Den Mond abbauen

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts hätten nur wenige vorausgesagt, dass 2007 ein zweiter Wettlauf um den Mond beginnen würde. Doch die Anzeichen sprechen dafür, dass dies jetzt der Fall ist. Darüber hinaus konkurrieren beim heutigen Mondrennen im Gegensatz zu dem zwischen den Vereinigten Staaten und der UdSSR in den 1960er Jahren eine vollständige Liste der Weltmächte des 21. Jahrhunderts, darunter China und Indien.

Heiße Gase: Forscher des Fusion Technology Institute der University of Wisconsin-Madison testen diesen Fusionsreaktor, der mit Blick auf das Gitter gezeigt wird, in dem der interiale elektrostatische Einschluss stattfindet.

Noch überraschender ist, dass ein Grund für das große Interesse anscheinend in Plänen zu liegen scheint, Helium-3 – angeblich ein idealer Brennstoff für Fusionsreaktoren, aber auf der Erde fast nicht verfügbar – von der Mondoberfläche abzubauen. Die Vision der NASA für die Weltraumforschung sieht vor, dass US-Astronauten 2020 wieder auf dem Mond sein und dort bis 2024 dauerhaft eine Basis besetzen sollen. Während die US-Weltraumbehörde weder angekündigt noch dementiert hat, Helium-3 abzubauen, hat sie dennoch Befürworter von Abbau von He3 in einflussreichen Positionen. Russland seinerseits behauptet, dass das Ziel jedes eigenen Mondprogramms – für seinen Wert der Raketenkonzern Energie vor kurzem begann zu poltern, im sowjetischen Stil, dass es ein bauen wird permanente Mondbasis bis 2015-2020 – wird He3 extrahieren.



Auch die Chinesen glauben offenbar, dass Helium-3 vom Mond Fusionsanlagen auf der Erde ermöglichen kann. In diesem Herbst will die Volksrepublik einen Satelliten um den Mond kreisen und dort 2011 ein unbemanntes Fahrzeug landen.

Indien will auch nicht außen vor gelassen werden. (Siehe Indiens Weltraumambitionen steigen auf.) Im vergangenen Frühjahr hat sein Präsident A.P.J. Kalam und sein Premierminister Manmohan Singh hielten große Reden und behaupteten, dass die größte Demokratie der Welt neben dem Bau riesiger Sonnenkollektoren im Orbit und auf dem Mond auch beabsichtigt, He3 von der Mondoberfläche abzubauen. Indiens Untersuchung, Chandrayaan-1 , wird nächstes Jahr abheben und ISRO, die indische Weltraumforschungsorganisation, spricht über das Senden Chandrayaan-2 , einem Oberflächenrover, in den Jahren 2010 oder 2011. Gleichzeitig machen Japan und Deutschland auch Geräusche darüber, zu dieser Zeit ihre eigenen Mondmissionen zu starten und die Möglichkeit zu diskutieren, He3 abzubauen und es wieder in Kernreaktoren auf der Grundlage von Brennstofffusion zu bringen Erde.

Könnte He3 vom Mond wirklich eine praktikable Lösung für unseren Energiebedarf auf der Erde sein? Es wird heute davon ausgegangen, dass die praktische Kernfusion fünf Jahrzehnte entfernt liegt – dieselbe Vorhersage, die 1958 auf der Konferenz Atoms for Peace in Brüssel gemacht wurde. Wenn das Ankunftsdatum der Fusionsenergie seit 1958 konstant 50 Jahre entfernt liegt, warum sollte dann Helium-3 die Fusionsenergie plötzlich machbar machen?

Befürworter der He3-basierten Fusion weisen darauf hin, dass aktuelle Bestrebungen zur Entwicklung einer fusionsbasierten Stromerzeugung, wie z ITER Megaprojekt den Deuterium-Tritium-Brennstoffkreislauf nutzen, was problematisch ist. (Siehe Internationale Fusionsforschung .) Deuterium und Tritium sind beide Wasserstoffisotope, und wenn sie in einem überhitzten Plasma fusioniert werden, kommen zwei Kerne zusammen, um einen Heliumkern – bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen – und ein hochenergetisches Neutron zu bilden . Eine Deuterium-Tritium-Fusionsreaktion setzt 80 Prozent ihrer Energie in einem Strom hochenergetischer Neutronen frei, die für alles, was sie treffen, äußerst zerstörerisch sind, einschließlich des Sicherheitsbehälters eines Reaktors. Da Tritium hochradioaktiv ist, wird die Eindämmung zu einem großen Problem, da die Strukturen schwächer werden und ersetzt werden müssen. Alle Materialien, die in einem Deuterium-Tritium-Fusionskraftwerk verwendet werden, müssen daher ernsthafte Strafen ertragen. Und wenn das erreichbar ist, wird es bei der Stilllegung dieses Fusionsreaktors immer noch viel radioaktiven Abfall geben.

