Neue Methode der kontrollierten Kernfusion untergräbt Erwartungen. Steht das erste Licht kurz vor dem Aufleuchten?

Ich habe gestern eine Nachricht gesehen, die meine Erwartungen hinsichtlich der Zukunft der kontrollierten Kernfusion über den Haufen geworfen hat. Ein wenig bekanntes Startup namens Zap Engineering spart Geld und erzielt durch einen völlig neuen Ansatz einen großen Durchbruch. Einige Branchenexperten und Medien haben diese Technologie in den höchsten Tönen gelobt und sie für einen wichtigen Meilenstein in der kontrollierten Kernfusionstechnologie gehalten.

Derzeit arbeitet Zap Engineering an der Modularisierung dieser Technologie und gibt an, dass sie in naher Zukunft auf dem Markt verfügbar sein wird. Wird dieser Durchbruch den Prozess der Kommerzialisierung der kontrollierten Kernfusion wirklich erheblich verkürzen? Lassen Sie es uns herausfinden.

Lassen Sie mich kurz darüber sprechen, was kontrollierte Kernfusion ist.

Die kontrollierte Kernfusion nutzt das Prinzip der Kernfusion im Inneren der Sonne, um zum Wohle der Gesellschaft lang anhaltende Wasserstofffusionsenergie auf der Erde zu erzeugen. Tatsächlich wird bei der Explosion einer Wasserstoffbombe die Energie einer Kernfusion freigesetzt, sie ist jedoch unkontrollierbar. Es verschwindet mit einem „Boom“. Abgesehen vom Krieg kann es der Gesellschaft keinen Nutzen bringen.

Bei der kontrollierten Kernfusion geht es darum, die enorme Energiemenge, die sofort mit einem „Knall“ freigesetzt wird, langsam freizusetzen, sodass Strom erzeugt und über einen beträchtlichen Zeitraum unerschöpfliche Energie gewonnen werden kann. Da diese Energie auf ähnliche Weise wie die Sonne erzeugt wird, wird sie im Volksmund auch als künstliche Sonne oder künstliche kleine Sonne bezeichnet.

Aufgrund seiner enormen Masse kann es im Kern der Sonne jedoch weiterhin zu einer kontinuierlichen Wasserstoff-Kernfusion kommen, die einen enormen zentripetalen Kontraktionsdruck von bis zu 300 Milliarden Atmosphären zur Folge hat. Ein derartiger Druck kann auf der Erde nicht künstlich erzeugt werden. Dafür ist eine Temperatur von mehr als 15 Millionen Grad im Kern der Sonne erforderlich, wo mehr als 100 Millionen Grad erforderlich sind.

Die Frage ist also, wie man das Plasma auf 100 Millionen Grad erhitzt? Darüber hinaus schmilzt das hitzebeständigste Metall der Erde bereits bei wenigen tausend Grad. Mit welcher Art von Behälter können Zehntausende von Plasmen aus der Kernfusion bei mehreren tausend Grad Celsius „eingeschlossen“ werden? Wie kann dieses Hochtemperaturplasma Strom erzeugen? Dies sind einige der größten Probleme, die für eine kontrollierte Kernfusion gelöst werden müssen.

Wissenschaftler arbeiten seit Jahrzehnten daran und machen nun endlich Fortschritte. Es gibt drei Möglichkeiten, das Hochtemperaturplasma der Kernfusion „einzuschließen“, nämlich magnetischen Einschluss, Trägheitseinschluss und Schwerkrafteinschluss. Bei diesen Verfahren handelt es sich allesamt um Verfahren ohne materiellen Einschluss, die verhindern sollen, dass das Hochtemperaturplasma auf die Innenwand des Behälters trifft.

Die Gravitationseinschließung ist die Methode, die die Sonne verwendet, und die auf der Erde nicht erreicht werden kann. Daher können die Menschen nur an Methoden der magnetischen Einschließung und der Trägheitseinschließung denken. Bereits in den 1950er Jahren erfanden Wissenschaftler aus der ehemaligen Sowjetunion ein Gerät namens Tokamak, das mithilfe von Spulen eine magnetische Falle im Inneren erzeugt und Hochtemperaturplasma in der magnetischen Falle einschließt.

Aktueller Stand der Entwicklung der magnetischen Einschluss-kontrollierten Kernfusion in der Welt/

Der Einsatz von Tokamak-Anlagen zur Entwicklung kontrollierter Kernfusionstechnologie ist eine klassische Methode zur magnetischen Einschlusstechnik und nimmt weltweit eine gängige Stellung ein. China hat die vollständig supraleitende Tokamak-Experimentieranlage mit nicht-kreisförmigem Querschnitt, genannt EAST, eigenständig entwickelt und nimmt derzeit weltweit eine führende Position ein. Während des Experiments wurden mehrere weltweit führende Erfolge erzielt, wie etwa die Aufrechterhaltung des Betriebs eines 70 Millionen Grad heißen, gepulsten Hochparameterplasmas für 1056 Sekunden, der Betrieb des Plasmas bei einer Temperatur von 120 Millionen Grad für 101 Sekunden und das Erreichen eines 1 MA-Plasma-Einzelstroms.

