#19: Christopher Albert

Der folgende Text ist ein wörtliches Transkript der Podcastfolge.

Talk Science to Me – der Wissenschaftspodcast der TU Graz

News+Stories: Lieber Christopher, vielen Dank, dass du heute meine Fragen beantwortest. Fusion ist ein Thema, das immer wieder in den Schlagzeilen ist. Worum geht es da genau? Im Unterschied zur herkömmlichen Atomenergie, die wir momentan schon in der Stromerzeugung verwenden.

Christopher Albert: Fusionsenergie ist das Gegenteil von der Kernspaltung. Also es werden zwei leichte Atomkerne fusioniert. Und bei der Kernspaltung wird ein großer in zwei kleinere zerlegt. Es ist leider technisch schwieriger zu machen, als die Kernspaltung. Deswegen gibt es die Kernspaltung jetzt schon. Aber es hat viele Vorteile: Nämlich, dass man keinen langlebigen radioaktiven Abfall erzeugt und, dass es insgesamt sicherer und sauberer ist, als die Kernspaltung.

Du hast es jetzt schon erwähnt: Es sind leichtere Moleküle verwendet? Im Unterschied zu?

Albert: In der Kernspaltung wird Uran verwendet und in der Kernfusion wird Wasserstoff verwendet. Ähnlich wie in der Sonne. Es ist nicht ganz der gleiche Wasserstoff, es sind schwerere Isotope vom Wasserstoff, die man auch extra erzeugen muss. Also im Detail wird es dann kompliziert. Aber Wasserstoff an sich ist die beste Option momentan.

Warum ist das so viel schwerer?

Albert: Es ist schwerer, weil man ähnliche Bedingungen wie im Inneren der Sonne erzeugen muss. In Bezug auf die Temperatur und Dichte gleichzeitig. Also so viel Dichte schaffen wir nicht wie in der Sonne, aber wir schaffen es, dass wir auf die Temperatur kommen. Und wenn man es noch ein bisserl dichter bekommt das Plasma und es ein bisschen länge einfängt, dann ist man eigentlich schon bei den Bedingungen, für ein Kraftwerk momentan technisch.

„Dann ist man schon dort“ hast du jetzt gesagt. Also die Kraftwerke gibt es ja momentan nicht. Wo ist momentan der Stand der Dinge?

Albert: Sagen wir einmal so: Die Physik ist lange noch nicht vollständig verstanden, aber schon gut genug, dass man weiß mit hoher Wahrscheinlichkeit, dass wenn man es groß genug baut, dann funktioniert es. Und wir sind jetzt noch eine Generation vor den Fusionsreaktoren, die groß genug sind, um ein Kraftwerk zu ermöglichen. Was zusätzlich noch dazu kommt sind diese Technologien, die ich erwähnt habe. Dass nicht der normale Wasserstoff funktioniert, sondern man braucht Deutherium und Trizium. Das sind schwerer und superschwerer Wasserstoff. Da hängen noch Neutronen dabei zusätzlich. Und das Trizium muss man erst erzeugen aus einer Wand aus Litium. Und diese Technologie ist auch noch nicht erforscht. Nicht erforscht ist übertrieben, aber noch nicht technisch im großen Stil getestet und das sind die Aufgaben der nächsten 10 bis 20 Jahre – die nächsten Schritte und große Anlagen zu bauen.

Wo setzt du mit deiner Forschung an?

Albert: Ich bin theoretischer Plasmaphysiker. Wir beschäftigen uns grob gesagt mit Gleichgewicht und Stabilität von diesem Medium Plasma, das im Inneren von einem Fusionsreaktor besteht.

Du hast gesagt „Wir“. Wie viele Personen beschäftigen sich an der TU Graz mit diesem Thema?

Albert: An der TU Graz selbst hat es bis vor kurzem eine experimentelle Gruppe auch gegeben. Die sind aber jetzt alle in Pension. Jetzt sind es nur Theoretiker. Das sind jetzt angestellt ungefähr fünf, inklusive Doktoranden. Plus Bachelorstudierende, Masterstudierende. Also ungefähr 15 Leute, wenn man alle mitrechnet.

Wie schaut eure Forschung aus? Hab ihr Experimente auch? Du hast gesagt, ihr seid Theoretiker. Was macht ihr den ganzen Tag?

