Es ist ein alter Traum der Menschheit, das Feuer, das in der Sonne brennt, auf die Erde zu holen. Im Inneren unseres Zentralsterns verschmelzen seit gut vier Milliarden Jahren bei rund 15 Millionen Grad Celsius Wasserstoffkerne zu Heliumkernen. Mit nur einem Gramm dieses Plasma genannten Brennstoffs lässt sich so viel Energie erzeugen wie mit elf Tonnen Kohle – klimaschonend und ohne ewig strahlenden Atommüll oder die Gefahr eines GAUs. Im Jahr 1954 gelang es erstmals, die mächtige Fusionsreaktion auf der Erde nachzuahmen; damals allerdings in Form einer gewaltigen Bombe von nie da gewesener Zerstörungskraft. Will man Fusionsenergie dagegen zu friedlichen Zwecken nutzen, darf man sie nicht entfesseln, sondern muss sie zähmen. Und das ist in den vergangenen 70 Jahren nicht gelungen. Doch der Traum von der Kernfusion als Energiequelle der Zukunft ist noch lange nicht vorbei. Im Gegenteil: Er nimmt gerade erst so richtig Fahrt auf.

Vereinzelte Erfolgsmeldungen in den zurückliegenden Jahren haben die Branche auf zuvor nicht da gewesene Weise euphorisiert. »Die Fusion ist eine Riesenchance«, schreibt ein Sprecher des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) auf Anfrage von »Spektrum«. »Wenn es gelingt, Fusionskraftwerke zu realisieren, wäre das ein enormer Durchbruch für eine klimaneutrale Energieversorgung.«

Nicht nur in Deutschland ist die Hoffnung groß. Die Summe privater Investitionen hat sich seit 2021 laut einem Bericht der Fusion Industry Association (FIA) weltweit mehr als verdreifacht: von 1,8 Milliarden US-Dollar auf 6,7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024. Die Anzahl der Start-ups hat sich in diesem Zeitraum von 23 auf 45 fast verdoppelt. Auch die Regierungen lassen sich nicht lumpen. China machte zuletzt rund 1,5 Milliarden US-Dollar pro Jahr für die Fusionsforschung locker, und die deutsche Wissenschaftsministerin Bettina Stark-Watzinger kündigte im September 2023 an, den Etat auf eine Milliarde Euro bis 2028 zu erhöhen.

Woher stammt dieser plötzliche Sinneswandel? Hat es gravierende technische Durchbrüche gegeben? Oder markiert eher die Summe aus vielen kleinen Verbesserungen, neuen Materialien und zunehmender Erfahrung den Wendepunkt, ab dem ein Betrieb von Fusionskraftwerken wirtschaftlich sinnvoll wird?

Schneller sein als ITER

Die britische Fusionsexpertin Melanie Windridge hält es für möglich, dass die Verzögerungen beim Bau des internationalen Fusionsreaktors ITER in Cadarache in Frankreich einen großen Teil der Motivation von Investoren und Start-ups ausmachen. »Die wollen einfach schneller sein«, sagt sie. Die Chancen dafür stehen nicht schlecht. So sollte das erste Plasma im ITER ursprünglich 2018 zünden, mittlerweile ist 2035 angedacht, und die Kosten sprengen inzwischen jeden vorab gesteckten Rahmen.

Noch vor seinem Start also scheint der ITER bereits zu einer Art Technikmuseum zu verkommen. Die Baupläne spiegeln den Forschungsstand von vor 30 Jahren wider. Es liegt daher nahe, auf der Basis der heutigen technischen Möglichkeiten und wissenschaftlichen Erkenntnisse einen besseren Reaktor zu entwerfen – so wie es beispielsweise die 2018 gegründete US-amerikanische Firma Commonwealth Fusion, ein Spin-off des Massachusetts Institute of Technology (MIT), getan hat. Ihr Reaktor hat zwar einen ähnlichen Aufbau wie der ITER, allerdings mit einem entscheidenden Unterschied: Die Magnetfelder für den Plasmaeinschluss sollen mit Hochtemperatursupraleitern erzeugt werden. Das ganze Kraftwerk kann damit wesentlich kompakter und billiger gebaut werden.

Als der ITER geplant wurde, gab es noch keine Möglichkeit, die kurz zuvor entdeckten keramischen Hochtemperatursupraleiter als Drähte auf Spulen zu wickeln – das hat sich in der Zwischenzeit geändert. Commonwealth Fusion baut aktuell den Demonstrationsreaktor SPARC, der bereits mehr Energie erzeugen soll, als in das Plasma eingespeist wird. Die nächste Reaktorgeneration soll dann 400 Megawatt Strom in die Stromnetze liefern. Am Geld wird es nicht scheitern: Commonwealth Fusion hat rund zwei Milliarden US-Dollar von privaten und staatlichen Investoren für den Bau des Reaktors eingeworben. Der ehrgeizige Zeitplan ist allerdings etwas nach hinten verrutscht: SPARC ist jetzt für 2026 vorgesehen, ursprünglich war 2025 geplant. Verglichen mit ITER ist das aber kaum der Rede wert, sofern es dabei bleibt.