Befürworter von Helium-3 behaupten, dass es umgekehrt nicht radioaktiv wäre, was all diese Probleme vermeidet. Aber ein ernsthafter Kritiker hat vorgeworfen, dass eine He3-basierte Fusion in Wirklichkeit nicht einmal eine praktikable Option ist. In der August-Ausgabe von Physik Welt , hat der theoretische Physiker Frank Close aus Oxford in Großbritannien einen Artikel mit dem Titel Angst vor Fakten in dem er unter anderem einige Behauptungen der Helium-Aficionados zusammenfasst und diese Behauptungen dann als im Wesentlichen Phantasie abweist.

Close weist darauf hin, dass in einem Tokamak – einer Maschine, die ein donutförmiges Magnetfeld erzeugt, um die für die Fusion notwendigen überhitzten Plasmen einzuschließen – Deuterium mit Helium-3 bis zu 100-mal langsamer reagiert als mit Tritium. In einem Plasma, das in einem Tokamak enthalten ist, werden laut Close alle Kerne des Brennstoffs miteinander vermischt, so dass am wahrscheinlichsten zwei Deuteriumkerne schnell verschmelzen und einen Tritiumkern und ein Proton produzieren. Dieses Tritium wiederum wird wahrscheinlich mit Deuterium verschmelzen und schließlich ein Helium-4-Atom und ein Neutron ergeben. Kurz gesagt, sagt Close, wenn Helium-3 vom Mond abgebaut und zur Erde gebracht wird, wird das Endergebnis in einem Standard-Tokamak immer noch eine Deuterium-Tritium-Fusion sein.

Zweitens weist Close die Behauptung zurück, dass zwei Helium-3-Kerne realistischerweise miteinander verschmelzen könnten, um Deuterium, ein Alphateilchen und Energie zu erzeugen. Diese Reaktion läuft noch langsamer ab als die Deuterium-Tritium-Fusion, und der Brennstoff müsste auf unpraktisch hohe Temperaturen erhitzt werden – nach einigen Berechnungen sechsmal so heiß wie das Sonneninnere –, die für jeden Tokamak unerreichbar wären. Daher, schließt Close, ist die Mond-Helium-3-Geschichte meiner Meinung nach Mondschein.

Closes Einwand geht jedoch davon aus, dass in Tokamak-basierten Reaktoren eine Deuterium-Helium-3-Fusion und eine reine Helium-3-Fusion stattfinden würden. Es kann Alternativen geben: z. Gerald Kulcinski , Professor für Nukleartechnik an der University of Wisconsin-Madison, hat den einzigen Helium-3-Fusionsreaktor der Welt mit einem knapp sechsstelligen Jahresbudget unterhalten.

Der He3-basierte Fusionsreaktor von Kulcinski, der sich im Fusion Technology Institute der University of Wisconsin befindet, ist sehr klein. Beim Laufen enthält es ein kugelförmiges Plasma mit einem Durchmesser von etwa 10 Zentimetern, das eine anhaltende Fusion mit 200 Millionen Reaktionen pro Sekunde erzeugen kann. Um ein Milliwatt Leistung zu produzieren, verbraucht der Reaktor leider ein Kilowatt. Die Antwort von Close ist daher berechtigt genug: Wenn eine praktische Fusion mit einer nachgewiesenen Nettoleistung stattfindet, kann ich – und die Fusionsgemeinschaft der Welt – zur Kenntnis nehmen.

