Anhaftende Atome und katastrophales Eisen: Die seltsame Wissenschaft, die der Kernfusion zugrunde liegt

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Anhaftende Atome und katastrophales Eisen: Die seltsame Wissenschaft, die der Kernfusion zugrunde liegt

Im Dezember machte das US-Energieministerium weltweit Schlagzeilen mit einem Durchbruch bei der Fusionsenergie: zum ersten Mal sie erzeugte eine Reaktion, die mehr Energie erzeugte als die Laserleistung, die sie entzündete. Obwohl dies ein großer Fortschritt war, war die Energie zum Betreiben der Laser immer noch um den Faktor 100 höher als die durch die Reaktion erzeugte Energie, so dass noch viel zu tun bleibt. Aber es wirft einige interessante Fragen auf: Wie funktioniert die Fusionskraft überhaupt und was hat das alles mit dem Leben und Sterben von Sternen zu tun?

Wenn Sie mit den Grundlagen von Atomkraft und Atomwaffen vertraut sind, werden Sie vielleicht einen scheinbaren Widerspruch bemerken. Kernkraftwerke und Atombomben basieren beide auf der Spaltung von Atomkernen zur Energieerzeugung (Spaltung), während Fusions- und Wasserstoffbomben mit der Energie arbeiten, die man durch Zusammenkleben von Kernen erhält.

Wie kann beides möglich sein? Es hat mit der seltsamen Anhaftung von Atomkernen zu tun, und wie diese Anhaftung davon abhängt, wie viele Protonen und Neutronen das Atom hat.

Beginnen wir mit der Kernreaktion, die die Sonne antreibt: Wasserstoff, der zu Helium verschmilzt. Ein neutrales Wasserstoffatom ist ein Proton mit einem daran gebundenen Elektron. Neugeborene Sterne sind hauptsächlich Wasserstoffkerne (dh nur Protonen), mit einigen Heliumkernen, Elektronen und einer Spur anderer Elemente, die herumspringen.

Da alle Protonen positiv geladen sind, stoßen sie sich elektrisch ab, aber bei genügend Hitze und Druck schlagen sie manchmal zusammen. Wenn sie das tun, beginnen sie mit der starken Kernkraft zu interagieren, und dann ändert sich alles. In diesen engen Abständen ist die starke Kraft anziehend und stärker als die elektrische Abstoßung, sodass sich zwei Protonen, die auf extrem engem Raum zusammenstoßen, anziehen.

Die zerschmetterten Protonen im Kern eines Sterns durchlaufen einige Umwandlungsstufen, bevor sie zu Helium werden, aber der Schlüssel ist, dass die größeren Kerne fester gebunden sind als die kleineren. Du kannst es dir wie Anhaftung vorstellen.

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Im Allgemeinen werden Elemente, die leichter als Eisen sind, anhaftender, wenn sie schwerer werden, und wenn Sie weniger anhaftende Kerne mit anhaftenderen Kernen verschmelzen, erhalten Sie Energie. Stellen Sie sich einen Slinky auf einer Treppe vor. Sie müssen dem Slinky einen Schubs geben, um es in Gang zu bringen, aber sobald Sie dies tun, gewinnt es Energie, wenn es nach unten geht, und kann weitermachen, solange die Treppe weiter nach unten geht.

Deshalb ist Fusionskraft prinzipiell möglich: Wenn man eine Reaktion in Gang setzt und am Laufen hält, kann man ein System schaffen, in dem Wasserstoff in Helium umgewandelt und Energie freigesetzt wird. Wasserstoffbomben funktionieren nach dem gleichen Prinzip, nur explosiver.

In Sternen ist die Fusion für die Entstehung einiger der häufigsten Elemente auf der Erde verantwortlich. Wenn ein massereicher Stern so viel Wasserstoff wie möglich umwandelt, bewegt er sich im Periodensystem nach oben und erzeugt konzentrische Schalen für die Fusion von Helium, Kohlenstoff, Neon, Sauerstoff und Silizium. Bei all diesen Elementen erhöht das Hinzufügen von mehr Protonen die Anhaftung des Kerns, und so wird dabei Energie erzeugt. Aber etwas ändert sich, wenn man zum Bügeln kommt, und es ist katastrophal.

Eisen ist der anhänglichste aller Kerne, die in Sternen reichlich vorhanden sind – technisch gesehen gibt es eine Form von Nickel, die etwas fester gebunden ist, aber es wird selten in Sternen produziert. Das bedeutet, dass Sie Energie gewinnen können, indem Sie kleinere Kerne verschmelzen, um Eisen zu erzeugen, aber wenn Sie versuchen, mehr Protonen hinzuzufügen, erhalten Sie am Ende etwas weniger fest gebundenes, also wird der Prozess es tun nehmen anstatt Energie zu geben.

Eisen ist das Atom am Fuß der Treppe, wobei die Treppe auf der einen Seite zum Wasserstoff und auf der anderen Seite zu den schwersten Elementen führt. Die Folge für einen Stern ist, dass, wenn er einmal einen Kern voller Eisen hat, die Fusion dort nicht mehr funktioniert und keine Energie mehr produziert wird, um den Stern vor dem Zusammenbruch zu bewahren.

An diesem Punkt explodiert der Stern in einer Supernova und erzeugt entweder einen fantastisch dichten Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch. Die Explosion selbst pumpt Energie in die stellaren Trümmer, die schwerere Elemente erzeugen können, als würde man das Slinky die Treppe hinaufwerfen.

Auf der schweren Seite des „eisernen Gipfels“ der Anhaftung sind schwerere Elemente weniger fest gebunden, sodass Kernreaktionen, die Kerne auseinander brechen, Energie erzeugen. So funktioniert Kernspaltung: Sehr schwere Elemente wie Uran und Plutonium werden kontrolliert in Atomkraftwerken oder explosionsartig in Atombomben gespalten. Es erfordert immer noch einige Anstrengungen, um den Prozess in Gang zu bringen, wie der anfängliche Schub des Slinky, aber die Energiefreisetzung kann immens sein.

Ob Fusionsenergie eines Tages unsere Städte mit Energie versorgen wird, ist noch abzuwarten. Aber in der Zwischenzeit können wir den riesigen Fusionsreaktor am Himmel immer schätzen und die Tatsache, dass er sich in guter sicherer Entfernung befindet und noch Milliarden von Jahren Wasserstoff zum Verbrennen übrig hat.

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