Versuchsanlage Wendelstein 7-X: Fusionsforscher bändigen in Greifswald die Sonnenkraft

Die Magnete sind kalt, das Reaktionsgefäß luftleer gepumpt, der stärkste Mikrowellenofen der Welt steht parat. Projektleiter Thomas Klinger startet den Countdown. Bei „zehn“ stimmen Mitarbeiter und geladene Forscherprominenz mit ein. Der Mikrowellenofen feuert in das große, reifenförmige Vakuumgefäß, und Sekunden später huscht über einen der Bildschirme ein kurzes Flackern. Klinger und seine Kollegen brechen in Jubel aus: Im vorpommerschen Greifswald hat das Fusionsexperiment Wendelstein sein erstes Plasma gezündet.

Plasma schwebt im Magnetkäfig

Die Szene, die sich am Donnerstag in der Versuchsanlage Wendelstein 7-X in Greifswald abspielte, bedeutet einen Durchbruch nach fast zwanzig Jahren Arbeit. So lange tüfteln Forscher bereits an dem haushohen Versuchsaufbau. Wendelstein dient der Erforschung der Kernfusion – einer möglichen Energiequelle der Zukunft. Wie im Inneren der Sonne soll Wasserstoff unter Temperaturen von vielen Millionen Grad Celsius zu Helium verschmelzen. Aus der freiwerdenden Energie ließe sich Strom gewinnen. Ein Fusionskraftwerk könnte mit einem Gramm Brennstoff so viel Energie erzeugen wie andere mit elf Tonnen Kohle.

An der kontrollierten Fusion versuchen sich die Physiker seit Jahrzehnten – mit mäßigem Erfolg. Bisher gelang es lediglich, für einige Sekunden einen schwachen Fusionsfunken erglimmen zu lassen. Wendelstein hat zwar ebenfalls kein Fusionsfeuer entfacht – dazu ist er zu klein. Aber: „Er soll beweisen, dass ein bestimmter Reaktortyp namens Stellarator das Zeug zum Kraftwerk hat“, sagt Thomas Klinger, Direktor am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP). Das Ziel ist es, mit einer besonderen Art von Magnetkäfig ein 100 Millionen Grad heißes Wasserstoffgas eine halbe Stunde lang in der Schwebe zu halten. Am Donnerstag gelang das bereits für Sekunden.

Wendelstein ist ein metallener, wülstiger Riesenreifen mit Aggregaten, Schläuchen und Röhren. Auf ein hohes Gerüst montiert, bildet er mit seinem Außendurchmesser von 16 Metern den weltweit größten Versuchsaufbau seiner Art. „Da sind mehr als eine Million Montagestunden hineingegangen“, sagt Klinger, „deutlich mehr als bei einem Containerfrachter.“ Um Plasma zu erzeugen, wird das metallene Reifeninnere luftleer gepumpt.

Die Forscher füllen etwas Gas hinein und aktivieren die Heizung – superstarke Mikrowellen. „Die haben die tausendfache Leistung einer Küchenmikrowelle“, sagt IPP-Physiker Volker Erckmann. „Würde man einen ganzen Ochsen damit braten, wäre er in einer Minute gar.“ Das Gas wird zu einem elektrisch geladenen Plasma aus Atomkernen und Elektronen. Rasch steigt die Temperatur auf bis zu 100 Millionen Grad.

Forschung kostet mehr als eine Milliarde Euro

Zum Wichtigsten der Anlage gehören die supraleitenden Hochleistungsmagneten, die das gesamte Vakuumgefäß umschließen. Sie sollen verhindern, dass das höllenheiße Plasma ausbüchst, indem sie es wie ein Magnetkäfig in der Schwebe halten – die Voraussetzung dafür, dass in einem späteren Reaktor die Wasserstoffkerne zu Helium verschmelzen und Energie freisetzen können.

