Was du schon immer über Kernenergie wissen wolltest und nie zu fragen wagtest - Teil 2

Olga Kardaschowa - Design by Thekla Löhr

"Es ist ziemlich laut hier drinnen", sagst du. "Lass uns ein wenig an die frische Luft gehen."

Das macht ihr. Der Nachtwind kühlt eure vom Lärm und Gedränge der h-Bar erhitzten Gesichter. Es ist kurz nach 5 Uhr morgens. Ein schmaler, abnehmender Mond ist über der gegenüberliegenden Häuserzeile aufgegangen.

"Sieht so aus, als ob er uns bittet, zurückzukommen. Als ob er Sehnsucht nach den Menschen hat", sagt Olga.

"Damit die Menschheit gemeinsam ins All aufbrechen kann, werden starke Energieflüsse nötig sein. Gut, dass die meisten Länder nicht so hysterisch auf die Vorsilbe 'Kern-' reagieren wie die Deutschen."

"Bei der Kernenergetik handelt es sich um eine komplexe, faszinierende Hochtechnologie, die es uns ermöglicht, die Tiefenstruktur der Materie jenseits der Nanowelt nutzbar zu machen. Das menschliche Gehirn ist unglaublich leistungsfähig, und hat die Fähigkeit hervorgebracht, kleinste Teilchen und höchste Energiedichten zu beherrschen. Unsere Kernkraftwerke der zweiten und dritten Generation sind schon sehr sicher, aber wie man in Fukushima gesehen hat, können sehr schwere äußere Einwirkungen auch bei ihnen zum Schmelzen des Reaktorkerns führen. Aber Wissenschaftler haben dieses Problem bereits in Angriff genommen. Auf den Zeichenbrettern, in Computersimulationen und teilweise schon als Versuchsanlagen entsteht die nächste Generationen von Kernreaktoren (III+ und IV), die prinzipiell nicht kernschmelzefähig sind - weil die dahintersteckende Physik das ausschließt."

Du. Wie sehen diese neuartigen Reaktoren aus?

Olga. Da gibt es viele unterschiedliche Entwürfe. Zu den bekannteren gehört der Hochtemperaturreaktor (HTR), der unter anderem in Deutschland in Form des Kugelhaufenreaktors getestet wurde. Anders als in den meisten Kernreaktoren liegt der Brennstoff hier nicht in Form von stabförmigen Elementen, sondern, wie der Name sagt, in Form kleiner Kugeln (etwa so groß wie Tennisbälle) vor. Sie bestehen aus Uranpartikeln und Graphit als Moderator. Bei dem Versuchsreaktor in Deutschland kam eine größere Menge Thorium 232 hinzu, die durch Neutroneneinfang ins spaltbares U233 transmutiert wurde. Außen herum um den Reaktor befindet sich zusätzlich ein Reflektor aus Graphit, der entweichende Neutronen zurückwirft und dadurch auch bei geringer Spaltstoffdichte Kritikalität erlaubt. Das Besondere ist, dass die Kugeln dauernd durch den Reaktor wandern: Oben werden sie laufend eingeworfen und unten wieder entnommen, jede wandert mehrere Male hindurch. Die Steuerung erfolgt wie bei herkömmlichen Reaktoren teils mit Steuerstäben, die von oben und seitlich eingeschoben werden, teils mit abbrennenden Neutronengiften in Absorberkugeln, die unter die Brennstoffkugeln gemischt werden.

Du. Warum ist der Hochtemperaturreaktor so sicher?

Olga. Das liegt letztlich an seiner vergleichsweise geringen Energiedichte. Weil der Spaltstoff über ein größeres Volumen verteilt ist, reagiert der Reaktor besonders träge auf irgendwelche Änderungen der Betriebsbedingungen. Außerdem kann das Kühlmittel - es handelt sich um Helium - keinen weiteren Phasenübergang durchlaufen, da es ja bereits gasförmig ist. Man hat auch inzwischen Geometrien des Reaktors gefunden - eine ring- bzw. hohlzylinderförmige Anordnung - die auch beim kompletten Kühlsystemausfall keine Überhitzung des Kerns zulässt, weil bereits genug Wärme durch Wärmeleitung und -konvektion fortgetragen wird.

Du. Wie heiß ist eigentlich "Hochtemperatur"?