Diese Kritik gilt jedoch gleichermaßen für ITER und die auf Tokamak basierenden Reaktoranstrengungen, die ebenfalls noch nicht die Gewinnschwelle erreicht haben (der Punkt, an dem ein Fusionsreaktor so viel Energie produziert, wie er verbraucht). Das Bedeutsame am Reaktor in Wisconsin ist, dass wir, wie Kulcinski sagt, sowohl Deuterium-He3- als auch He3-He3-Reaktionen durchführen. Wir führen täglich Deuterium-He3-Fusionsreaktionen durch, daher sind wir mit dieser Reaktion sehr vertraut. Wir machen auch He3-He3, denn wenn wir das kontrollieren können, wird es ein immenses Potenzial haben.

Der Reaktor des Fusion Technology Institute verwendet eine Technologie namens Trägheitselektrostatischer Einschluss (IEC). Kulcinski erklärt: Wenn wir einen Tokamak verwenden würden, um Deuterium-Helium-3 zu machen, müsste er größer sein als das ITER-Gerät, das bereits die Grenzen der Glaubwürdigkeit überschreitet. Unsere IEC-Geräte hingegen haben Tischplattengröße, und während unserer Deuterium-He3-Läufe erhalten wir einige Neutronen, die durch eine Nebenreaktion mit Deuterium erzeugt werden. Trotzdem, fährt Kulcinski fort, habe das produzierte Tritium bei Nebenreaktionen, bei denen zwei Deuteriumkerne verschmelzen, um einen Tritiumkern und ein Proton zu erzeugen, ein so hohes Energieniveau als das Einschlusssystem, dass es sofort entweicht. Folglich beträgt die Radioaktivität in unserem Deuterium-He3-System nur 2 Prozent der Radioaktivität in einem Deuterium-Tritium-System.

Bedeutsamer ist die He3-He3-Fusionsreaktion, die Kulcinski und seine Assistenten mit ihrem IEC-basierten Reaktor erzeugen. In Kulcinskis Reaktor verschmelzen stattdessen zwei Helium-3-Kerne mit je zwei Protonen und einem Neutron zu einem Helium-4-Kern, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen, und zwei hochenergetischen Protonen.

He3-He3 ist keine leicht zu fördernde Reaktion, sagt Kulcinski. Aber die He3-He3-Fusion hat das größte Potenzial. Das liegt daran, dass Helium-3 im Gegensatz zu Tritium nicht radioaktiv ist, was erstens bedeutet, dass Kulcinskis Reaktor nicht den massiven Sicherheitsbehälter benötigt, der für die Deuterium-Tritium-Fusion erforderlich ist. Zweitens besitzen die dabei erzeugten Protonen – im Gegensatz zu den Neutronen, die durch Deuterium-Tritium-Reaktionen erzeugt werden – Ladungen und können durch elektrische und magnetische Felder eingedämmt werden, was wiederum zu einer direkten Stromerzeugung führt. Kulcinski sagt, dass einer seiner wissenschaftlichen Assistenten am Fusion Technology Institute an einem Festkörpergerät arbeitet, um die Protonen einzufangen und ihre Energie direkt in Elektrizität umzuwandeln.

Dennoch beweist der Reaktor von Kulcinski nur die theoretische Machbarkeit und die Vorteile der He3-He3-Fusion, wobei die kommerzielle Realisierbarkeit Jahrzehnte in der Zukunft liegt. Derzeit, sagt er, sagt uns das Energieministerium: „Wir werden die Fusion zum Laufen bringen. Aber Sie werden nie zum Mond zurückkehren, und nur so erhalten Sie riesige Mengen an Helium-3. Also vergiss es.“ Inzwischen sagen uns die NASA-Leute: „Wir können Helium-3 bekommen. Aber Fusion wird nie funktionieren.“ Also glaubt das DOE nicht, dass die NASA seine Arbeit machen kann, die NASA glaubt nicht, dass das DOE seine Arbeit machen kann, und wir versuchen dazwischen, die beiden dazu zu bringen, zusammenzuarbeiten. Im Moment kommt Kulcinskis Geld von zwei wohlhabenden Personen, die, sagt er, nur an der Forschung interessiert sind und keinen finanziellen Gewinn erwarten.

Insgesamt ist Helium-3 also nicht die niedrig hängende Frucht unter den potenziellen Brennstoffen, um praktische Fusionsenergie zu erzeugen, und für die wir den Mond erreichen müssen, um sie zu pflücken. Wenn jedoch reine He3-basierte Fusionsenergie realisierbar wäre, hätte dies immense Vorteile.

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