Am 10. Dezember 2015 wurde unter dem Projektnamen Wendelstein 7-X am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald zum ersten Mal Plasma hergestellt. Vielleicht die Grundlage für saubere Energie der Zukunft?

Wir zählen bitte alle mit – four, three, two, one, zero.“ Atemloses Schweigen, dann ein kurzer Lichtblitz auf der linken Seite der Monitorwand – vor Greifswalds Toren wurde soeben zum ersten Mal der Aggregatzustand Plasma mit dem Gas Helium erzeugt. Die Menschen im Kontrollraum des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) jubeln und klatschen. Unter dem Projektnamen Wendelstein 7-X wurde in Greifswald die weltweit modernste Anlage zur Herstellung von Plasma ihrer Bauart errichtet. Hier soll der Aggregatzustand Plasma genauer erforscht werden, um eine Grundlage für energiespendende Kernfusionen zu schaffen.

 

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Aufbau Wendelstein 7-X: Bild 1 zeigt in rosa die errechnete Form des Plasmaflusses, das von einem Magnetfeld (Magnetspulen in Bild 2) in Form gehalten wird. Diese Spulen werden von einem Stützgerüst (Bild 3) getragen und von einer Hülle (Bild 4) eingeschlossen.

Aufbau Wendelstein 7-X: Bild 1 zeigt in rosa die errechnete Form des Plasmaflusses, das von einem Magnetfeld (Magnetspulen in Bild 2) in Form gehalten wird. Diese Spulen werden von einem Stützgerüst (Bild 3) getragen und von einer Hülle (Bild 4) eingeschlossen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ein kleines Opportunitätsfenster

Die Ideen für die Forschungseinrichtung lagen schon lange beim Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in einer Schublade. Aber erst die Wende hat es möglich gemacht, diese auch wahr werden zu lassen. „Durch die Wende war die Politik entschlussfreudiger“, erläutert Professor Thomas Klinger, Direktor des Projektes. „Hierdurch ergab sich ein kurzes Fenster, in dem die Zustimmung zu Wendelstein 7-X möglich war.“ Der Beschluss für die Umsetzung der Idee wurde 1993 gefasst und der Bau 1996 nach Zusage von Unterstützungsgeldern der Europäischen Union (EU) begonnen.

Doch warum wurde Wendelstein 7-X ausgerechnet in Greifswald stationiert? Warum nicht in Berlin, Leipzig oder Dresden? Nach dem Mauerfall verpflichtete sich das Max-Planck-Institut, neue Standorte zunächst einmal in den neuen Bundesländern zu errichten – 14 Stück wurden es insgesamt. Doch gerade Greifswald bot eine Universität mit einer hundertjährigen Historie in der Plasmaforschung und durch die Nachbarschaft zum Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. den Kontakt zu anderen Forschern. „Für den Standort Greifswald sprachen viele Gründe. Und ob Greifswald nun dezentral und ungünstig liegt, ist eine Frage der Perspektive. Unser Theoriedirektor kommt aus Schweden, für den ist Greifswald ziemlich mittig gelegen, wenn er nach Deutschland blickt”, lacht Klinger. Mit dem alten Atomkraftwerk-Standort in Lubmin existierte zudem bereits die Infrastruktur für den Bau von Rohren, Behältern und anderen Teilen. Kleines Greifswald ganz groß, irgendwo im Nordosten von Mecklenburg-Vorpommern, Deutschland.

Saubere Energie durch Kernfusion

Aber zurück zum Plasma. Die Sonne leuchtet, weil auf und in ihr dauerhaft eine Kernfusion abläuft. Dabei verschmelzen Wasserstoffatomkerne zu Helium und Energie wird frei. Dieses Prinzip will man sich in der Forschung rund um die Fusionsenergie zunutze machen. Kernfusion läuft auf der Erde nicht ab und kann nur künstlich erzwungen werden, wenn sich ein Stoff im Aggregatzustand Plasma befindet. Führt man einem Gas genug Energie zu – zum Beispiel durch Erwärmung – kann man Plasma erzeugen. Die Atome des Gases nehmen beim Übergang zum Plasma Elektronen auf oder geben diese ab und werden so ionisiert, also geladen. Diese Ladung des Plasmas wird genutzt, um das hundert Millionen Grad heiße Plasma in einem Magnetfeld im Vakuum in der Schwebe zu halten. Kein irdischer Stoff würde die Berührung mit derartigen Temperaturen überstehen. Die Herstellung und Installation der kompliziert geformten Magnete war der anspruchsvollste und teuerste Teil der weltweit modernsten Anlage zur Plasmaherstellung vom Stellarator-Typ: Wendelstein 7-X.