Olga. Beim Thorium-HTR ging das Helium mit 250 Grad Celsius in den Reaktor hinein und kam mit 750 Grad wieder heraus. Es wird aber durchaus über Betriebstemperaturen bis 900 oder 1000 Grad nachgedacht. Dies hätte den Vorteil, dass der Reaktor noch allerlei mehr kann außer Strom erzeugen: Zum Beispiel Meerwasser entsalzen, oder Wasserstoff herstellen, vielleicht als Treibstoff für zukünftige Flugzeuge. Übrigens kann man den HTR in Form kleinere Module mit geringerer Leistung von nur 100-200 MW konstruieren - das erlaubt einen dezentralen Energieversorgungsaufbau.

Du. Die Stromerzeugung funktioniert dann sicher wie bei anderen Reaktoren auch - Helium erhitzt Wasser, Wasser verdampft, Dampf treibt Turbine...?

Olga. Ja. Es gibt aber auch Pläne für Kraftwerke, in denen das heiße Helium direkt eine Turbine antreibt, was höhere Wirkungsgrade bis zu 40% erlaubt.

Du. Wird es demnächst viele HTR geben?

Olga. Das ist noch offen. Viele Länder zeigen zumindest Interesse daran. Japan und China haben Versuchsanlagen. Südafrika und Großbritannien konkrete Pläne, die Schweiz denkt gerade darüber nach.

Du. Und Deutschland bläst dreckigen Kohlequalm in den Himmel...

Olga. Lass uns nicht darüber nachdenken, wir wollen uns nicht die Laune verderben. Bleiben wir lieber bei sauberen Energiequellen.

Du. Naja, manche sagen ja, dass die Kernenergie nicht so sauber sei, da sie radioaktive Reststoffe produziert, die x Jahrtausende eingesperrt werden müssen.

Olga. Wie schon erwähnt muss das nicht so sein. Die Actinoide im Kernmüll, die die langfristige Radioaktivität verursachen, lassen sich durch Transmutation zerstören. Dies könnten moderne Brüter erledigen, zum Beispiel Flüssigsalzreaktoren.

Du. Flüssigsalz - das habe ich schon mal im Zusammenhang mit Sonnenwärmekraftwerken gehört, als Energiespeicher für die Nacht.

Olga. Ja, Flüssigsalze haben eine hohe Wärmekapazität. In Sonnenwärmekraftwerken dienen sie als Speicher, im Flüssigsalzreaktor aber gleichzeitig auch als Energiequelle. Hier wirkt der Brennstoff nämlich zugleich als Kühlmittel. Er strömt als Salzschmelze konstant durch den Reaktorkern, durchläuft dort die Kettenreaktion und verlässt den Kern wieder, um in einem Wärmetauscher Wasser zu erhitzen. Ein Forschungszentrum der Regierungsorganisation CNRS in Gernoble in Südfrankreich hat einen Schnellspektrum-Flüssigsalzreaktor entworfen, der als Thoriumbrüter arbeitet: Außen um das Reaktionsgefäß herum ist eine Brutdecke aus Thorium angeordnet, die durch Neutroneneinfang das fissile U233 bildet. Außer U233 kann der Reaktor aber auch Transurane aus verbrauchten Leichtwasserreaktor-Brennelementen als Spaltstoff nutzen. Sie werden dabei in kurzlebige Spaltprodukte umgewandelt, die nach wenigen Jahrhunderten gefahrlos handhabbar sind. Dabei entsteht dann in der Brutzone aus Thorium U233, das später als Brennstoff zum Einsatz kommen soll.

Du. Aha - also wird quasi in einem ersten Durchlauf der Kernmüll transmutiert, und als "Nebeneffekt" stellt man den Spaltstoff für den späteren Betrieb her, wenn die Transurane verbraucht sind?

Olga. Genau.

Du. Und wenn der Reaktor stoppen soll, genügt es, den U233-Flüssigsalz-Zustrom zur Reaktionskammer zu unterbrechen, wie bei einem Verbrennungsmotor?

Olga. Ja, ohne Spaltstoffzustrom steht die Anlage sofort. Ein Stromausfall legt den ganzen Prozess einfach still.

Du. Welche Ideen für moderne Kernkraftwerke gibt es noch?