Natürlich sollte man die bisher in Start-ups investierten Summen von fast sieben Milliarden US-Dollar nicht überschätzen. Zum Vergleich: Der ITER wird absehbar allein mehr als 20 Milliarden US-Dollar verschlingen. Und in Firmen, die sich mit generativer KI befassen, flossen im Jahr 2023 mehr als 25 Milliarden US-Dollar an privaten Investitionen.

»Es gibt derzeit eine nie da gewesene Dynamik auf unserem Gebiet«Sibylle Günter, Physikerin

Seit einigen Jahren setzen nicht mehr nur Personen aus der Techszene wie Microsoft-Gründer Bill Gates oder Sam Altman, der CEO von OpenAI, auf den Erfolg der Kernfusion, sondern auch Banken und Großfirmen. Sibylle Günter, wissenschaftliche Direktorin des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP), sieht dafür durchaus konkrete Gründe: »In den vergangenen Jahren hat es eine Reihe großer Erfolge in der Fusionsforschung gegeben, darunter den Energierekord am JET, das Acht-Minuten-Plasma an Wendelstein 7-X und die Zündung eines Pellets am NIF. Zusammen mit den Möglichkeiten, die uns heutige Supercomputer bieten, gibt es deshalb eine nie da gewesene Dynamik auf unserem Gebiet.«

Die hinter den Erfolgen liegenden Technologien sind jedoch höchst unterschiedlich.

Konkurrierende Bauprinzipien

JET, ITER und SPARC verwenden ein Bauprinzip namens Tokamak. Die Brennkammer ist wie ein Donut geformt. Darin wird ein geschlossener Plasmaring erzeugt, der mit starken Magnetfeldern von der Wand ferngehalten wird. Die Geometrie der Magnetfelder ist relativ einfach, und ein im Plasma induzierter Strom hilft beim Einschluss des mehr als 100 Millionen Grad heißen Plasmas. Im europäischen Versuchsreaktor JET (Joint European Torus) im britischen Culham gelang es im Oktober 2023 aus 0,2 Milligramm Brennstoff 69 Megajoule Energie zu erzeugen – und damit die bisher größte Energiemenge, die je ein Versuchsreaktor erzielt hat. Vom Prinzip her ist ein Dauerbetrieb aber nicht möglich. Im ITER, dem Nachfolger des JET, muss das Magnetfeld nach höchstens 400 Sekunden abgeschaltet und anschließend neu aufgebaut werden. Von den 45 Start-ups im aktuellen FIA-Bericht planen sechs, einen Reaktor vom Typ Tokamak zu bauen.

Acht haben sich für ein konkurrierendes Prinzip entschieden, den Stellarator. Der Versuchsreaktor Wendelstein 7-X in Greifswald, den das IPP betreibt, ist das bekannteste Beispiel dafür. Bei diesem Bauprinzip lässt sich das Plasma unbegrenzt lange einschließen, dafür ist es sehr viel komplizierter, die dafür optimale Form der Magnete zu berechnen. Im Februar 2023 erreichten die Wissenschaftler mit dem Wendelstein 7-X acht Minuten Einschlusszeit, in den nächsten Jahren sollen 30 Minuten möglich werden.

Alle Start-ups, die sich für Tokamaks oder Stellaratoren entschieden haben, planen Hochtemperatursupraleiter einzusetzen, um das heiße Plasma zu kontrollieren. Der Grund: Damit lassen sich extrem starke Magnetfelder auf relativ kleinem Raum erzeugen. Allerdings ist die maximal mögliche Magnetfeldstärke temperaturabhängig, so dass sich der volle Vorteil nur einstellt, wenn man flüssiges Helium bei rund vier Kelvin (-269 Grad Celsius) zur Kühlung benutzt. Alle diese Systeme werden Deuterium und Tritium als Brennstoff verwenden (siehe »Was passiert bei der Kernfusion?«).

Der Eindruck, den man in vielen Gesprächen mit Fachleuten gewinnt, lässt sich etwa so zusammenfassen: Alle Puzzleteile für Fusionskraftwerke liegen auf dem Tisch. Wir müssen sie jetzt nur noch sorgfältig und klug zusammenfügen.