Führt man den Stoffen, die sich im Plasmazustand befinden, immer weiter Energie zu, kann man theoretisch eine Kernfusion erzwingen, die dann selbst Energie freisetzt. Diese Energie wird hauptsächlich in Form von Wärme abgegeben. Wasser wird erhitzt und Dampf entsteht. Dadruch wird eine Turbine angetrieben und letztlich Strom erzeugt. So soll in ferner Zukunft eine Möglichkeit der Energiegewinnung aussehen. Soweit ist die Forschung aber noch nicht.

Zuerst einmal soll der schwierige Aggregatzustand Plasma untersucht werden. Klinger erklärt: „Die Eigenschaften des Plasmas hängen von vielen Parametern ab. Nur in einer bestimmten Parameterkonstellation wird ein Zustandsbereich des Plasmas erreicht, bei dem in Zukunft tatsächlich eine Kernfusion möglich sein kann. Und dieser Bereich muss genau abgesteckt und erforscht werden.“

Energieregion Vorpommern

Eingefärbtes Bild vom ersten Helium im Aggregatzustand Plasma. Auch Nordlichter befinden sich in eben diesem Zustand.

Eingefärbtes Bild vom ersten Helium im Aggregatzustand Plasma. Auch Nordlichter befinden sich in eben diesem Zustand.

Bisher wurde Plasma aus Helium erzeugt, Ende Januar 2016 soll das erste Wasserstoff-Plasma entstehen. Dieser Prozess ist technisch anspruchsvoller, liegt aber der Kernfusion physikalisch näher. Zu diesem Termin wird es dann eine große Veranstaltung im Max-Planck-Institut geben, auch namhafte Politiker werden anwesend sein. So auch Doktor Stefan Fassbinder, amtierender Oberbürgermeister von Greifswald: „Es ist ein großer Erfolg, dass das Projekt so fortgeschritten ist. Nach langen Wartezeiten und wichtigen Sicherheitsüberprüfungen ist es jetzt soweit. Der große Augenblick für die Forschung ist gekommen.” Fassbinder sieht das Max-Planck-Institut als Bereicherung für die Region, gerade durch die vielen internationalen Familien, die sich in Greifswald dadurch niedergelassen haben. Der Oberbürgermeister erkennt in den zehn Jahren Bauzeit Gewinne für Zulieferer und erhofft sich für die Zukunft wirtschaftliche Ausgründungen aus dem Institut, wie es derzeit schon beim Leibniz-Institut geschieht. „Vielleicht gibt es auf lange Sicht sogar kleine anwendungsorientierte Erfolge, die wir als Energieregion Vorpommern nutzen können.”

Klinger ist da mit ihm einer Meinung: „Meine Kollegen treffe ich regelmäßig im Theater und in Greifswalds Kneipen. Ich bin mir sicher, dass wir frischen Wind mit nach Greifswald gebracht haben.“ Auch mitgebracht hat das Max-Planck-Institut nach Zusammenstellung des Teams Ende des 20. Jahrhunderts ungefähr 40 bis 50 Mitarbeiter. Die Umstellung für sie war groß, kurz nach der Wende vom ehemaligen Westdeutschland in den Osten, von der Großstadt zur mittelstädtischen Umgebung, von katholisch zu protestantisch. Aber die Menschen haben sich gut eingelebt und fühlen sich wohl. Danach wurden neue Ingenieure, Kantinenmitarbeiter, Techniker und Angestellte der betrieblichen Infrastruktur gesucht und gefunden. Das Max-Planck-Institut ist ein namhafter Arbeitgeber und brachte viele Intellektuelle und interessante Köpfe nach Greifswald. Thomas Klinger schätzt: „Wir sind ein attraktiver Arbeitgeber, und das liegt nicht nur am Gehalt. Wir haben über 80 Mitarbeiter aus aller Welt, unter anderem aus Russland, China, den Niederlanden, aus Frankreich und Ungarn. Die Ausstrahlung des Instituts ist spürbar und das nicht nur als Brötchengeber.”