Olga. Naja, man könnte sich einen Reaktor wünschen, der möglichst selbsttätig arbeitet, und kaum gewartet werden muss. Traditionelle Brüterentwürfe erfordern es, dass der erzeugte Spaltstoff aus dem Reaktor entnommen, aufbereitet und der Kettenreaktion wieder zugeführt wird.

Du. Es wäre praktischer, wenn er gleich im Reaktor bleiben könnte.

Olga. Das ist beim Laufwellenreaktor der Fall. Er arbeitet ein wenig wie eine abbrennende Zündschnur: Die Reaktion wandert, wie der Name sagt, wellenartig vom einen Ende eines Zylinders aus Brutstoff zum anderen. Dazu braucht sie mehrere Jahrzehnte, ohne das jemand steuernd eingreifen muss. Am einen Ende befindet sich ein Spaltstoffgemisch als "Zünder", ansonsten besteht der Zylinder aus fertilem Material - U238 oder auch aus einem Uran/Thorium-Gemisch. Die Neutronendiffusionsgleichung hat hier eine wellenartig wandernde Lösung: Die Kettenreaktion setzt im Zündbereich ein, die Neutronen beginnen das fertile, dahinter liegende Material in Spaltstoff umzuwandeln, dieser wird wiederum kritisch, erzeugt neue Neutronen die weiteren Spaltstoff erbrüten - so wandert die Reaktion ganz langsam durch den Reaktor. Gebaut hat so ein System noch niemand, aber viele Berechnungen deuten darauf hin, dass die Reaktion ohne menschliches Eingreifen jahrzehntelang selbsttätig stabil ablaufen kann. Die Firma TerraPower, in die u. a. Bill Gates investiert, möchte so einen Reaktor bis 2020 ans Netz bringen.

Du. Das hört sich alles sehr vielversprechend an. Viele, die ich kenne, würden es aber vorziehen, auf den Fusionsreaktor zu warten: Da es sehr schwierig ist, die Kernfusion überhaupt in Gang zu bekommen, geht ein Tokamak oder Stellarator sofort aus, wenn die Stromzufuhr zur Anlage unterbrochen wird. Die Reaktion muss durch Erzeugung des Einschlussfeldes von außen hervorgerufen werden und bricht bei Änderung der physikalischen Bedingungen augenblicklich zusammen. Dass ein Stromausfall die Reaktion automatisch anhält, trifft, wie du erzählt hast, zwar auch beim Flüssigsalzreaktor zu (kein Brennstoffzustrom - keine Kettenreaktion!) aber sehr viele fänden es sicher noch beruhigender, wenn die Reaktion ohne äußere Unterstützung gar nicht erst zustande käme, wie beim Fusionskraftwerk.

Olga. Die Fusion könnte in der Tat zur wichtigsten Energiequelle der Zukunft werden - es gibt jedoch Entwürfe für Spaltungsreaktoren, die genau die von dir beschriebene Eigenschaft auch haben: Ohne externe Unterstützung keine Reaktion! Und die könnten realisiert werden noch bevor die Fusionskraftwerke einsatzbereit sind.

Du. Wie kann ich mir das vorstellen? Ich dachte die Spaltung ist eine selbstunterstützende Kettenreaktion...?

Olga. Überleg mal, wie würdest du es anstellen, einen Spaltungsprozess zu designen, der ohne äußere Unterstützung zusammenbricht?

Du. Mal sehen... wir hatten den Neutronenvermehrungsfaktor k_eff... Er gibt an, um wieviel sich die Neutronenpopulation pro Generation ändert. Wenn er kleiner als 1 ist, bricht die Reaktion zusammen. Es sei denn... man stützt sie irgendwie von außen!

Olga. Guter Gedanke. Und wie würdest du sie extern unterstützen?

Du. Man muss Neutronen von außen hereinbringen... vielleicht indem man sie aus Kernen herausschlägt... indem man wiederum andere Teilchen darauf schießt?

Olga. Das ist auch was dem Nobelpreisträger Carlo Rubbia vorschwebt! Ein Beschleuniger schießt Protonen auf ein Schwermetalltarget, wodurch durch Spallation Neutronen entstehen. Diese treffen auf den subkritischen Reaktorkern, in dem aus Thorium 232 Uran 233 erbrütet wird, welches als Brennstoff dient.

