Wenn eine kontrollierte Kernfusion nicht möglich ist, sind dann interstellare Reisen unmöglich? Eigentlich sind das zwei verschiedene Dinge.

Manche Menschen glauben, dass die Kernfusion ein Hindernis für die Weiterentwicklung der menschlichen Zivilisation darstellt. Wenn es gelingt, die kontrollierte Kernfusion zu entwickeln, wird die Menschheit interstellare Reisen unternehmen können und die Zivilisation wird auf eine höhere Ebene gehoben.

An dieser Aussage ist etwas Wahres dran, sie ist aber auch etwas fadenscheinig. Denn diese Aussage verwischt die Grenzen zwischen zwei unterschiedlichen Sachverhalten und vereint zwei Dinge zu einem. Genauer gesagt ist die kontrollierte Kernfusion eine Sache, die Reise der Menschheit in den Weltraum jedoch eine andere.

Die komparativen Vorteile der kontrollierten Kernfusion gegenüber herkömmlicher Energie Seit sich der Mensch von der Tierwelt abhob und zu einer intelligenten Spezies wurde, ging der Fortschritt der Zivilisation mit Veränderungen in der Art und Weise der Energienutzung einher. Im Laufe der Zeit hat die Menschheit verschiedene Phasen durchlaufen, beispielsweise die Nutzung von Brennholzenergie, die Nutzung fossiler Brennstoffe, die Nutzung von Elektrizität und die Nutzung der Kernenergie. Die menschliche Zivilisation hat sich außerdem vom Urzeitalter über das Agrarzeitalter, das Zeitalter der Maschinenindustrie und die Automatisierung bis hin zum Informationszeitalter entwickelt.

Und all diese eingesetzten Energiequellen sind nicht mit den Vorteilen der Kernfusion vergleichbar. Gemäß Einsteins Theorie der Masse-Energie-Gleichung stehen Masse und Energie der Materie in einem äquivalenten Verhältnis. Wenn die Masse vollständig in Energie umgewandelt werden kann, wird diese Energie extrem groß sein. Allerdings sind die Bedingungen für die Umwandlung von Masse in Energie sehr hart. Kernenergie ist die durch Umwandlung von Masse in Energie gewonnene Energie.

Der Ausdruck der Masse-Energie-Gleichung lautet: E=MC^2. Dabei steht E für die Energie, M für die Masse einer Substanz und C für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Berechnet man nach dieser Gleichung, kann jedes 1 kg (Kilogramm oder Kilogramm) Materie, das in Energie umgewandelt wird, 9*10^16 J (Joule) Energie erzeugen, was 25 Milliarden Kilowattstunden Strom entspricht. Wenn die aus der Verbrennung herkömmlicher Energiequellen gewonnene Energie nach der Masse-Energie-Gleichung umgerechnet wird: Brennholz etwa 1,2×10^7J/kg, Rohkohle etwa 2,1*10^7J/kg und Rohöl etwa 4,2*10^7J/kg, beträgt die Masse-Energie-Umwandlungsrate ungefähr: Brennholz 0,000000013 %, Rohkohle 0,000000023 %, Rohöl 0,000000047 %.

Die durch Kernspaltung erzielte Masse-Energie-Umwandlungsrate beträgt etwa 0,1 %, was etwa dem 7,7 Millionenfachen von Brennholz, dem 4,35 Millionenfachen von Rohkohle und dem 2,13 Millionenfachen von Öl entspricht. Die Masse-Energie-Umwandlungsrate der Kernfusion beträgt etwa 0,7 %, also das 7-fache der Kernspaltung. Der Wirkungsgrad, der mit demselben Kilogramm Rohstoff erzielt wird, ist siebenmal höher als bei der Kernspaltung. Daher beträgt die Masse-Energie-Umwandlungsrate das 53,9 Millionenfache von Brennholz, das 30,45 Millionenfache von Rohkohle und das 14,91 Millionenfache von Öl.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Rohstoffe für die Kernfusion auf der Erde für einen beträchtlichen Zeitraum unerschöpflich sind. Sein Hauptrohstoff ist Wasserstoff (hauptsächlich die Wasserstoffisotope Deuterium oder Tritium), und Wasser ist in der Natur eine Wasserstoffhydroxidverbindung. Solange Deuterium und Tritium im Wasser getrennt sind, kann es als Kernfusionsbrennstoff verwendet werden.