Ohne rosa Brille

Die internationalen Stimmen der großen Medien sind durchweg begeistert von der Erzeugung des Plasmas. Die Partei Bündnis 90/Die Grünen, der auch Stefan Fassbinder angehört, äußerte allerdings während der gesamten Bauphase des Max-Planck-Instituts auf Landesebene massive Bedenken. Vor allem zwei Kritikpunkte standen im Vordergrund: Die Kosten und die Sicherheit. Die Kosten des Projekts Wendelstein 7-X, die durch das Land, den Bund und die EU getragen werden, haben sich mittlerweile von den geschätzten 500 Millionen Euro auf knapp über eine Milliarde Euro verdoppelt. Nach einem neuen Basisplan und einem Ministerentscheid im Jahre 2007 wurde der neue Kostenrahmen unter der Bedingung, dass bis zum Ende der Projektrealisierung keine erneute Kostensteigerung und Zeitverzögerung auftreten, genehmigt. Diese Vorgaben wurden eingehalten.

Dennoch wird die Technologie erst sehr langfristig einsetzbar sein und es ist immer noch nicht absehbar, ob überhaupt jemals die Energiegewinnung durch Fusionskraftwerke möglich sein wird. Ein Statement von Jürgen Suhr, Fraktionsvorsitzender von Bündnis 90/Die Grünen im Landtag Mecklenburg-Vorpommern, im November 2015 zur bevorstehenden ersten Plasmaerzeugung: „Das Projekt in Greifswald kostet etwa eine Milliarde Euro. Geld, das uns bei der Forschung im Bereich der regenerativen Energien und der Energiespeicherung fehlt.” Nichtsdestotrotz erkennt er die Arbeit der Forscher an und hat die Hoffnung, dieses wissenschaftliche Know-how für die Energiewende nutzen zu können. Die Grünen raten an, das Geld der Plasmaforschung lieber in andere, schneller verfügbare Energieprojekte zu investieren. Dazu zählen zum Beispiel Energiespeicheranlagen, Sonnen- und Windkraft.

Dazu Fassbinder: „Die Grünen in Greifswald standen und stehen hinter dem Projekt Wendelstein 7-X. Parteien sind natürlich inhomogen und sich auf Regional- und Landesebene nicht immer einig. Ich sehe keinen Widerspruch in meiner Tätigkeit als Oberbürgermeister in repräsentativer Funktion und meiner Angehörigkeit beim Bündnis 90/Die Grünen.“

Für Thomas Klinger vom IPP gehört auch die Plasmaforschung zum Feld der erneuerbaren Energien. Er erläutert: „Die erneuerbaren Energien sind ein großes Themengebiet und es wäre sträflich, nur auf ein Pferd zu setzen. Auch die Hoffnung auf funktionierende Kernfusion hat wie die anderen Ansätze eine Berechtigung.“

Die Sache mit der Sicherheit

Nun zum zweiten Bedenken. Im Jahre 2012 fand eine ausführliche Prüfung der Sicherheit der entstehenden Anlage statt. Angestoßen wurde sie nach Recherchen des Bundes für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND). Im Einzelnen wurden die Betonqualität, die Tore der sogenannten Torushalle, in der die Anlage steht, und die Abluftanlage für nicht strahlensicher befunden.

Aus einem Beitrag von Arndt Müller, BUND Mecklenburg-Vorpommern: „Dabei stellte der mit dieser Qualitätskontrolle beauftragte Gutachter, Professor Bernd Hillemeier von der Technischen Universität Berlin, fest, dass sowohl der Wassergehalt des Betons, als auch der Gehalt an Colemanit – eines borhaltigen Minerals – in den Kontrollproben nicht den Vorgaben entsprach.”

Techniker bei Bauarbeiten im Inneren des Wendelstein 7-X.

Techniker bei Bauarbeiten im Inneren des Wendelstein 7-X.

Die Genehmigungsverfahren unterliegen dem Landesamt für Gesundheit und Soziales (LAGuS). Schlussendlich wurde der TÜV Süd mit einem Gutachten beauftragt. Dieses empfiehlt, den abgesperrten Bereich während des Betriebs mit schwerem Wasserstoff temporär auf zwei außerhalb der eigentlichen Experimentierhalle liegende Teile des Gebäudes auszuweiten. Auch der TÜV hat also Probleme erkannt. Trotzdem lautet der Schlusssatz des Gutachtens: „Mit den vorgelegten Unterlagen und den erweiterten Untersuchungen […] konnte nachgewiesen werden, dass der […] Baukörper (Torushalle und Tore) den Anforderungen des Strahlenschutzes hinsichtlich Erfüllung des Schutzzieles voll umfänglich durch eine fachgerechte Planung (Materialien, Dimensionierung) und qualitätsgerechte Rohbauausführung gerecht wird.”