Du. Alles klar! Und sobald der Beschleuniger ausgeht, kommt die Reaktion zum Erliegen, da der Reaktor ja unterkritisch ist... aber was ist mit der Nachzerfallswärme - die, die nach Ende der Reaktion durch die verbleibende Radioaktivität erzeugt wird?

Olga. Die kann unabhängig von der Stromzufuhr ganz selbständig abgeführt werden, durch reine Konvektion in einem Bleibad, in dem der Reaktor steht - so sieht zumindest der Entwurf von Rubbia aus! Übrigens entsteht bei dem ganzen Prozess kaum langlebiger Kernmüll.

Du. Und da, soweit ich weiß, Thorium viel häufiger ist als Uran hätte man Energie für... Jahrtausende?

Olga. Vermutlich sogar Jahrzehntausende. Höchstwahrscheinlich ist noch viel mehr Thorium in der Erdkruste als bisher bekannt, man hat mangels Interesse ja bislang kaum danach gesucht.

Du. Dann sollte man sofort mit den Forschungsarbeiten beginnen.

Olga. Das will ich meinen. Warum gehen wir nicht zu mir nachhause und nehmen bei einer Tasse Kaffee die Entwicklung des Energy Amplifiers in Angriff?

Du. Das klingt nach einem exzellenten Plan!


PS. Der Artikel ist übrigens ein "Work in Progress". Ich werde weitere Informationen und Details hinzufügen, sobald ich noch mehr über das Thema gelesen habe.

Was du schon immer über Kernenergie wissen wolltest und nie zu fragen wagtest - Teil 1

Olga Kardaschowa

Zeichnung von Thekla Löhr

Du hast Olga Kardaschowa in der h-Bar getroffen, und nach einigen Drinks unterhaltet ihr euch bestens über die Kernenergie.

Ihr führt folgendes Gespräch:

Du. Wie kann man sich die Energiegewinnung durch Kernspaltung am einfachsten vorstellen?

Olga. Stell dir vor, eine Anzahl Leute ist in einer Turnhalle beisammen. Jeder hat zwei oder drei kleine Bälle bei sich. Die Spielregel gilt, dass, sobald jemand einen Ball abbekommt, er seine eigenen Bälle blindlings von sich wirft, sich dann hinsetzt und nichts mehr weiter tut.

Du. Okay. Was geschieht dann?

Olga. Naja, was würde geschehen sobald du einen einzigen Ball in die Turnhalle wirfst?

Du. Mal sehen... wenn der Ball jemanden trifft und die Leute dicht genug beisammen stehen, dann kommt eine Balllawine zustande: Der zuerst Getroffene wirft seine Bälle, die treffen einige Leute, die werfen ihrerseits mit ihren Bällen, treffen wieder neue, die wiederum werfen... und immer so weiter!

Olga. Ganz richtig. So und nicht anders arbeitet auch der Kernreaktor. Du brauchst dir nur noch vorzustellen - okay, das wäre real schwierig - dass jeder, der seine Bälle geworfen hat, in einige kleinere Personen zerplatzt. Wenn du dir dann anstatt Personen Uran- oder Plutoniumkerne denkst und statt Bällen Neutronen, dann hast du einen Kernreaktor.

Du. Das muß ich mal mit meinem Freundeskreis ausprobieren. Nun gut, wie du sagtest, das mit dem Zerplatzen hätte seine Schwierigkeiten, aber es ist eine hübsche Veranschaulichung. Aber wie genau bringt man in einem Reaktor die Kerne dazu, sich gegenseitig mit Neutronen zu bewerfen? Warum wird dabei Energie frei? Und wie steuert man das Ganze?

Olga. Du weißt ja sicher schon, dass mittelschwere Kerne, zum Beispiel Eisen, besonders stark gebunden sind, leichte und schwere dagegen weniger stark. Deshalb kann man leichte zu schwereren verschmelzen, um Energie freizusetzen, oder schwere in leichtere spalten, wodurch auch Energie frei wird. Den ersten Prozess möchte man in Fusionsreaktoren zur Energieerzeugung nutzen, das hat man jedoch noch nicht ausreichend perfektioniert, um die aufgewandte Energie überkompensieren zu können. Den zweiten Prozess, die Spaltung, den beherrscht man jedoch schon seit den 1940ern recht gut zur Energieerzeugung. Daher existiert jetzt schon die dritte Generation von Reaktoren, und es wird bald eine vierte geben. Aber lass uns zunächst mal die Spaltung im Detail anschauen. Manche Kerne haben die Eigenschaft, sich nach dem Einfangen eines Neutrons mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in mehrere (meistens zwei oder drei) kleinere Kerne zu spalten, und dabei einige neue Neutronen auszusenden - das sind die fissilen Kerne. Andere fangen das Neutron nur ein und wandeln sich dadurch erst in einen fissilen Kern um - solche Kerne nennt man fertil.