Es wurde berechnet, dass jeder Liter Meerwasser 0,03 Gramm Deuterium enthält. Die durch die Gewinnung und Nutzung als Kernfusionsbrennstoff zur Stromerzeugung gewonnene Energie entspricht 300 Litern Benzin. Die gesamten Wasserreserven der Welt betragen 136 Billionen Tonnen und die Deuteriumreserven sogar 40 Billionen Tonnen, was 120 Billionen Tonnen Ölreserven entspricht.

Nach Prognosen einiger Organisationen liegen die weltweiten Ölreserven noch bei rund 900 Milliarden Tonnen. Bei einer jährlichen Förderung von 5 Milliarden Tonnen können die Reserven noch für weitere 180 Jahre genutzt werden. Das Problem besteht jedoch darin, dass die Ölverschmutzung, vor allem der Kohlenstoffausstoß, immer schwerwiegendere Auswirkungen auf die Umwelt hat. Der Treibhauseffekt wird heute immer deutlicher. Wenn sich die Situation nicht ändert und umgekehrt wird, wird die Menschheit das Ende dieses Jahrhunderts möglicherweise nicht überleben.

Die im Wasser enthaltene Menge an Kernfusionsbrennstoff entspricht dem 44.000-fachen der weltweiten Ölreserven. Noch wichtiger ist, dass die Kernfusion einen weiteren Vorteil bietet: Im Vergleich zu chemischen Brennstoffen und Kernspaltung handelt es sich um eine völlig schadstofffreie, saubere Energie, die weder radioaktive Schadstoffe noch Treibhausgase wie Kohlendioxid erzeugt.

Daher ist die Erzielung einer kontrollierten Kernfusion derzeit die beste Option für die Entwicklung der menschlichen Zivilisation.

Der große Vorteil der Kernfusion in der Luft- und Raumfahrt besteht darin, dass durch kontrollierte Kernfusion mit nur einer kleinen Menge Brennstoff große Mengen Energie erzeugt werden können. Dies stellt einen großen Fortschritt in der Energienutzung der Menschheit dar. Wenn wir über eine ausgereifte Technologie zur kontrollierten Kernfusion verfügen, wird diese der Menschheit bei ihrer Reise in den Weltraum sicherlich von Nutzen sein, da sie als Energiequelle für künftige Weltraumreisen dienen wird.

Der für bemannte Raumfahrzeuge benötigte Treibstoff besteht heute noch hauptsächlich aus chemischen Treibstoffen und die für den Start erforderliche Menge ist sehr groß. So hatte beispielsweise die Saturn V im letzten Jahrhundert eine Startmasse von 3.040 Tonnen, während die Apollo-Raumsonde, die in die Erde-Mond-Transferbahn gebracht wurde, nur 45 Tonnen wog und die Nutzlast nur etwa 1,5 % der Startmasse betrug, während mehr als 2.700 Tonnen Treibstoff verbraucht wurden.

Die Trägerrakete „Langer Marsch 5 Yao 5“, die die Chang'e 5 meines Landes startete, hatte ein Startgewicht von etwa 870 Tonnen. Als Chang'e 5 in die Erde-Mond-Transferbahn eintrat, wog es nur etwa 8,2 Tonnen und die Nutzlast erreichte nur etwa 0,94 % der Startmasse. Selbst das modernste Musk Starship hat ein Startgewicht von etwa 5.000 Tonnen, wovon 3.400 Tonnen Raketentreibstoff sind. Ein voll beladenes Raumschiff mit 1.420 bis 1.470 Tonnen kann in die Erde-Mars-Umlaufbahn geschickt werden und seine Nutzlast beträgt etwa 28 % der Startmasse!

Dies ist bereits sehr beeindruckend, doch der Treibstoffverbrauch ist immer noch enorm und die tatsächliche Nutzlast des Raumschiffs zum Mars beträgt nur 100–150 Tonnen, der Treibstoff jedoch 1.200 Tonnen.

Wenn die Kernfusionsenergie genutzt wird, wird sich dieses Phänomen grundlegend ändern. Die Masse-Energie-Umwandlungsrate der Kernfusion kann 0,7 % erreichen, sodass 1 kg Kernfusionsbrennstoff 6,3*10^11 KJ Energie liefern kann; während die Energie, die bei der vollständigen Verbrennung von 1 kg konventionellem chemischen Raketentreibstoff wie N2H4 (auch bekannt als Hydrazin oder wasserfreies Hydrazin) (N2H4+O2=N2+2H2O) freigesetzt wird, lediglich 19.412,5 KJ beträgt und das Masse-Energie-Verhältnis nur ein 32,45 Millionstel des Verhältnisses bei der Kernfusion beträgt.