Albert: Die Theoretiker tun immer programmieren oder irgendwelche Kurven plotten oder ausrechnen, oder ihre Berechnungen an einen Supercomputer schicken, oder ihre Berechnungen auf Papier oder einer Tafel Formeln auswerten. Das ist ungefähr die Arbeit. Was wir natürlich auch machen und unbedingt notwendig ist: Mit dem Experiment vergleichen und auch dann dem Experimente Input geben von unseren Resultaten, was die anders machen könnten, damit das besser funktioniert. Und da arbeiten wir viel mit dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik zusammen in Gaching bei München und in Greifswald. Da gibt es zwei Standorte mit Großexperimenten.

Das heißt, an der TU Graz haben wir so etwas nicht momentan?

Albert: Genau. Wir reichen momentan gemeinsam mit einem Wiener Kollegen ein Proposal ein, damit wir vielleicht etwas Kleines bauen können. Da wissen wir hoffentlich so in einem halben Jahr, ob wir uns auch in diese Richtung entwickeln können.

Wie würdet ihr das kleine Experiment an der TU Graz bauen?

Albert: Unsere Idee ist, dass wir moderne Fertigungstechniken für Rapid Prototyping einsetzen. Also wirklich das Ding sobald es ein CAD-Design gibt, aus Metallpulver 3D-drucken, viele Teile. Und das hat den Vorteil, dass man sofort, wenn ein Ingenieursdesign fertig ist, das ausprobieren kann und nicht ewig warten muss, bis man das echte baut.

Wie lange dauert es, bis man so etwas ausgedruckt hat?

Albert: Wir haben jetzt über Nacht eine Spule gedruckt. Wenn man 50 Spulen hat. Dann eher Wochen und nicht Jahre.

Wie entwickelt ihr das Design?

Albert: Das Design, das ist auch unser Selling-Point, kommt nicht von uns, sondern von öffentlichen oder privaten Stellen, die einen Reaktor schon mit allen Magnetspulen und so entwickeln. Und die können uns die Pläne geben und wir können einzelne Features schon direkt im Kleinen testen.

Und die geben euch die Pläne?

Albert: Ja, die freuen sich.

Wie schaut denn dann so etwas aus, wenn man so ein kleines Experimente baut?

Albert: Wie ich schon gesagt habe. Für ein Kraftwerk muss man sogar noch größer werden, als die jetzigen Großexperimente. Wir werden sicher keine Fusion machen. Wir werden auch sicher keine Radioaktivität erzeugen. Wir werden nicht einmal Plasma haben im ersten Schritt. Worum es uns jetzt erstmals geht, sind die Teilchenbahnen von den Elektronen. Und Elektronen sind ja viel kleiner und leichter als Wasserstoff-Atome. Aber wenn man jetzt etwas Kleines baut, wo die Elektronen im Verhältnis wie die gleichen Eigenschaften haben im Kleinen, wie die Ionen und Atome im Großen, dann kann man damit interessante Dinge tun. Das ist unser erstes Ziel.

Was sind „interessante Dinge“?

Albert: Interessant ist für den Reaktor am Ende, dass die Helium-Kerne. Also, Wasserstoff fusioniert zu Helium. Und dann sind sehr schnelle Helium-Kerne da unterwegs. Und die sollen möglichst lange drinnen bleiben, damit sie das Plasma weiter heizen können, weil man diese hohe Temperatur braucht. Und wenn man jetzt was um den Faktor 100 kleiner baut zum Beispiel, dann kann man es schaffen, Elektronen die Eigenschaften zu geben, die Helium-Kerne im Großen haben von dem her, wie die Bahnen von der Form her sind und wo sie verloren gehen. Und dann kann man studieren, wie viele davon verloren gehen. Und auch die Rechnungen damit überprüfen. Und damit mehr Sicherheit gewinnen, dass das dann auch im großen funktioniert.

Was ist das Schlimme, wenn sie verloren gehen?

Albert: Sie heizen nicht. Wenn sie zu früh rausgehen und noch zu heiß sind, dann heizen sie nur die Wand. Sie müssen aber das Plasma heizen. Und sie dürfen erst raus, wenn sie abgekühlt sind.