Du. Welche Kerne sind das?

Olga. Der am häufigsten genutzte fissile ist das Uran 235 (mit 143 Neutronen und 92 Protonen, also insgesamt 235 Kernteilchen). Es macht gerade mal 0.7 Prozent des natürlich vorkommenden Urans aus.

Du. Das ist ja keine sehr effiziente Nutzung des Rohstoffs...

Olga. Wie man's nimmt. Aufgrund der im Vergleich mit chemischen Brennstoffen Millionen mal höheren Energiedichte fällt die nötige Uranmenge recht zahm aus, obwohl nur 0.7 Prozent des Ausgangsstoffs nutzbar sind. Natürlich steigt die Effizienz noch um fast zwei Größenordnungen, wenn man das fertile Uran 238 (mit 146 Neutronen und 92 Protonen) nutzt indem man es durch Neutroneneinfang in das fissile Plutonium 239 umwandelt. Dies geschieht in den sogenannten Brutreaktoren, die jedoch noch nicht sehr verbreitet sind.

Du. Okay, bleiben wir vielleicht zuerst bei den üblichen. Wie bringt man die Kerne des U235 dazu, sich gegenseitig zu spalten?

Olga. Das machen sie prinzipiell ganz von alleine, daher ist es auch viel einfacher, Kernspaltung als Kernfusion durchzuführen - letztere braucht nämlich hohe Temperaturen und/oder Drücke um zu zünden. Die U235-Kerne müssen aber in einer gewissen Konzentration vorhanden sein, damit die Wahrscheinlichkeit hoch genug ist, dass sie sich gegenseitig mit ihren bei der Spaltung erzeugten Neutronen treffen. Auch dürfen nicht zuviele neutronenabsorbierende Materialien dazwischen sein. Das nutzt man aus, um die Reaktion mit Steuerstäben aus Absorbermaterial zu kontrollieren. Um die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Neutron einen Kern spalten kann, zu erhöhen, sollte es auch so stark abgebremst werden, dass seine Energie mit der der umgebenden Kerne vergleichbar wird - man nennt es dann "thermisches Neutron". Dafür sorgt der sogenannte Moderator - häufig handelt es sich dabei um Wasser, dass dann auch zur Kühlung und zum Energieabtransport dient.

Du. Alles klar: Kern wird gespalten, sendet einige Neutronen aus - diese werden vom Moderator abgebremst, treffen dann neue Kerne, die sich ihrerseits spalten, wiederum Neutronen aussenden - und immer so weiter. Aber Moment, wo kommt das erste Neutron eigentlich her? Irgendwie muss die Kettenreaktion ja angestoßen werden...

Olga. Externe Neutronenquellen sind immer vorhanden - schließlich enthalten alle Materialien eine gewisse Menge an instabilen Kernen, und auch die kosmische Strahlung kann Kerne zum Aussenden von Neutronen anregen. Reaktoren enthalten aber meist eine eigene Initialquelle: Meistens benutzt man eine Kombination aus Sb 124 (Antimon) und Beryllium: Das radioaktive Antimon erzeugt ein Gammaphoton, das ein Neutron aus einem Berylliumkern herausschlägt. Dieses zündet die Kettenreaktion.

Du. Wie sorgt man dafür, dass die Kettenreaktion stabil bleibt? Also weder erlischt noch zu intensiv wird?

Olga. Das macht man sich am besten mit der 4-Faktoren-Formel klar. Sie gibt an,  wie stark die Neutronenpopulation pro Generation anwächst, oder, anders gesagt, wieviele Tochterneutronen auf ein Elternneutron kommen.

Du. Die Vermehrungsrate, sozusagen.

Olga. Genau.

Du. Wie berchnet man die?

