tiefen Loch. Wenn ich zwei leichte Kerne fusionieren will, muss ich aus einem flachen Loch ein tiefes Loch machen. Dabei muss ich Erde von unten rausbuddeln und nach draußen werfen. Die rausgeworfene Erde entspricht einer gewissen Energie; von je weiter unten ich sie nach oben werfe, desto mehr Energie steckt in ihrer Bewegung. Beim Graben eines tiefen Lochs wird also Energie frei und es ist genau die Energie die in der nun stärkeren Bindung der Nukleonen steckt; die nun größere Energie die ich aufwenden muss wenn ich sie aus ihrem Loch wieder rausholen will.
Aus klein mach groß (plus Energie)
Übrigens hab ich vorhin auch erwähnt, dass die ganz schweren Atome mit mehr als 60 Protonen auch wieder weniger Bindungsenergie pro Nukleon haben als die leichteren. Auch hier funktioniert das Prinzip der Energiefreisetzung, nur genau anders herum. Anstatt aus leichten Atomkernen schwere Exemplare zu machen, muss man schwere Atomkerne in leichte aufspalten. Das nennt sich “Kernspaltung” ist wieder eine ganz andere Geschichte die ich ein anderes mal erzählen werde.
Sterne können also durch die Fusion von Wasserstoff zu Helium Energie freisetzen und das ist der Grund warum sie leuchten. Damit das klappt müssen die Wasserstoffatome aber erst mal überredet werden zu fusionieren. Es muss erst mal die elektrostatische Abstoßungskraft der Protonen überwunden werden, wie ich vorhin erzählt habe. Das schafft die Sonne, weil sie ein wirklich großes Ding ist. Sie hat das 300.000fache der Erdmasse und in ihrem Inneren herrscht eine Temperatur von etwa 15 Millionen Grad. Dadurch bewegen sich die Atome schnell genug um mit ausreichend Rumms aufeinander zu krachen. Sie können sich nahe genug kommen um miteinander zu fusionieren. Unter anderem auch, weil der Druck enorm groß ist, weil also in der Sonne sehr sehr viel Wasserstoffatome auf sehr kleinem Raum zusammengedrängt sind. Hohe Temperaturen und hoher Druck: Das braucht man für Kernfusion und das brauchen wir auch, wenn wir diesen Prozess hier auf der Erde nachvollziehen wollen. Das, was die Sonne macht, können wir aber nicht einfach kopieren. Denn eigentlich ist die Sonne nicht sonderlich effizient bei ihrer Kernfusion. Rein statistisch kann ein einzelnes Wasserstoffatom dort für einige Millionen Jahre durch die Gegend fliegen ohne mit einem anderen zu fusionieren. Dass trotzdem ständig Fusionsreaktionen stattfinden liegt nur daran, dass es in der Sonne so enorm viel Wasserstoff gibt und daher immer irgendwo ein Atom ein anderes findet. Würde man das gleiche mit einer geringeren Menge probieren, also einer Menge die auch wir hier auf der Erde technisch in den Griff bekommen könnten, würde das nie und nimmer für eine vernünftige Energiequelle reichen. Wir würden auch rein technisch den enormen Druck gar nicht hinbekommen, der im Inneren der Sonne herrscht. Das bedeutet, dass wir zwei grundlegende Änderungen machen müssen, wenn wir Kernfusion künstlich ablaufen lassen wollen. Wir müssen uns eine Fusionsreaktion suchen die ein bisschen effizienter abläuft als die Fusion von Wasserstoff zu Helium. Und da wir den hohen Druck nicht hinbekommen müssen wir versuchen deutlich höhere Temperaturen zu erzeugen als sie im Inneren der Sonne herrschen.
Und was sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dazu im Laufe der letzten Jahrzehnte ausgedacht haben, erfahrt ihr in der nächsten Folge der Sternengeschichten.
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