Viele Länder, wie etwa die Vereinigten Staaten, Großbritannien und Japan, haben ebenfalls Fortschritte bei der kontrollierten Kernfusion erzielt und können Energie erzeugen, doch die Zeitspanne, in der sie diese Energie aufrechterhalten können, ist zu kurz, und selbst wenn sie etwas davon erzeugen, ist die abgegebene Energie noch immer unzureichend. Das Hauptproblem, das als nächstes gelöst werden muss, besteht darin, das Kernfusionsplasma über einen langen Zeitraum stabil und kontinuierlich brennen zu lassen, und die Ausgangsenergie muss viel höher sein als die Eingangsenergie, was symbolisch durch das Erreichen von Q=1 oder höher dargestellt wird.

Diese Probleme sind leicht zu erklären, aber schwer umzusetzen. Daher sind sich Experten weltweit im Allgemeinen einig, dass es mindestens 30 Jahre oder sogar länger dauern wird, bis die kontrollierte Kernfusion tatsächlich kommerziell nutzbar wird.

China hat auch eigene Pläne gemacht, um im Jahr 2025 Q=5 zu erreichen und schrittweise Q=10 zu erreichen; um im Jahr 2030 eine Stromerzeugung im Demonstrationsprojekt zu erreichen, 200 MW Stromerzeugung unter Q=5-Bedingungen zu erreichen und zunächst 1 GW Dauerstromerzeugung unter Q=10 zu erreichen.

Geht man von diesem Plan aus, kann bei einer erfolgreichen Umsetzung frühestens 2030 im Probebetrieb das erste Licht angehen, und die tatsächliche kommerzielle Stromerzeugung wird erst 2050 erreicht.

Entwicklung der kontrollierten Kernfusion durch Trägheitseinschluss/

Die sogenannte Trägheitseinschlussmethode ist eine Methode, bei der die Trägheit von Teilchen genutzt wird, um die Teilchen selbst einzuschränken und so Kernfusionsreaktionen zu erreichen. Bei einer klassischeren Methode wird ein sehr kleines Zielpellet mit einem Hochenergielaser oder einem geladenen Teilchenstrahl bestrahlt, wodurch das Material auf der Zieloberfläche schnell schmilzt und heftig nach außen geschleudert wird. Die Reaktionskraft des Ausstoßes erzeugt eine Stoßwelle, die sich nach innen ausbreitet und einen enormen Druck erzeugt, der die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium im Zielpellet zur Verschmelzung bringt.

Diese Technologie wurde bereits in den 1960er Jahren vorgeschlagen. Die ehemalige Sowjetunion und die Vereinigten Staaten haben zahlreiche Experimente durchgeführt. Auch mein Land hat dieses Experiment im Jahr 2000 begonnen, doch bisher hat diese Technologie noch keine großen Durchbrüche erzielt und befindet sich noch immer in der Labortestphase.

Im Mai dieses Jahres wurde berichtet, dass ein britisches Unternehmen namens First Light Fusion einen anderen Ansatz verfolgte und Hochgeschwindigkeits-Ausstoßtechnologie verwendete, um die Kernfusion auszulösen. Konkret werden zwei große Super-Luftbeschleunigungskanonen verwendet, um den Brennstoff auf das 10- bis 20-Fache der Schallgeschwindigkeit zu beschleunigen und ihn auf kleine Stücke zu schießen, die im Deuteriumbrennstoffkern eingebettet sind, wodurch eine Kollaps-Schockwelle entsteht. Der Druck erreicht augenblicklich eine Milliarde Atmosphären, wodurch der Brennstoff mit einer Geschwindigkeit explodiert, die hoch genug ist, um eine Kernfusionsreaktion auszulösen.

Durch die hohe Temperatur der Kernfusion wird Wasser erhitzt und Dampf erzeugt, der wiederum die Turbine antreibt und den Generator in elektrische Energie umwandelt. So wird eine kontrollierte Stromerzeugung durch Kernfusion erreicht.

Die Entwicklung dieses Geräts wurde von der Meeres-Knallkrebsart inspiriert. Die Knallkrebse, auch Trommelkrebse genannt, sind etwa 5 cm lang und leben in den flachen Gewässern tropischer Ozeane. Diese Garnele verfügt über eine Waffe mit „schwarzer Technologie“. Beim Angriff auf seine Beute spritzt er augenblicklich einen Wasserstrahl mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 Kilometern pro Stunde aus und bildet dabei eine winzige Unterdruckblase. Von der Entstehung bis zum Platzen der Blase dauert es nur eine Milliardstel Sekunde. Bei der Explosion erreicht die Temperatur sofort 4.700 Grad. Für Beutetiere, die von der Druckwelle der Blase getroffen werden, ist es schwierig zu entkommen.