Nach Herstellung des ersten Plasmas veröffentlichte der BUND eine Pressemitteilung, die warnt, dass „eine solche Bewertung des TÜV Süd nicht zulässig ist, da es zahlreiche Aspekte gar nicht betrachtete, so beispielsweise die Zusammensetzung aller im Zuge der Qualitätssicherung angefertigten Kernbohrungen des Strahlenschutzbetons.” Der BUND unterstellt den zuständigen öffentlichen Stellen und dem IPP, dass „den Behörden über einen Zeitraum von mehr als zehn Jahren weitere Mängel im Strahlenschutzsystem der Anlage bekannt waren, die durch das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik nicht abgestellt wurden.”

Thomas Klinger hält eine generelle kritische Überprüfung seines Projektes für legitim und wichtig. Für ihn seien die Auseinandersetzung und das Reflektieren von Meinungen in einer Demokratie fundamental. Das IPP gehe mit allen derartigen Vorwürfen offen und aufrichtig um. „Das Ding hat eine Milliarde Euro gekostet, warum hätten wir da ein paar Millionen Euro am Beton sparen sollen? Im Gegenteil, man könnte die Dicke unserer Betonhülle um ein Drittel reduzieren und dürfte die Anlage trotzdem noch betreiben.” Der BUND unterstellt dem IPP keine Kostengründe als Ursache der Sicherheitsrisiken. Im Telefonat mit Arndt Müller: „Bei der Herstellung des Betons wurde unsauber gearbeitet. Nachträgliche Korrekturen oder ein Betriebsstopp wurden aus politischen Motiven und unter politischem Druck nicht geduldet.“

Die Fronten sind klar, die Betriebserlaubnis vom LAGuS liegt vor, auch wenn der BUND warnt: „Sollte das Landesamt für Gesundheit und Soziales Mecklenburg-Vorpommern einen Experimentalbetrieb mit schwerem Wasserstoff gestatten, würde die Behörde gegen eigene Auflagen zur Strahlensicherheit aus der Errichtungsgenehmigung verstoßen.”

Ein Blick in die Zukunft

Die mediale Aufmerksamkeit ist groß, das erste Plasmas wurde hergestellt. Aber wie geht‘s weiter in Greifswald? Erst jetzt kann der eigentliche Forschungsbetrieb aufgenommen werden. Dann können verschieden Zustandsformen des Plasmas untersucht werden. Zuerst einmal wird Plasma nur für Bruchteile von Sekunden hergestellt, in einigen Jahren soll das Plasma dann bis zu einer halben Stunde im Magnetfeld schweben. Bis dahin sind noch viele Feineinstellungen und Experimente nötig.

Die Zukunft der Kernfusion ist nicht sicher. Zur Fusion muss für das Plasma eine bestimmte Dichte, Temperatur und Wärmeisolation erreicht werden. Dichte und Temperatur sind mit heutigen Techniken realisierbar, nur die Wärmeisolation ist noch nicht soweit. Die momentan leistungsstärkste Anlage (Joint European Torus, UK) ist in diesem Punkt immer noch um den Faktor 5 von der nötigen Isolation entfernt. Nach aktuellen Einschätzungen kann man frühestens im Jahre 2050 mit einem funktionierenden Kraftwerk rechnen. Eine für den internen Gebrauch bestimmte Studie zur Zukunft der Kernfusion einer Unternehmens- und Strategieberatung, deren Auftraggeber nicht bekannt ist, kommt zu dem Schluss:

„Fusion could be a source with attractive characteristics: CO2-freer readily available fuel, short-lived waste, and inherent safety compared with fission technology. A continued strong demand in baseload capacity, significant ecological pressure, and low acceptance for alternative technologies (fission, clean coal) are prerequisites for a potential push of fusion technology.“

Energie aus Fusion ist also möglich, aber nur wahrscheinlich, wenn in Zukunft wenig Alternativen zur Verfügung stehen. Was bleibt, ist die Kostenproblematik. Bei kleinen Anlagen ist die Oberfläche, an der die Wärme verloren geht, im Vergleich zum Volumen der Anlage, in der sich das Plasma befindet, sehr groß. Dadurch geht viel Wärme verloren, erst eine größere Anlage kann diesem Problem beikommen. Das kostet sehr viel Geld und birgt die Gefahr, dass die Technik am Ende nicht rentabel und das Geld zumindest in wirtschaftlicher Hinsicht verloren ist. Thomas Klinger dazu: „Geld wird an vielen Stellen verbrannt. Bei sinnvoller Forschung ist das Geld auf keinen Fall verschwendet.”

von Jonas Greiten

Abbildungen: IPP Greifswald