Olga. Überleg mal, wie würdest du sie berechnen? Was kann einem Neutron während seines Lebens alles zustoßen? Denk daran, nachdem es emittiert wird, muss es heruntergebremst werden, bevor es wieder eine Spaltung auslösen kann (in thermischen Reaktoren).

Du. Es könnte verloren gehen - aus dem Reaktor entweichen, oder von einem Kern absorbiert werden der es gar nicht absorbieren soll, zum Beispiel im Moderator, oder im Strukturmaterial.

Olga. Genau. Die ganze Bilanz kann man durch die 4-Faktoren-Formel ausdrücken. Sie vernachlässigt zunächst das Entweichen der Neutronen aus dem Reaktor, bezieht sich also auf einen hypothetischen, unendlich großen Reaktor.

[Schreibt auf eine Serviette:]
k_inf = eta * epsilon * p * f

k_inf ist die Vermehrungsrate der Neutronen. f drückt aus, was du gerade sagtest: Das Verhältnis von im Spaltstoff absorbierten thermischen Neutronen zu den insgesamt im Reaktor absorbierten. Man nennt es Ausnutzungsfaktor. Auf dem Weg von der Freisetzung als schnelle Neutronen zur Absorption als langsame thermische müssen die Neutronen durch eine Art Gefahrengebiet: Den Resonanzbereich. Dieser wird durch das in nichtbrütenden Reaktoren nur zur Brennstoffverdünnung dienende Uran 238 hervorgerufen. Aus quantenmechanischen Gründen gibt es einen Bereich mittlerer Energie, durch den die Neutronen bei der Moderation hindurch müssen, in dem U238 besonders gut Neutronen einfängt. Dies drückt der Resonanzdurchlassfaktor p aus - die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron nicht eingefangen wird, bzw. das Verhältnis von Neutronen, die den Resonanzbereich erfolgreich durchqueren zu denen, die weggefangen werden. epsilon ist der Schnellspaltfaktor: Die frisch erzeugten schnellen Neutronen können, wenn sie U238-Kerne treffen, zuweilen ohne Moderation Spaltungen auslösen und so weitere Neutronen nachproduzieren. epsilon gibt daher das Verhältnis aus der Gesamtzahl der schnellen Neutronen zur Zahl der schnellen Neutronen aus thermischen Spaltungen an. Schliesslich ist eta das Verhältnis von der Zahl der neu erzeugten Spaltneutronen zu der Zahl der Neutronen, die im Brennstoff absorbiert werden - der Regenerationsfaktor.

Du. Aber in der Realität ist die Größe des Reaktors ja endlich, weswegen Neutronen aus ihm entkommen.

Olga. Genau. Deshalb schreibt man für die reale Vermehrungsrate:

k_eff = k_inf * P_s * P_th,

wobei P_s und P_th jeweils die Wahrscheinlichkeit angibt, dass ein schnelles bzw. ein thermisches Neutron nicht aus dem Reaktor entkommt, bzw. einfach den jeweiligen Anteil derer, die nicht aus ihm entweichen.

Du. Interessant. Wenn der Reaktor stabil laufen soll, muss k_eff doch sicher gleich 1 sein? Damit die Neutronenzahl und auch die Spaltungsrate in ihm konstant bleibt?

Olga. Ja. Man drückt das auch durch die sogenannte Reaktivität aus:

R = (k_eff - 1) / k_eff = 1 - 1/k_eff.

k_eff = 1 ist dann gleichbedeutend mit R = 0. R > 0 bedeutet, dass die Spaltrate, und damit die erzeugte thermische Leistung, zunimmt, R < 0 dass sie abnimmt.

Du. Wie sorgt man dafür, dass R = 0 oder k_eff = 1 bleibt?

Olga. Zunächst einmal durch eine geeignete Auslegung des Reaktors. Größe, Form und Zusammensetzung des Kerns müssen so gewählt werden, dass der Reaktor kritisch werden, d.h. k_eff = 1 gemacht werden kann. Eine vereinfachte Vorstellung von diesem Designprozess erhält man mithilfe der Neutronendiffusionsgleichung für Gleichgewichtszustände (d.h. der Reaktor arbeitet stabil, Neutronenpopulation und Spaltrate bleiben konstant):

-D * #F(r) + X_a * F(r) = v * X_f * F(r)

# ist hier das Symbol für den Laplaceoperator: Die Summe der zweiten Raumableitungen = d^2/dx^2 + d^2/dy^2 + d^2/dz^2.

F(r) ist die Neutronenflussdichte. Sie beschreibt, wieviele Neutronen pro Zeiteinheit durch ein Volumenelement hindurchlaufen.