Das BMBF sieht Deutschland dafür in einer erstklassigen Ausgangssituation. Seit 2019 haben sich hier gleich vier Start-ups gegründet. Zwei davon, Proxima Fusion und Gauss Fusion, möchten an die Erfahrungen mit dem Wendelstein 7-X anknüpfen und einen Stellarator bauen. Proxima Fusion entstand 2023 aus dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik. Das Unternehmen plant, einen so genannten QI-Stellarator zu bauen, der schon 2031 in Betrieb gehen soll. QI steht für »quasiisodynamisch« und beschreibt eine neuartige Bauform, in der bestimmte lästige Plasmastörungen nicht auftreten können. Der Geschäftsführer von Proxima Fusion, Francesco Sciortino, beschreibt die neue Konstruktion im Gespräch mit »Spektrum« als »mehrere Generationen weiter als der Wendelstein 7-X«. Noch vor Ende der 2030er Jahre soll der erste kommerzielle Reaktor Strom ins Netz einspeisen.

Während Proxima Fusion um ein Konzept herum entstand, ist das Start-up Gauss Fusion im Jahr 2022 von mehreren europäischen Unternehmen gemeinsam gegründet worden, um »die Industrialisierung der Fusionsenergie zu beschleunigen«. Anders ausgedrückt: Der Bau soll schnell gehen und nicht zu teuer werden – und genau darin sehen die beteiligten Firmen ihre Stärke. Im Jahr 2024 entschied sich die Firma für einen QI-Stellarator als beste Option. Bis 2045 soll er gebaut werden.

Beide Start-ups beziehen auch Fördergelder vom BMBF, haben aber nicht annähernd genug Mittel eingeworben, um einen Demonstrationsreaktor zu bauen, von einem kommerziellen Kraftwerk ganz zu schweigen.

Laserfusion oder Magnetfusion?

Andere sind da schon weiter: Das US-amerikanische Start-up Type One Energy, dessen CTO Thomas Sunn Pedersen mehr als zwölf Jahren am IPP geforscht hat, arbeitet ebenfalls an einem Stellarator. Am Standort des ehemaligen, im Dezember 2023 stillgelegten Kohlekraftwerks Bull Run im amerikanischen Bundesstaat Tennessee möchte das Unternehmen schon 2028 den Versuchsreaktor Infinity One in Betrieb nehmen.

Die von Sibylle Günter als weiterer Erfolg der Fusionsforschung angeführte Zündung eines Pellets an der NIF wurde in einer völlig anderen Art von Fusionsreaktor erzielt. Am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien gibt es eine riesige Halle mit Hochleistungslasern. Ein kleines Kügelchen (das so genannte Target) aus Deuterium und Tritium wird dort aus 192 Richtungen gleichzeitig mit je einem ultrakurzen Energiepuls beschossen, so dass die äußere Kapsel schlagartig verdampft. Der dadurch erzeugte Druck komprimiert das Zentrum stark genug, um eine Kernfusionsreaktion auszulösen, die sich nach außen fortsetzt, bis sie das gesamte Pellet erfasst hat. Im Jahr 2022 gelang es erstmals, ungefähr 50 Prozent mehr Fusionsenergie zu erzeugen, als das Pellet aus den Lasern absorbiert hatte. Das Echo auf den Jubel blieb allerdings verhalten, denn das entspricht nur etwa einem Prozent der Energie, die für den Betrieb der Hochleistungslaser aufgewandt werden musste. Von einem echten Kraftwerk kann also nicht die Rede sein, aber immerhin beweist es die Machbarkeit.

Sieben der 45 Start-ups aus dem aktuellen FIA-Report setzen auf dieses Prinzip, darunter zwei Start-ups mit deutscher Beteiligung. Das deutsch-amerikanische Unternehmen Focused Energy ist unter anderem von Mitarbeitern der TU Darmstadt und der NIF mit dem Ziel gegründet worden, ein echtes Kraftwerk zu bauen. Es bezeichnet sich selbst als »weltweit führend in der laserbasierten Fusionstechnologie«. Die Firma hat ein Target mit speziell geformter Hülle entwickelt, das mit einem Laserstrahl komprimiert wird. Unmittelbar danach zündet ein Ionenstrahl die Fusion des Deuterium-Tritium-Gemischs im Inneren. Das geplante Kraftwerk wird 800 000 davon verbrauchen – am Tag! Der NIF gelingt derzeit pro Tag gerade mal ein Laserschuss. Die gesamte Struktur des vorgesehenen Kraftwerks muss also von Grund auf neu entwickelt werden, einschließlich der neuartigen Hochleistungslaser und einer Massenproduktion von Targets. Focused Energy kalkuliert rund 25 Jahre dafür.