Wenn also für einen Raketenstart 5.000 Tonnen chemischer Brennstoff benötigt werden, sind nur 154 Gramm Kernfusionsbrennstoff nötig. Tatsächlich ist die Zahl jedoch noch viel niedriger, da Raketenstarts mit chemischem Treibstoff sehr viel Treibstoff benötigen und der Großteil des geladenen Treibstoffs gleichzeitig in den Weltraum geschickt und dabei verbrannt wird.

Bei der Verwendung von Kernfusionsbrennstoff muss lediglich die Nutzlast in den Weltraum geschickt werden, und es besteht keine Notwendigkeit, bei einem derartigen Teufelskreis des Brennstofftransports große Mengen Brennstoff zu verbrauchen. Allerdings könnte der Kernfusionsreaktor einen großen Teil der Masse des Raumfahrzeugs ausmachen. In jedem Fall dürfte die Masse der Rakete und des Raumfahrzeugs deutlich reduziert werden und für den Start wird weniger Treibstoff benötigt.

Auf diese Weise können Sie, solange Sie ein paar Kilogramm Kernfusionsbrennstoff mit sich führen, lange Zeit im Weltraum reisen.

Darüber hinaus ist der spezifische Impuls eines Kernfusionsmotors theoretisch viel größer als der eines chemischen Brennstoffs. Der spezifische Impuls von Raketen mit chemischen Treibstoffen liegt nur zwischen 250 und 450, der spezifische Impuls von Raketen mit Kernspaltung kann zwischen 800 und 1000 liegen und der spezifische Impuls von Raketen mit Kernfusion kann zwischen 2500 und 20000 liegen.

Es ist äußerst schwierig, eine kontrollierte Kernfusion zu erreichen. Tatsächlich hat die Menschheit bereits im letzten Jahrhundert die Energie der Kernfusion gewonnen, die durch die Explosion einer Wasserstoffbombe entsteht. Doch diese Energie ist nur vorübergehend und verschwindet blitzschnell. Es kann nur zu Kriegszwecken und zur Abschreckung eingesetzt werden und ist für das menschliche Leben nutzlos. Was die Menschheit braucht, ist eine Kernfusion, die langsam und über einen langen Zeitraum freigesetzt werden kann. Diese Art der Kernfusion wird als kontrollierte Kernfusion oder „künstliche kleine Sonne“ bezeichnet.

Der Grund, warum die kontrollierte Kernfusion als „künstliche kleine Sonne“ bezeichnet wird, liegt darin, dass die Sonne auf die kontinuierliche Kernfusion in ihrem Kern angewiesen ist, um enorme Energie freizusetzen. Kontrollierte Kernfusion ist der Prozess, bei dem die Kernfusion der Sonne auf der Erde nachgebildet wird.

Allerdings findet die Kernfusion in der Sonne unter einem Druck von 300 Milliarden Atmosphären und einer Temperatur von 15 Millionen K statt. Aufgrund der Schwerkraft, die durch die enorme Masse der Sonne entsteht, wird die Kernfusion im Kern gebunden und läuft weiter. Es ist unmöglich, auf der Erde einen Druck von 300 Milliarden Atmosphären zu erzeugen. Wie können wir eine kontrollierte Kernfusion erreichen? Die Studie ergab, dass dies nur durch eine Erhöhung der Temperatur erreicht werden kann. Um die Kernfusion anzuregen und stabil am Laufen zu halten, muss die Temperatur über 100 Millionen Grad Celsius erreichen.

Daher sind die Frage, wie man ein so hochgradiges Kernfusionsplasma einschließt und wie man Energie in nutzbare Energie umwandelt, zu schwierigen Problemen geworden, die die Wissenschaftler bewältigen müssen. Wissenschaftler ringen seit Jahrzehnten um eine Lösung, haben aber noch immer keine gefunden. Dies liegt daran, dass es auf der Erde kein Material gibt, das einer hohen Temperatur von 10.000 Grad standhalten kann, geschweige denn 100 Millionen Grad.

