Kernfusion: Materialien erhöhen Fusionsrate um das Trillionenfache

Der entscheidende Moment dauert nur einen winzigen Bruchteil einer Sekunde: Zwei Atomkerne kommen sich so nahe, dass sie verschmelzen. Normalerweise braucht es dafür enorme Hitze und Energie. Doch ausgerechnet Palladium und Titan könnten dafür sorgen, dass solche Reaktionen selbst bei sehr niedriger Energie nicht völlig abbrechen. Bestimmte Materialien für die Kernfusion wären dann weit mehr als eine bloße Hülle – sie würden aktiv mithelfen.

Für ihren Versuch füllten Forscher der University of California in Davis und des Berkeley Lab dünne Metallfolien mit Deuterium, einer schweren Form von Wasserstoff. Danach schossen sie weitere Deuteriumkerne auf das Metall. Eigentlich müsste die Zahl der Fusionen bei sinkender Energie rasch gegen null gehen. In den Folien blieb die Reaktion jedoch messbar – und lag bei den niedrigsten Energien weit über dem theoretisch erwarteten Wert.

Materialien für Kernfusion steigern Reaktion überraschend stark

Die größten Abweichungen traten bei Energien unter 2,5 Kiloelektronenvolt auf. In diesem Bereich sinkt die Wahrscheinlichkeit einer Fusion normalerweise extrem schnell. In den Versuchen fiel die gemessene Ausbeute jedoch nicht weiter ab. Stattdessen entstand ein Plateau mit einer kleinen, aber weiterhin messbaren Zahl von Reaktionen.

Bei den niedrigsten untersuchten Energien lag die Fusionsausbeute mehr als 10¹⁸-mal über dem theoretisch erwarteten Wert für ungeschirmte Atomkerne. Das entspricht dem Trillionenfachen. Der Vergleich bezieht sich allerdings auf einen Ausgangswert, der unter diesen Bedingungen nahezu null beträgt. Die Metalle steigerten daher keine bereits leistungsfähige Fusionsreaktion um diesen Faktor.

Fusionsrate bleibt unerwartet messbar

Die Wissenschaftler beobachteten das Plateau sowohl in Palladiumhydrid als auch in Titanhydrid. Dabei spielte offenbar auch die Art der Beladung eine Rolle. Das Deuterium gelangte mit zwei unterschiedlichen Verfahren in die Metallfolien. Je nach Methode veränderte sich anschließend die Zahl der registrierten Fusionsereignisse.

Damit rückt die innere Struktur des Materials stärker in den Blick. Elektronen, Kristallfehler und die Verteilung des Deuteriums könnten beeinflussen, wie leicht sich zwei positiv geladene Atomkerne annähern. Normalerweise stoßen sie sich gegenseitig ab. Erst bei sehr hohen Temperaturen oder Energien kommen sie einander nahe genug, um zu verschmelzen.

Elektronen könnten Atomkerne wirksam abschirmen

Eine mögliche Erklärung liefert die Elektronenabschirmung. Elektronen im Metall könnten einen Teil der elektrischen Abstoßung zwischen den Deuteriumkernen abschwächen. Dadurch würde sich die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass die Kerne die sogenannte Coulomb-Barriere überwinden oder quantenmechanisch durch sie hindurchtunneln.

Bewiesen ist dieser Mechanismus bislang nicht. Auch Fehlstellen im Metallgitter oder die genaue Zusammensetzung der Folien könnten beteiligt sein. Das Team will deshalb weitere Materialien untersuchen und die elektronischen Eigenschaften gezielt verändern.

„Es kommt darauf an, den Mechanismus besser zu verstehen, damit wir ihn verstärken können“, sagt Jeremy Munday von der University of California in Davis. „Wir haben gesehen, dass wir die Fusionsraten erhöhen können. Aber wo liegt die Grenze?“

Kleinere Neutronenquellen werden denkbar

Die Versuche liefern noch keinen Weg zu einem Fusionskraftwerk. Die Reaktionen erzeugten keinen relevanten Energieüberschuss. Außerdem benötigte der Aufbau weiterhin einen Ionenstrahl, der die Deuteriumkerne auf die Metallfolien schoss. Von einer selbstständig laufenden Fusion bei Raumtemperatur kann daher keine Rede sein.

Interessant ist der Ansatz vor allem für Neutronenquellen. Bei der Fusion entstehen Neutronen, die sich für medizinische Verfahren, Materialanalysen, Frachtkontrollen und die Planetenforschung nutzen lassen. Effizientere Materialien könnten solche Anlagen langfristig kompakter machen oder den nötigen Energieaufwand senken.

Metall wird vom Behälter zum Mitspieler

„Es gibt uns eine neue Stellschraube, die wir vorher nicht hatten“, erklärt Arun Persaud vom Berkeley Lab. Künftig könnten Forscher Materialien gezielt so gestalten, dass sie Fusionsreaktionen unter bestimmten Bedingungen begünstigen. Der Ansatz ähnelt in diesem Punkt einem Katalysator, der chemische Reaktionen beschleunigt.

Cameron Geddes vom Berkeley Lab fasst den Befund so zusammen: „Die Arbeit belegt eindeutig, dass die materielle Umgebung bei Fusion unter niedrigen Temperaturen aktiv beteiligt ist und nicht nur als passiver Behälter dient.“ Das Team will nun weitere Metalle testen und das unerwartete Plateau bei noch niedrigeren Energien genauer vermessen.

Kurz zusammengefasst:

Palladium und Titan hielten Deuterium-Fusionen selbst bei sehr niedriger Energie messbar, obwohl die Reaktionsrate theoretisch fast auf null sinken müsste.
Bei den niedrigsten Energien lag die Ausbeute bis zu eine Trillion Mal über dem theoretischen Wert für ungeschirmte Atomkerne.
Der Ansatz liefert noch keinen Fusionsreaktor, könnte aber langfristig kleinere und effizientere Neutronenquellen ermöglichen.

Übrigens: Während Metalle Fusionsreaktionen bei niedriger Energie begünstigen könnten, wächst in Frankreich der größte Fusionsreaktor der Welt weiter. Ein 400 Tonnen schweres Modul komplettiert nun die Kammer für über 100 Millionen Grad heißes Plasma – mehr dazu in unserem Artikel.