Auch das in München ansässige Unternehmen Marvel Fusion möchte mit ultrakurzen Laserimpulsen eine Fusionsreaktion auslösen. Eine spezielle Nanostruktur in der Hülle der vorgesehenen Targets soll die Laserenergie auf den Brennstoff im Inneren übertragen, der aus Wasserstoff, Bor, Deuterium und Tritium besteht. Kritiker wie der emeritierte Physiker Karl Lackner, langjähriger Mitarbeiter des IPP, halten schon die Theorie dahinter für fehlerhaft und das Konzept für nicht durchführbar. Bisher hat das Team von Marvel keine begutachtete wissenschaftliche Veröffentlichung zu dem Konzept vorgestellt und wollte für diesen Artikel weder eine Stellungnahme abgeben noch Fragen beantworten. Dessen ungeachtet hat die Firma angekündigt, schon bis 2032 ein erstes Kraftwerk zu bauen. Das wird wohl nicht zu halten sein. Selbst ein konventionelles Kraftwerk benötigt mindestens fünf Jahre vom Beginn der Planung bis zur Fertigstellung.

2035, 2045 oder doch erst 2050?

Wann also ist überhaupt mit einem ersten funktionstüchtigen Fusionskraftwerk zu rechnen? Mehr als die Hälfte der Start-ups im FIA-Report erwartet die Inbetriebnahme bis 2035. Unabhängige Experten sind nicht ganz so optimistisch. Sibylle Günter hält 20 Jahre für realistisch und fügt hinzu: »Damit es in dieser Zeitspanne klappt, müssen die Rahmenbedingungen stimmen: Wir brauchen für die 20 Jahre insgesamt 20 Milliarden Euro zusätzlich. Wir müssen die Industrie adäquat einbinden.« Auch die rigorosen, auf Atomreaktoren ausgerichteten gesetzlichen Regelungen müssten angepasst werden. »Deren umfangreiche Sicherheitsanforderungen sind die Antwort auf Gefahren, die es bei Fusionsanlagen überhaupt nicht gibt.«

Das BMBF gibt sich etwas zuversichtlicher als Günter. Es sei zu erwarten, dass die Forschungs- und Entwicklungsphase in der ersten Hälfte des nächsten Jahrzehnts durch eine Transferphase abgelöst werde. »In der Betriebsphase, voraussichtlich ab den 2040er Jahren, muss zuletzt die Errichtung und der Betrieb einer großen Zahl an Fusionskraftwerken durch die Industrie sichergestellt werden, um den Strommix mit Fusionsenergie ergänzen zu können.«

»Wegen der noch erforderlichen Entwicklungsarbeiten ist mit einem ersten Fusionskraftwerk frühestens 2045 zu rechnen, wobei keine Gewähr für eine erfolgreiche Umsetzung besteht«Acatech

Die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften (Acatech) hat dagegen im August 2024 eine Studie zur Kernfusion veröffentlicht, die zu dem Schluss kommt: »Wegen der noch erforderlichen Entwicklungsarbeiten ist mit einem ersten Fusionskraftwerk frühestens 2045 zu rechnen, wobei keine Gewähr für eine erfolgreiche Umsetzung besteht.« Zur Energiewende werde Fusionsenergie deshalb nicht beitragen.

Vielleicht geht es aber doch sehr viel schneller. Die US-Firma Helion Energy in Everett im Bundesstaat Washington plant, bereits im Jahr 2024 einen Versuchsreaktor in Betrieb zu nehmen, der erstmals Strom aus Kernfusion erzeugen soll. Ihr Reaktor ist eine Art hohle Spindel, an deren Enden zwei Fusionsplasmen aus Deuterium und Helium-3 stark beschleunigt werden. Sie treffen sich in der Mitte, wo sie von einem magnetischen Feld weiter komprimiert werden. Dadurch zündet kurzzeitig die Fusion, die das geladene Plasma wieder auseinandertreibt. Diese Gegenbewegung will Helion ausnutzen, um in den Beschleuniger- und Kompressorspulen Strom zu induzieren, und zwar deutlich mehr, als vorher aufgewandt wurde. Die Fusion würde einmal pro Sekunde in kurzen Pulsen ablaufen.

Ob die Energiebilanz am Ende tatsächlich positiv ist, muss sich aber erst zeigen. Sibylle Günter ist eher skeptisch, weil Helion Energy das auf der Erde sehr seltene Helium-3 durch eine vorgeschaltete Deuterium-Fusionsreaktion erbrüten will. Dieses Verfahren erfordert einen hohen zusätzlichen technischen und energetischen Aufwand und würde, wie Günter ausführt, das Versprechen von hoher Effizienz und geringer Neutronenproduktion wieder relativieren.

Tech-Vordenker und OpenAI-CEO Sam Altman ist jedenfalls von dem Ansatz von Helion Energy überzeugt und hat 375 Millionen US-Dollar investiert. Und das Software-Unternehmen Microsoft hat mit Helion bereits vorab einen Vertrag geschlossen: Ab 2028 soll das Start-up Strom an den Konzern liefern.