Warum müssen sie das Plasma heizen?

Albert: Weil man eine so hohe Temperatur für die Fusion braucht.

Was ist denn eigentlich Plasma?

Albert: Plasma ist ein Zustand der Materie ähnlich Gas. Nur der Unterschied ist, dass die Atome ihre Elektronen verloren haben schon und die schwirren frei herum. Das heißt, man hat ein paar freie Elektronen und ein paar freie Ionen, positiv geladene, die einfach eine komplexe Wechselwirkung miteinander machen.

Und du beschäftigst dich einen großen Teil damit, wie dieses Plasma rotiert. Warum ist das wichtig?

Albert: Genau. Die Plasma-Rotation ist neben den Teilchenbahnen eines unserer Themen. Wenn man nämlich das Plasma nicht in Form von Einzelteilchen anschaut, sondern wie ein Gas oder eine Flüssigkeit, dann, das kennt man jetzt, gibt es Schallwellen, die sich ausbreiten. Und im Plasma gibt es noch viel mehr Wellenarten. Und es gibt auch Instabilitäten. Das heißt, dass das nicht nur eine Welle schwingt, sondern das wirklich in eine Richtung geht und dann abhaut. Und das muss man unbedingt vermeiden. Weil sonst ist das Plasma weg und dann muss man es neu starten. Und die Rotation stabilisiert einige von diesen Instabilitäten. Je mehr es rotiert, kann man sich vorstellen wie ein Kreisel, der auch nur steht, so lange er sich dreht.

Es geht sehr viel um Stabilität. Es geht sehr viel darum, die Temperatur zu halten, Dinge stabil zu halten. Von der herkömmlichen Atomkraft kennt man es eher, diese Dinge einzubremsen, weil sie sonst unkontrollierbar werden. Wie sind da die Dinge unterschiedlich? Weil du vorher auch schon erwähnt hast, dass die auch um ein Eck sicherer ist, die Fusions-Energie.

Albert: Die Sicherheit im Fusions-Krafwerk ist deshalb höher als in einem Kernspaltungs-Kraftwerk, weil je heißer man wird, ab einem bestimmten Punkt wird die Reaktion wieder unwahrscheinlicher. Das heißt, es gibt so einen Sweet Spot, wo es geht. Und wenn es überhitzt, dann wird es wieder weniger. In einem Kernspaltungs-Reaktor wird es immer mehr und es wird eine unkontrollierbare Kettenreaktion. Und je heißer es wird, desto schlimmer wird es. Und das haben wir in der Fusion nicht.

Und auch wenn etwas ausfällt, dann ist das kein Problem, oder?

Albert: Man hat auch sehr wenig Material drinnen. Man muss sich vorstellen, dass das ein Gas ist – Wasserstoff. Und, dass das vielleicht ein paar Kilo von dem Material sind. Und dann verpufft das. Wenn jetzt von anderen Systemen – Kühlung oder Magnetspulen, da sind ja große Magnetfelder – also es sind sehr viele Systeme, die schon kritisch sind und auch einen großen Schaden in der Anlage anrichten, wenn sie ausfallen, im schlimmsten Fall. Nur im schlimmsten Fall begrenzt sich das auf die Anlage. Das ist, wie wenn im Stahlwerk etwas umfällt. Und es wird nie dazu kommen, dass große Landstriche für längere Zeit verseucht sind, so wie bei der Kernspaltung es passieren kann leider.

Das heißt, dass das auch nicht mit dem radioaktiven Abfall nicht das große Problem, wie es bei herkömmlichen Atomkraftwerken der Fall ist?

Albert: Das sollte man auch differenziert sehen mit dem radioaktiven Abfall. Es wird schon radioaktiven Abfall geben bei der Kernfusion und es wird möglicherweise sogar volumsmäßig viel geben. Allerdings ist der schwach oder mittel radioaktiv und man muss ihn nur für 100 oder 200 Jahre wo lagern. Und was in eine Lagerhalle für 100 Jahre zu stellen ist technologisch machbar. Während bei der Kernspaltung hat man hochradioaktiven Abfall, den man für 100.000 Jahre sicher lagern muss. Und für 100.000 garantieren, dass etwas sicher gelagert ist, ist halt deutlich schwieriger.