Wissenschaftliche Untersuchungen haben ergeben, dass es derzeit drei theoretische Möglichkeiten gibt, Hochtemperaturplasma einzuschließen, und zwar: Schwerkrafteinschluss, eine Form des Einschlusses wie bei der Sonne; magnetische Einschließung, d. h. die Schaffung eines magnetischen Schachts, um das Plasma im magnetischen Schacht einzuschließen und so zu verhindern, dass es auf Geräte trifft; Trägheitseinschluss: Dabei wird eine Energiequelle wie ein Laser- oder Partikelstrahl verwendet, um mit hoher Geschwindigkeit auf ein mit Kernfusionsmaterial (Deuterium oder Tritium) beladenes Miniatur-Kugelziel zu treffen, wodurch das Ziel einen enormen Innendruck erzeugt und die Kernfusion angeregt wird.

Da es unmöglich ist, auf der Erde Gravitationsbeschränkungen von Hunderten von Milliarden Atmosphären Druck zu erzeugen, können wir nur die letzten beiden Methoden anwenden. Das derzeit in verschiedenen Ländern am häufigsten verwendete Versuchsgerät ist das sogenannte Tokamak-Gerät, ein magnetisches Einschlussgerät, dessen Kernstück eine künstliche Magnetfalle ist. Mittlerweile ist es dem Experiment gelungen, in dieser Magnetfalle hohe Temperaturen von über 100 Millionen Grad zu kontrollieren, doch die Zeit dafür ist noch knapp.

Im Jahr 2021 stellte China einen Weltrekord auf, indem es einen Plasmabetrieb von 120 Millionen °C 101 Sekunden lang und einen Plasmabetrieb von 70 Millionen °C 1056 Sekunden lang aufrechterhielt.

Die Zündung und Aufrechterhaltung der Kernfusion selbst erfordert einen enormen Energieeinsatz. Wenn der Energieeinsatz größer ist als der Energieeinsatz, ist er wertlos. Der Schlüssel zum Problem liegt daher darin, die Ausgangsenergie deutlich höher zu machen als die Eingangsenergie. Erst am 9. Februar dieses Jahres verkündete das European Joint Torus Laboratory die gute Nachricht, dass durch das Zusammenpressen zweier Wasserstoffarten (Deuterium und Tritium) innerhalb von 5 Sekunden 59 Megajoule Energie erzeugt wurden.

Obwohl diese Energiemenge nur etwa 16 Grad Elektrizität entspricht und man damit nur ein paar Töpfe Wasser zum Kochen bringen kann, ist sie von großer Bedeutung, ebenso wie der Rekord, wie lange China hohe Temperaturen aufrechterhalten hat. Der Kernfusionsexperte Dr. Arthur Turrell kommentierte: „Dies ist ein erstaunliches Ergebnis und ein Meilenstein. Damit wurde die höchste Energieausbeute einer Kernfusionsreaktion in der Geschichte erreicht.“ Er glaubt, dass diese Zeitspanne zwar nicht lang ist, auf der nuklearen Zeitskala jedoch sehr lang. Mit diesem Durchbruch wird der Weg in die Zukunft viel einfacher.

Viele Experten gehen jedoch davon aus, dass es mindestens 30 bis 50 Jahre dauern wird, bis die kontrollierte Kernfusion kommerziell betrieben werden kann. Kernfusion ist nicht die einzige Möglichkeit, in den Weltraum vorzudringen

Der Kernfusionsmotor ist sicherlich eine der idealen Antriebsmöglichkeiten für Menschen, um in Zukunft aus dem Sonnensystem in den Weltraum zu fliegen, aber er ist weder die einzige noch die beste Option.

Neben der Kernenergie haben Wissenschaftler auch viele Energielösungen für die Raumfahrt in den Weltraum vorgeschlagen, beispielsweise die Lichtsegeltechnologie. Der berühmte Wissenschaftler Hawking startete zu Lebzeiten das Projekt „Breakthrough Starshot“, bei dem Lichtsegel mit Lasern beschossen wurden, um sie auf 20 % der Lichtgeschwindigkeit (60.000 Kilometer pro Sekunde) zu bringen. Anschließend wurde eine briefmarkengroße Sonde zu Proxima Centauri geschleppt und über 20 Jahre später Fotodaten von Proxima Centauri übertragen.

Allerdings ist diese Idee sehr schwierig und es gibt keine weiteren Neuigkeiten über die Fortschritte nach Hawkings Tod.

Es gibt auch die Idee, Sonnensegel einzusetzen, also den Lichtdruck der Sterne zu nutzen, um Raumfahrzeuge an weit entfernte Orte zu befördern. Obwohl der Lichtdruck sehr gering ist, muss kein Kraftstoff mitgeführt werden. Solange es Sterne gibt, kann es sich ewig vorwärts bewegen und es wird immer schneller, bis es schließlich eine sehr hohe Geschwindigkeit erreicht.