Die Form des Magnetkäfigs ist das Besondere an Wendelstein. Im Gegensatz zu den meisten anderen Fusionsexperimenten vom Typ Tokamak hat er keine glatte, runde Form. „Stattdessen ähnelt er einem verdrehten Fahrradschlauch“, beschreibt Klinger. Um das Feld zu erzeugen, braucht es einen 700 Tonnen schweren Magnetring aus 70 übermannshohe Einzelspulen. Sie sind derart verbogen und verbeult, als wären sie beim Transport vom Laster gefallen.

Das verdrehte Magnetfeld soll das ultraheiße Plasma besonders effektiv einschließen. Dadurch wäre – so die Hoffnung – ein späterer Fusionsreaktor Marke Stellarator viel unkomplizierter zu regeln als ein Kraftwerk vom Typ Tokamak, wie es etwa russische Physiker entwickelten. Aber: „Der Nachteil ist, dass die Magnetspulen deutlich schwieriger zu fertigen sind“, sagt Klinger.

Das bekamen die Wendelstein-Macher schmerzlich zu spüren. Bereits 1996 war das Projekt genehmigt worden, sollte aber nicht im IPP-Mutterinstitut in Garching bei München entstehen, sondern als Strukturhilfe Ost im vorpommerschen Greifswald, in einem neuen Teilinstitut mit rund 400 Mitarbeitern. 350 Millionen Mark waren veranschlagt, 2005 sollte Wendelstein loslegen – viel zu optimistisch, wie sich bald zeigte. Manche Magnetspulen erwiesen sich als unbrauchbar und mussten aufwendig repariert werden. Die Folge: Die Zeitpläne waren nicht zu halten, die Kosten kletterten auf eine Milliarde Euro.

Noch lange bis zur Kernfusion

Doch auch die Tokamak-Konkurrenz hat Probleme. Im südfranzösischen Cadarache entsteht derzeit mit Iter der größte Fusionsreaktor der Welt. Er soll mehr Energie erzeugen als man hineinsteckt – die Nagelprobe für die Fusion. Doch das ebenfalls internationale Megaprojekt stockt. Technische Probleme und Management-Defizite ließen die Kosten von 5 auf möglicherweise mehr als 15 Milliarden Euro explodieren. Die ersten Kerne werden nun vielleicht erst 2029 verschmelzen.

Doch an Iter dürfte auch die Zukunft des Stellarators hängen. Scheitert das Megaprojekt in der Provence, könnte dies das vorläufige Aus der Fusionsforschung bedeuten. Nur wenn Iter überzeugende Ergebnisse liefert, wird man auch den Stellarator weiterverfolgen – vorausgesetzt, Wendelstein wird zum Erfolg. Doch das wird dauern. Ihr Ziel, das heiße Plasma eine halbe Stunde lang in Schach zu halten, werden die Experten erst im kommenden Jahrzehnt nach mehreren Ausbaustufen anvisieren können. Ein kommerzieller Reaktor dürfte, wenn überhaupt, erst in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts laufen.

Trotz der Probleme glaubt man in Greifswald weiterhin an die Sache. Ein Fusionskraftwerk würde kein Kohlendioxid ausstoßen, wäre also klimaneutral. „Man braucht auch nur wenig Brennstoff, und der ist überreichlich vorhanden“, sagt Klinger. Das nötige Deuterium lässt sich aus Wasser filtern, der zweite Brennstoff Tritium mit Hilfe von Lithium gewinnen. Den Berechnungen zufolge sollten das Wasser aus einer halben Badewanne und das Lithium aus einem alten Laptop-Akku reichen, um 30 Bundesbürger ein Jahr lang mit Strom zu versorgen.

Wegen der aufwändigen Technik dürfte der Fusionsstrom allerdings kaum billiger sein als Wind- und Solarstrom, vermutlich sogar teurer. „Trotzdem halte ich es für klug, die erneuerbaren Energien mit großen Rückgrat-Kraftwerken zu kombinieren, die bei Flaute den Strom liefern können“, meint Klinger. „Insofern könnten Fusionsreaktoren eines Tages eine wichtige Ergänzung zu den erneuerbaren Energien sein.“