Daher erhielt das von First Light Fusio entwickelte Hochgeschwindigkeits-„Luftgewehr“ den Namen „Pistolengarnele“. Man sagt, dass diese „Pistolengarnelen“-Kernfusionsmethode dem Ideal der Stromerzeugung einen großen Schritt näher kommt und dass ihre Kosten wesentlich niedriger sind als die Verwendung teurer Hochenergie-Laseremitter. Das Unternehmen plant nun, mithilfe dieser Technologie im Jahr 2030 eine Pilotanlage zur Stromerzeugung zu eröffnen.

Dies kann man definitiv als einen Außenseiter bezeichnen, eine einzigartige Anstrengung in der Entwicklung der kontrollierten Kernfusion durch Trägheitseinschluss, eine echte Innovation und ein Überholmanöver auf dem Weg zur Kurve, und es genießt derzeit hohes Ansehen.

Die kontrollierte Kernfusionstechnologie von Zap Engineering ist immer noch eine magnetische Einschlusstechnologie/

Berichten zufolge hat das in Seattle ansässige Startup ein System namens Z-Pinch entwickelt, das einen völlig anderen Weg als das Tokamak-Gerät einschlägt. Dabei verzichtet man auf die große Zahl teurer Magnete, Magnetspulen, Abschirmmaterialien und die komplexen Netzwerke, die zu deren Schutz im Tokamak-Gerät erforderlich sind, und nutzt einfach das Magnetfeld des Plasmas selbst, um sich auf eine relativ kurze Säule zu beschränken.

Der Bericht verwendete eine anschauliche Metapher: das Plasma in eine Säule „nageln“ und es „festklemmen“. Plasma selbst ist geladen, sodass es theoretisch auch Magnetfelder und magnetische Fallen bilden kann. Im Bericht hieß es lediglich, dass diese Technologie „Scheraxialströmungstechnologie“ genannt werde, weitere technische Einzelheiten wurden jedoch nicht genannt. Wir müssen hier nicht näher darauf eingehen, das ist eine Angelegenheit für Profis.

Was wir jetzt wissen, ist, dass die Technologie erfolgreich war und bei 500 Kiloampere demonstriert wurde. Der technische Leiter von Zap Engineering sagte, das Gerät mit der Bezeichnung FuZE-Q sei die vierte Generation des Z-Pinch-Geräts und die nächste Generation werde für eine Stromstärke von 650 Kiloampere ausgelegt sein, um den Break-Even-Punkt oder Q=1 zu erreichen.

Das Team von Zap Energy hat derzeit 160 Millionen US-Dollar an Finanzierung der Serie C erhalten und hat ehrgeizig erklärt, dass der nächste Schritt darin bestehen wird, diese Kernfusionstechnologie so schnell wie möglich auf den Markt zu bringen. Sie stellen sich vor, dies durch die Massenproduktion von Reaktoren zu erreichen, die modular aufgebaut und klein genug wären, um in eine Garage zu passen.

Auf diese Weise können diese Module zur Stromversorgung abgelegener Gemeinden eingesetzt oder zu großen Aggregaten kombiniert werden, um ganze Städte mit Strom zu versorgen. Dieses Gerät erfordert keine teuren Materialien wie das klassische Tokamak-Gerät und die Trägheitseinschlussvorrichtung, daher sind die Kosten erheblich geringer und es ist einfacher, es in der Gesellschaft zu akzeptieren und populär zu machen.

Werden diese neuen Technologien, die aus der klassischen kontrollierten Kernfusionstechnologie hervorgegangen sind, den klassischen konventionellen Technologien verschiedener Länder schaden und diese beeinträchtigen? Das ist zum jetzigen Zeitpunkt schwer zu sagen. Aber ich denke, die Technologien dieser beiden Startups, First Light Fusio und Zap Engergy, sind wirklich schockierend und augenöffnend.

Während mächtige Weltklasse-Unternehmen und staatlich geförderte Spitzenforschungseinrichtungen seit Jahrzehnten in klassische Technologien eintauchen und diese Stück für Stück weiterentwickeln, haben diese kleinen Unternehmen einen einzigartigen und originellen Ansatz gewählt, um sich eine neue, eigene Welt zu erschließen, die nicht nur die Kosten stark reduziert, sondern auch die Erwartungen verkürzt hat. Dies scheint die wahre Art zu sein, in einer Kurve zu überholen und ohne Tricks zu gewinnen.

Natürlich muss noch ermittelt werden, wer der Gewinner des Huashan-Schwertwettbewerbs sein wird. ob es sich um ein Maultier oder ein Pferd handelt, muss immer noch zum Spazierengehen herausgezogen werden; Wer weltweit als Erster die Lampe zur kommerziellen Anwendung der kontrollierten Kernfusion anzünden kann, wird der König sein. Könnten wir es sein? Hoffentlich, aber wir müssen abwarten und sehen.

Das ist alles für heute. Willkommen zur Diskussion und danke fürs Lesen.

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