Die Kernfusion gilt als einer der großen Menschheitsträume: nahezu unerschöpfliche Energie, dazu deutlich sicherer als Kernspaltung. In der Sonne funktioniert dieses Prinzip seit Milliarden von Jahren. Auf der Erde jedoch, wo völlig andere Bedingungen herrschen, stoßen Forscherinnen und Forscher an die Grenzen des physikalisch und technisch Machbaren. Extreme Temperaturen, enorme Kräfte und Materialien, die dem dauerhaft standhalten müssen, bilden die gewaltigen Herausforderungen für diese Form der Energieerzeugung. Welche Rolle Wolfram dabei spielt, wie nah die Forschung der praktischen Umsetzung bereits ist und wo genau noch Hürden zu überwinden sind – eine Reise mit sechs Stationen. Der Ausgangspunkt: unsere Sonne.
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Im Innenleben der Sonne
Die Sonne ist ein gigantisches Kraftwerk, das genug Energie für ein ganzes Planetensystem erzeugt. Wie sie das macht, ist mittlerweile sehr genau erforscht. Im Inneren der Sonne ist gewaltig viel los, Wasserstoff fusioniert zu Helium. Das ist sehr ungewöhnlich, denn eigentlich haben die positiv geladenen Wasserstoffkerne eine abstoßende Wirkung aufeinander. Der enorme Druck, die Temperatur von 15 Millionen Kelvin und ein quantenmechanischer Effekt sorgen allerdings dafür, dass in mehreren Schritten aus zwei aufeinandertreffen den Wasserstoffkernen schließlich ein Heliumkern wird. Die Massensumme der entstehenden Heliumkerne ist etwas geringer als jene der Wasserstoffkerne, die entstehende Massendifferenz wird in Energie umgewandelt. Zu spüren ist diese auch noch rund 150 Millionen Kilometer entfernt, wenn die Menschen auf der Erde im Sonnenlicht sprichwörtlich Energie tanken.
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Die Sonnenmethode auf der Erde
Wäre es nicht möglich, die Methode aus dem Inneren der Sonne auf der Erde zu adaptieren? Bevor wir in diese Richtung weiterdenken, einen Schritt zurück: Ist es ein Risiko, neben der Kernspaltung, wie sie in Atomkraftwerken genutzt wird, eine zweite Form von Atomenergie anzuwenden? „Nein, diese Form wäre sicher“, sagt Dr. Arno Plankensteiner, Director of Corporate Research bei Plansee HLW, einem Unternehmensbereich der Plansee Group. „Denn bei der Kernfusion entstehen keine unkontrollierbaren Kettenreaktionen und höchstens mittelradioaktives Material mit einer sehr viel kürzeren Halbwertszeit, als es bei den hochradioaktiven Abfällen der Kernspaltung der Fall ist.“ Es wäre sicher, sagt Arno Plankensteiner. Im Konjunktiv. Denn was sich nach vielen Jahren Forschung zeigt: So genial die Idee ist, die Methode der Sonne auf die Erde zu bringen, so schwierig gestaltet sich die Umsetzung. „Die Physik ist bereit“, sagt der Experte von Plansee HLW. „Aber die Technologie gerät an ihre Grenzen.“
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In der Blitzkammer
Statt wie in der Sonne Wasserstoffatome zu fusionieren, bietet es sich auf der Erde eher an, wenige Gramm eines Gasgemisches aus den Elementen Deuterium und Tritium zu verschmelzen. Das Gasgemisch wird in ein riesiges, luftleeres Behältnis mit der Form eines Torus (vorstellbar als riesiger Donut oder Schwimmring) eingebracht. Dort wird das Gemisch auf bis zu 150 Millionen Grad Kelvin erhitzt. Bei dieser Temperatur trennen sich Elektronen und Atomkerne voneinander, es entsteht ein elektrisch leiten des Plasma – ein Aggregatzustand von Materie, den wir alle in Form von Gewitterblitzen kennen. Um die torusförmige Plasmakammer sind supraleitende Elektromagnete angeordnet, die ein sehr starkes Magnetfeld erzeugen. Sie sorgen dafür, dass das Plasma in der Kammer ein geschlossen wird und die Wände des Behältnisses nicht berührt. Das ist wichtig, denn schon bei einem kurzen Kontakt mit der Wand würde das Plasma unmittelbar aus kühlen – und der Prozess zusammenbrechen. Die Kernreaktion erfolgt, indem Deuterium und Tritium zu Helium verschmelzen. Dabei werden Neutronen freigesetzt, die eine enorme Bewegungsenergie besitzen. Diese wird im Außenmantel des Behältnisses in Wärme umgewandelt, die im nächsten Schritt mithilfe einer Turbine zu elektrischer Energie wird. Dieser Prozess ist hochkomplex und entsprechend anfällig für Störungen, der aktuelle Rekord beeindruckt jedoch: Im Februar 2025 gelang es, im französischen Forschungsreaktor WEST das Plasma etwas länger als 22 Minuten „brennen“ zu lassen, wie es in der Forschung heißt. In dieser Zeit entwickelt sich im Inneren des Behältnisses eine kaum vorstellbare Hitze. „Es ergeben sich gigantische Wärmeflüsse, wir reden hier von 20 Megawatt pro Quadratmeter“, sagt Arno Plankensteiner. Für die „erste Wand“ braucht es also ein Material, das in der Lage ist, diese Energie aufzunehmen und aus dem Behälter nach außen zu leiten, ohne Schaden zu nehmen. „Das ist das Designkriterium“, sagt Plankensteiner. „Dieser Werkstoff muss Belastungen aushalten, die es ansonsten in der Industrie nirgendwo gibt.“ Auch wichtig: Das Material selbst darf nicht giftig sein und muss auf der Erde häufig genug vorkommen; beides ist zum Beispiel bei Beryllium nicht der Fall. „Womit dieser vielversprechende Kandidat ausscheidet“, so Plankensteiner.