D ist der Diffusionskoeffizient. Er misst die Beweglichkeit der Neutronen. Je größer er ist, desto schneller breiten sie sich im Material aus.

X_a und X_f sind die makroskopischen Wirkungsquerschnitte für die gesamte Absorption (Einfang mit und ohne Spaltung) und die Fission (Einfang mit dadurch ausgelöster Spaltung). Makroskopische Wirkungsquerschnitte sind das Produkt aus der Raumdichte der Kerne und dem mikroskopischen Wirkungsquerschnitt des Kerns für die jeweilige Reaktion. Der mikroskopische Wirkungsquerschnitt gibt die gedachte Fläche um einen Kern herum an, durch die ein Neutron hindurchtreten muss, um die Reaktion auszulösen - quasi die Fläche die das Neutron "sieht", wenn es sich einem Kern nähert. Die makroskopischen Querschnitte misst man daher in Fläche * 1/Volumen = 1 / Länge. Der Wirkungsquerschnitt X_f für die Spaltung bezieht sich im Wesentlichen nur auf den Spaltstoff (U235), der für die gesamte Absorption X_a muss über alle vorhandenen Kerne gemittelt werden.

v ist zuletzt die durschnittliche Zahl freigsetzter Neutronen pro Spaltungsreaktion. Sie liegt zwischen 2 und 3.

Die Differentialgleichung kann man in Worten so formulieren:

Veränderung der Flussdichte der Neutronen + Absorption der Neutronen = Nachproduktion durch Spaltung

Man kann sie auch noch etwas übersichtlicher schreiben:

#F(r) + B^2 * F(x) = 0

wobei B^2 = (k_inf - 1) / L^2 ist. Die Vermehrungsrate k_inf steht in Beziehung zu den Wirkungsquerschnitten:

k_inf = v * X_f / X_a,

denn je wahrscheinlicher eine Spaltung im Vergleich mit der Gesamtabsorption, desto stärker ist die Vermehrung der Neutronen. L ist die sogenannte Diffusionslänge:

L^2 = D / X_a.

Sie gibt an, wie weit ein Neutron durchschnittlich vorankommt, bis es eingefangen wird.
In einfachen Fällen, zum Beispiel einem quaderförmigen Reaktor, lässt sich die Diffusionsgleichung sogar leicht analytisch lösen. Man erhält in diesem Fall:

F(x,y,z) = F_0 * cos(B_x x) * cos(B_y y) * cos(B_z z)

wobei B^2 = B_x^2 + B_y^2 + B_z^2 und B_x,y,z = PI / a,b,c wobei a, b und c die Kantenlängen sind (PI ist natürlich die Kreiszahl 3.14159...). Die Konstante F_0 ist die Flussdichte im Reaktorzentrum.

Man nennt B die Flusswölbung, da sie die Krümmung des Neutronenflusses F angibt, wenn man diesen als Kurve über einer der Raumachsen aufträgt. In diesem Fall hängt B nur von der Geometrie des Reaktors ab - man nennt es daher auch geometrische Flusswölbung B_g.

Du. Das ist eigenartig. Es muss doch auch eine Abhängigkeit von der physikalischen Struktur vorhanden sein.

Olga. Das ist auch so! Denk daran wie wir B ursprünglich definiert hatten: B^2 = k_inf - 1 / L^2. Diese Größe hängt ausschließlich von Materialeigenschaften ab! Man nennt sie daher auch materielle Flusswölbung B_m. Jetzt wird dir sicher klar, worin ein wichtiger Schritt des Reaktordesignprozesses besteht...

Du. Mal sehen. Wir können B einerseits aus Größe und Form des Reaktors bestimmen, indem wir die Diffusionsgleichung lösen. Andererseits berechnet es sich aus Materialeigenschaften. Das bedeutet, wir müssen Geometrie und physikalische Struktur des Reaktors so einrichten, dass beide Größen übereinstimmen. Und da die Diffusionsgleichung in unserer Form hier für statische Systeme gilt, bedeutet das, dass dann k_eff = 1 gilt!