Das Plasmatriebwerk, das heute in der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet ist, basiert auf dem Prinzip, zunächst das gasförmige Arbeitsfluid zu ionisieren, die Partikel unter der Einwirkung eines starken elektrischen Felds zu beschleunigen und dann das Raumfahrzeug durch die Reaktionskraft anzutreiben. Der Leistungsschub dieser Methode ist sehr gering, aber der spezifische Impuls kann 1000 bis 30000 erreichen und die Effizienz ist extrem hoch.

Es gibt auch nukleare Impulsraketen, die kleine nukleare Explosionen als Antriebstechnologie nutzen. Ihr spezifischer Impuls kann 10.000 bis 1.000.000 erreichen und sie können mit Geschwindigkeiten von 10 bis 12 % der Lichtgeschwindigkeit fliegen.

Es gibt auch reaktive Motoren, die sich von herkömmlichen Motoren dadurch unterscheiden, dass sie Arbeitsflüssigkeiten (also Kraftstoff oder Elektrizität) benötigen, um Arbeit zu verrichten. Dieser Motortyp kann jede Form von Energie in mechanische Energie umwandeln. Dieser Motor befindet sich jedoch noch im theoretischen und experimentellen Stadium. Manche Leute glauben, dass es gegen das Gesetz der Impulserhaltung verstößt, und es gibt immer noch viele Kontroversen darüber.

Natürlich weist Antimaterie die höchste Energieeffizienz auf. Wenn Antimaterie und Materie kollidieren, vernichten sie sich gegenseitig. Durch den Vernichtungsprozess wird die gesamte Energie der Masse freigesetzt, was einer 100 % perfekten Umwandlung von Masse in Energie entspricht. Die Vernichtung von 1 kg Antimaterie und 1 kg Materie (jede Materie, die wir im täglichen Leben sehen) erzeugt insgesamt 2 kg Energie. Diese Energie beträgt 1,8*10^17J, was 50 Milliarden Kilowattstunden Strom entspricht, also dem 285,7-fachen der Energie der Kernfusion.

Bei Verwendung von Antimaterie als Treibstoff kann der spezifische Impuls 1 bis 10 Millionen erreichen.

Allerdings ist es äußerst schwierig, Antimaterie zu gewinnen und aufzubewahren, da sie sich beim Auftreffen auf Materie vernichtet. Selbst wenn man mit der heutigen menschlichen Technologie das gesamte Welteinkommen für die Produktion von Antimaterie verwenden würde, wäre man selbst dann nicht in der Lage, ein Mikrogramm (ein Tausendstel Gramm) zu produzieren, wenn man ein Jahr lang weder essen noch trinken würde. Daher sind die aktuellen Überlegungen, Antimaterie als Energiequelle für Reisen in den Weltraum zu nutzen, eher phantasievoll als ein Hirngespinst.

Theoretisch könnten Wurmlochüberquerungen und Reisen mit Warp-Geschwindigkeit in der Zukunft der Menschheit möglich sein. Beide Methoden der Weltraumreise können die Lichtgeschwindigkeit um ein Vielfaches überschreiten, ohne die Lichtgeschwindigkeitsgrenze zu überschreiten, erfordern jedoch enorme Energie oder sogar negative Energie. Wenn diese Technologien realisiert werden können, wird die menschliche Zivilisation eine neue Stufe erreichen.

Bislang ist die Kernfusion neben Antimaterie die Energienutzungsmethode mit der höchsten von Menschen entdeckten Umwandlungsrate von Masse in Energie. Allerdings beträgt die mit dieser Methode erreichte Masse-Energie-Umwandlungsrate lediglich 0,7 %. Zwischen der 100 % perfekten Umwandlung von Antimaterie und Antisemitismus besteht immer noch eine Lücke von 99,3 %. Wird es in Zukunft neue Konvertierungsmethoden geben, um diese Lücke zu schließen? Niemand weiß es.

Das Universum ist riesig und grenzenlos und die Naturgesetze, die die Menschen derzeit verstehen, sind noch immer spärlich und oberflächlich. Es müssen noch viele weitere tiefgreifende Gesetze darauf warten, von den Menschen entdeckt und verstanden zu werden. Für die Zukunft der Weltraumforschung wird es definitiv mehr und bessere Möglichkeiten geben.

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