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Der Gewinner ist – Wolfram
Auftritt Wolfram, mit dem höchsten Schmelzpunkt aller Metalle: 3.422 Grad Celsius, dazu ausgestattet mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Abschirmwirkung gegenüber hochenergetischer Strahlung, was wichtig ist, weil das Material im Reaktor unter ständigem Neutronenbeschuss steht. Bereits seit den frühen Neunzigerjahren forscht Plansee HLW mit daran, Wolfram als Werkstoff für die „erste Wand“ zu nutzen, die im Grunde ein Hochleistungs-Wärmetauscher ist. Ein echtes Zukunftsgeschäft, nur: Wann wird diese Zukunft zur Gegenwart? Arno Plankensteiner bremst zu große Euphorie, wenn er sagt, bis zum ersten kommerziellen Fusionsreaktor könnten noch Jahrzehnte vergehen. Es gebe auch optimistischere Szenarien, „weil aber noch sehr viele Probleme zu lösen sind, die alle miteinander zu tun haben, ist es klug, realistische Erwartungen haben“.
"Die Physik ist bereit."- Arno Plankensteiner
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Ein Lanfristiges Ziel
Dennoch investiert die öffentliche Hand Milliarden beträge in die Kernfusion und steigen vermehrt auch private Unternehmen in die Forschung und Entwicklung sowie in den Bau von Fusionsreaktoren ein – ohne damit jetzt schon Gewinne zu erzielen. Dahinter steckt die Erkenntnis, dass die Energieversorgung eine der größten Herausforderungen der Zukunft sein wird und die Kernfusion eine mögliche Antwort darauf. Die deutsche Bundesregierung etwa hat im Oktober 2025 beschlossen, die Fusionsforschung stärker zu fördern. Mit dem Ziel, dass der erste kommerzielle Fusionsreaktor der Welt in Deutschland stehen soll. Wobei auch die Politik weiß: Fusion ist keine kurzfristige Lösung. „Auf dem Weg zum ersten Fusionskraftwerk sind noch erhebliche technologische Herausforderungen zu überwinden“, hat es die deutsche Regierung formuliert. Damit dies gelinge, brauche es eine gemeinsame Anstrengung von Industrie und Wissenschaft.
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Der „Beifang“
Es ist in der Forschung schon häufig vorgekommen, dass man auf dem Weg zum einen Ziel zu Erkenntnissen kommt, die auch an anderer Stelle von großem Wert sind. Man kann hier von „Beifang“ sprechen. So generierte auch Plansee HLW bei der Entwicklung der Wärmetauscher, die in der Lage sind, die Wärmeflüsse aus einer Kernfusion auszuhalten, wertvolles Wissen. Zum Beispiel, wie sich Werkstoffe unter Extrembedingungen verhalten. „Diese Erkenntnisse haben geholfen, einerseits Wärmetauscher-Komponenten zu entwickeln, die an der Oberfläche extrem hohe Temperaturen aushalten, andererseits Werkstoffeigenschaften zu ermitteln, wie es ohne die hohen Anforderungen aus der Kernfusion nicht möglich gewesen wäre. Zur Geltung kommen sie in Teilbereichen wie zum Beispiel der Medizintechnik“, sagt Plankensteiner. Neben Wolfram ist auch kohlefaserverstärkter Grafit ein Werkstoff, der im Fusionsreaktor in Frage kommt. Was man im Zuge der Forschung über seine Eigenschaften lernt, lässt sich überall dort nutzen, wo er bereits kommerziell im Einsatz ist, in Bremsscheiben von großen Flugzeugen zum Beispiel, oder im Raketentriebwerk der europäischen Trägerraketen Ariane. Wertvolle „Beifänge“ entstehen auch bei der Entwicklung der Technik, die außerhalb des Plasmagefäßes des Kernfusionsreaktors nötig sein wird. „Wir brauchen zum Beispiel Energietechnik, Anlagenbau und Messtechnik, um die Wärmeenergie der Kernfusion zunächst in Wasserdampf und dann in Strom umzuwandeln“, sagt Arno Plankensteiner. Neben großen Unternehmen und Forschungseinrichtungen engagieren sich hier vermehrt finanzstarke Start-ups, die ungewöhnliche Ideen und mutige Ansätze mitbringen. „Daraus resultieren Netzwerke, die wiederum neues Wissen entstehen lassen, über Messverfahren bei extremen Bedingungen, etwa mittels ausgefeilter Sensoren für die Analyse und Steuerung der komplexen Prozesse im Plasmagefäß“, so Plankensteiner.
Arno Plankensteiner ist Director of Corporate Research bei Plansee HLW in Reutte, Österreich, und seit Februar 1998 im Unternehmen. Er studierte Maschinenbau an der TU Wien und promovierte ebendort im Bereich numerische Ingenieursmethoden und Werkstoffmechanik.