Warum genau und wann hast du dich begonnen, für Kernfusion zu interessieren?

Albert: Also ich habe meine Masterarbeit gemacht in der Fahrzeugakustik und Bauakustik. Und das war sehr interessant. Und dann habe ich doch überlegt, ob ich nicht doch etwas noch Aufregenderes machen, wo genau meine Fähigkeiten als technischer Physiker braucht. Und wo man etwas bewirken kann. Etwas Großes. Und dann habe ich ein Buch gelesen, das heißt „Renewable Energy without the hot air“ und das ist sehr schön durchgerechnet, auch von einem Physiker, was die erneuerbaren Energien können und, was man noch dazu braucht. Und das eine Ding, was noch fehlt als Puzzlestück, bin ich zum Schluss gekommen, ist die Fusionsenergie.

Das heißt, du hast einen kompletten Themenwechsel gemacht nach deiner Masterarbeit?

Albert: Genau. Als Physiker ist man ja flexibel, da kann man etwas Neues probieren. Es ist immer noch Physik, aber so verschieden ist es gar nicht von der Akustik. Ich habe von den Wellen gesprochen, dass die auch ähnlich sind wie Schallwellen. Man kann sehr viel auch mitnehmen, wenn man sagt, man hat schon mal etwas anderes gemacht. Die Physik ist ja die gleiche, es sind nur andere Gleichungen, vielleicht komplizierterer. Aber, wenn man mal das Big Picture hat, wie die Physik überhaupt funktioniert, dann kommt man schnell in die Themengebiete rein. Aber es war auch deutlich schwieriger, als ich erwartet habe.

An welchen Punkten?

Albert: Die Komplexität. Ich glaube, die Kunst, wenn man theoretische Plasmaphysik macht oder andere theoretische Physik, ist eben, das große Bild nicht aus den Augen zu verlieren. Wenn man so viele Details sieht – so viele Symbole, Formeln und Rechnungen und Simulationen. Man muss trotzdem immer noch wissen, wie man das aufs Einfachste runter kocht. Und dann sieht man das Ganze.

Du bist auch Teil des neuen Research Centers Energetic. Was ist dein Plan? Wo soll deine Forschung weiter hingehen?

Albert: Das habe ich eh schon erwähnt, dass ich wirklich gern ein Experiment in Graz hätte. Das kann ich natürlich nicht betreiben, weil ich Theoretiker bin, aber dafür gibt es Kolleg*innen, die das machen würden. Ich glaube, dass die Sichtbarkeit von dem Thema für Studierende auch von den Ingenieurwissenschaften, für die Industrie, für die Politik noch deutlich besser werden kann. Als Theoretiker hat man ja nur bunte Bilder zum Herzeigen, aber nichts zum Angreifen. Und uns hilft das natürlich auch für die Theorie, weil wir gleich vor Ort etwas haben, wo wir unsere Rechnungen überprüfen können. Also, Kleinigkeiten, die im Kleinen gehen.

Ein Thema haben wir noch nicht angesprochen. Es gibt ja unterschiedliche Richtungen in der Fusionsenergie-Forschung. Könntest du mir darüber noch etwas erzählen?

Albert: Genau. Worüber ich jetzt gesprochen habe ist die magnetische Fusion. Also, magnetischer Plasmaeinschluss genau gesagt. Es gibt auch die Trägheitsfusion, wo man mit Lasern aus ganz vielen Richtungen auf kleine Pellets aus Wasserstoff oder Trizium strahlt. Und dann für sehr kurze Zeit nur die Bedingungen für die Fusion macht. Damit kennen wir uns nicht aus. Es ist auch ein Weg. Und da hat es im letzten Jahr einen großen Durchbruch gegeben. Das war dann in der Zeitung. Dass die zum ersten Mal mehr Energie raus bekommen haben, als sie genau auf diesem Pellet platziert haben. Das heißt noch lange nicht, dass sie weniger Strom gebraucht haben, als sie raus gekriegt haben. Aber es war ein großer wissenschaftlicher Erfolg, was uns für den magnetischen Einschluss natürlich auch hilft, weil das Thema wieder sichtbar wurde.

Was heißt magnetischer Einschluss?

