Das Verhalten von Wasserstoff besser vorhersagen

Im kalifornischen Livermore steht ein gigantisches Gebäude - die National Ignition Facility (NIF). Hier führen Forschende Experimente durch, die irgendwann einmal das Ende der irdischen Energiesorgen einläuten könnten.

Sie versuchen, einen Prozess "nachzubauen", der in der Sonne rund um die Uhr stattfindet: die Verschmelzung von Wasserstoff- zu Heliumkernen. Denn diese Fusionsreaktion setzt enorme Energiemengen frei und das nahezu ohne radioaktiven Abfall. In den letzten Jahren wurden auf diesem Gebiet deutliche Fortschritte erzielt, vor allem in den USA. Dennoch befindet sich die Technologie noch in den Kinderschuhen.

Das liegt auch daran, dass Fusions-Experimente extrem aufwändig sind. Denn Wasserstoff-Kerne stoßen sich gegenseitig ab, ähnlich wie die gleichartigen Pole äußerst starker Magneten. Damit sie verschmelzen, müssen sie einander aber sehr nahekommen.

Anders als bei dem alternativen Verfahren - der Magnetfusion, das derzeit am internationalen ITER-Experiment (International Thermonuclear Experimental Reactor) in Frankreich entwickelt wird - setzt man am Lawrence Livermore National Laboratory dazu gigantische Laser ein. Sie treiben gefrorene (und damit nahezu bewegungslose) Wasserstoff-Moleküle aufeinander zu.

Kernfusions-Experimente für effizientere Prozesse optimieren

"Dennoch klappt es nicht immer, sie zur Fusion zu bringen", erklärt Prof. Dr. Michael Bonitz vom Institut für Theoretische Physik und Astrophysik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). "Es gibt sehr viele Parameter, die sich noch optimieren lassen, um den Prozess effizienter zu machen - angefangen von der genauen Energie und Wirkungsdauer der Laser bis hin zur Form, die die gefrorenen Wasserstoff-Pellets haben sollten."

Das Problem dabei: Experimentell lässt sich nur sehr begrenzt austesten, welche Parameter-Kombination am besten funktioniert. Viel einfacher wäre es, das am Computer per Simulation zu erledigen. Das wird bereits seit längerem versucht, ist jedoch längst nicht so simpel, wie es klingt. Zwar ist Wasserstoff nicht nur das mit Abstand häufigste Element, sondern auch das mit dem einfachsten Aufbau: Es besteht lediglich aus einem Elektron, einem Proton und - wenn man wie in den meisten Fusions-Experimenten Wasserstoff-Isotope nutzt - dazu noch einem oder zwei Neutronen. "Dennoch lässt sich selbst mit den schnellsten Supercomputern nicht exakt berechnen, wie sich viele Wasserstoff-Atome zusammen unter starker Kompression verhalten werden", betont Bonitz.

Modelle so verschachteln, dass sie voneinander profitieren

Es gibt heute eine große Menge verschiedener Modelle, mit denen sich die Eigenschaften von Wasserstoff simulieren lassen. Einige von ihnen sind absolut exakt - das heißt, sie liefern genau dieselben Ergebnisse, die man auch in einem perfekten Experiment erhalten würde. "Dazu zählt etwa eine Simulation namens Pfadintegral-Monte Carlo (PIMC), die wir in Kiel seit längerer Zeit entwickeln", sagt der Physiker. Doch PIMC hat einige Nachteile; so können selbst die schnellsten Computer die Gleichungen maximal für wenige hundert Wasserstoff-Atome und nur für einen begrenzten Bereich von Dichte und Temperatur lösen, sonst werden die Berechnungen zu komplex.

Andere Verfahren, wie etwa die Dichtefunktionaltheorie, kommen mit größeren Teilchenmengen und einem größeren Parameterbereich zurecht, liefern aber keine genauen Ergebnisse, sondern nur Näherungen. Wie präzise diese ausfallen, hängt von bestimmten Vorannahmen ab, mit denen die Wissenschaftler das Modell "füttern".

"Wir haben nun einen Vorschlag erarbeitet, nach dem man verschiedene Modelle miteinander verschachteln könnte, um so zu deutlich besseren Ergebnissen zu gelangen", erläutert Bonitz. Vereinfacht gesagt, liefern kleinskalige, aber präzise Verfahren dabei Werte, die als Vorannahmen in die großskaligeren, aber weniger präzisen Simulationen einfließen.

Vorschlag für deutlich leistungsfähigere Simulationen

"An unserem Paper waren führende Simulationsforscher aus den USA, Großbritannien, Frankreich, Italien und Deutschland beteiligt", sagt der Kieler Wissenschaftler. "Wir zeigen darin systematisch die Stärken und Schwächen der heute verfügbaren Verfahren auf, erläutern, welche Berührungspunkte sie haben und wie sie daher voneinander profitieren können."

Die Publikation könnte zur Entwicklung deutlich leistungsfähigerer Modelle führen. Damit könnten sich komplexe, zeitaufwändige und teure Experimente ein Stück weit ersetzen lassen. Oder zumindest hinsichtlich bestimmter Rahmenbedingungen so optimieren, dass nur noch besonders vielversprechende Parameter-Kombinationen experimentell getestet werden müssen. Das könnte nicht nur die Kernfusionsforschung schneller voranbringen, sondern auch die Simulation komplexerer dichter Materie, was z.B. für die Erforschung des Aufbaus von Sternen und Planeten wichtig ist.

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Quelle: Universität Kiel