Albert: Magnetischer Einschluss passiert darauf, dass geladene Teilchen im Plasma vom Magnetfeld gefangen werden können. Die fliegen kleine Kreise in den Magnetfeldlinien. Und wenn man die Magnetfeldlinien schließt, also eine Art Donut baut, wo die Magnetfeldlinien auf einer Torusförmigen Oberfläche liegen, dann kommen die nicht mehr aus. Dann sind sie wie kleine Ringe, die um die Feldlinien gebunden sind.

Wir haben schon über sehr viele Vorteile gesprochen, die es gibt, wenn man Fusionskraftwerke betreiben würde. Dass es noch ein weiter Weg hin ist, haben wir auch schon besprochen. Wie schätzt du die Zukunft ein? Von dem Punkt, an dem wir jetzt stehen, wie wahrscheinlich ist es, dass es wirklich einmal Kraftwerke gibt? Von welchem Zeitraum sprechen wir da? Und vor allem welche großen Schritte müssen da noch gemacht werden?

Albert: Das Stichwort ist 20 Jahre 20 Milliarden. Mit dem gehen grad alle in Deutschland in die Verhandlungen. Aber es geht nicht mehr nur um die öffentliche Hand. Das ist, was jetzt neu ist: Vor allem durch die Start-Up-Kultur der letzten Jahre hat es auch sehr viele private Initiativen gegeben. Und die werden auch immer mehr bei uns jetzt noch. In den USA ist momentan schon mehr privat finanzierte Entwicklung in der Fusionsenergie als öffentliche. Und es könnte auch sein, dass auch in Europa der Weg dorthin geht, dass mehr Private-Public-Relationships entstehen und schon auch Investoren sehen, dass auf einem langfristigen Horizont, kann man da schon sehr viel Geld verdienen. Und, wir brauchen es auch unbedingt. Wir brauchen Erneuerbare unbedingt und dazu noch Fusion. Das ist meine Meinung nach Studieren der Zahlen. Das Kraftwerk wird es mit großer Sicherheit geben, wenn der politische Wille und das Investment da ist. Wenn in 10 Jahren das Thema out ist, wenn alle abspringen, dann wird es das wieder später geben. Das ist ungefähr um 2000 passiert. Da hat es sehr große Erfolge gegeben und dann waren die Erfolge nicht mehr ganz so groß, wie die Leute es sich erhofft haben. Und dann war das Thema einmal uninteressant für eine Zeit lang. Jetzt ist es wieder interessant. Das hängt von vielen Faktoren ab, die nicht technisch und wissenschaftlich beeinflussbar sind.

Welchen Stellenwert glaubst du, dass das im Energiemix haben kann – du hast es ja schon erwähnt – neben den Erneuerbaren?

Albert: Standardmäßig sagt man immer, dass die Fusionskraftwerke die Rolle der Fossilen und der Kernkraftwerke übernehmen. Und das ist die Grundlast im Netz. Also bevor man nicht sehr viel Speichertechnologie installiert für die Erneuerbaren, wird man immer grundlastfähige Kraftwerke brauchen. Und die Frage ist, in welchem Zeithorizont. Wenn man sagt, dass man, bis wir so weit sind, schon Batteriespeicher hat für Solarenergie und Windenergie, etabliert, dann kommt die Fusion zu spät. Realistisch gesehen wird das auch lange dauern und die Fusion wird langsam übernehmen die fossilen Kraftwerke und die Kernkraftwerke, die noch übrig sind.

Wenn du alle finanziellen Möglichkeiten hättest in der Forschung – was würdest du gerne umsetzen wollen?

Albert: Das ist eine schwierige Frage. Was ich tun würde, was ich mit Kollegen besprochen habe ist, dass man mehr wie das Appollo-Programm vorgeht. Da sind nämlich viele Dinge parallel gemacht worden, die jetzt im Forschungsprogramm alle hintereinander kommen. Und natürlich ist man so vielleicht insgesamt leicht teurer, oder sogar billiger, weil länger brauchen kann auch heißen, dass es teurer wird. Also, dass man einfach mehr Dinge ausprobiert, die vielleicht schief gehen, aber das man sie schon jetzt beginnt auszuprobieren und nicht wartet, bis das nächstgrößere funktioniert. Sondern mehr Risiken, mehr gleichzeitig.

Vielen Dank für das Interview!

Danke!