Olga. Du bist klug.

Du. Du bist hü... äh, auch klug.

Olga. Danke. Du hättest auch das erste sagen können, aber man sagt ja, Lob der inneren Qualitäten wiegt mehr.

Du. Zusammen einen Kernreaktor designen ist eine aufregende Erfahrung.

Olga. Aber noch lange nicht so aufregend, wie ihn gemeinsam zu steuern.

Du. Wie funktioniert das?

Olga. Die Kettenreaktion muss über den Neutronenfluss gesteuert werden. Dazu nutzt man Materialien, die geeignet sind, Neutronen einzufangen: Bor, Silber, Cadmium, Hafnium oder Gadolinium. Für kurrzeitige Steuerung nutzt man Steuerstäbe, die in den Reaktor eingefahren werden. Langfristig wird der Reaktor geregelt, indem Neutronengifte (Materialien mit hohem Absorptionsquerschnitt) dem Kühlmittel oder Spaltstoff begemischt werden. Dies ist nötig, da ein frisch mit Spaltstoff beladener Reaktor natürlich eine höhere Reaktivität aufweist als einer, in dem schon viele Kerne gespalten wurden und der Brennstoff mit Spaltprodukten angereichert ist. Um dies auszugleichen, gibt man dem frisch beladenen Reaktor Absorber bei, die entweder mit der Zeit entfernt werden (z. Bsp. Bor im Primärkreislauf von Druckwasserreaktoren) oder aber von selbst durch Neutroneneinfang "abbrennen" (z. Bsp. Gadolinium im Brennstoff von Siedewasserreaktoren).

Interessant ist übrigens, dass Kernreaktoren nur steuerbar sind, weil ein Teil der Spaltneutronen nicht direkt bei der Spaltung, sondern einige Sekunden später, von den Spaltprodukten emittiert wird. Obwohl diese verzögerten Neutronen nur wenige Prozent der gesamten Neutronenanzahl ausmachen, wird durch sie das System so träge, dass sich typische Reaktionszeiten von einigen Minuten einstellen, die bequem mechanisch nachregelbar sind. Moderne Reaktorentwürfe, z. Bsp. der Hochtemperaturreaktor, sind noch "zahmer", d.h. sie reagieren noch wesentlich langsamer auf Änderungen der Betriebsbedingungen.

Du. Wie wird die Energie denn nun aus dem System abtransportiert? Ich erinnere mich, mal etwas von Kühlkreisläufen gehört zu haben...

Olga. Genau. Die meisten heutigen Kernkraftwerke benutzen ganz normales Wasser sowohl als Kühlmittel wie auch als Moderator. Die Wasserstoffatome im Wasser sind zum Abbremsen von Neutronen besonders gut geeignet, weil die Stoßprozesse umso mehr kinetische Energie im Mittel übertragen, je leichter der Stoßpartner des Neutrons ist. Man unterscheidet Druck- und Siedewasserreaktoren. Druckwasserreaktoren haben zwei Kreisläufe: Einen Primärkreislauf, der die Energie aus dem Reaktor entfernt, und einen Sekundärkreislauf, der die Wärme aus dem Primärkreislauf aufnimmt, dadurch verdampft und die Turbine (und dadurch den Generator) treibt. Damit der Primärkreislauf nicht selbst siedet, steht er unter erhöhtem Druck. Bei Siedewasserreaktoren verdampft das Wasser dagegen im Reaktor selbst, es existiert nur ein einziger Kreislauf. Die Energie lässt sich so mit geringeren Verlusten übertragen, das System hat jedoch den Nachteil, dass die Turbine radioaktiv wird.

Manche Reaktoren arbeiten auch mit schwerem Wasser - mit Deuterium (Kern: ein Proton, ein Neutron) statt Wasserstoff. Schweres Wasser absorbiert viel weniger Neutronen als gewöhnliches, so dass man solche Reaktoren sogar mit Natururan, in dem das fissile U235 nur 0.7% ausmacht, betreiben kann. Ein Beispiel ist das CANDU (CANadian Deuterium Uranium)-System. In gewöhnlichen Leichtwasserreaktoren dagegen muss das U235 auf einige Prozent angereichert werden, damit eine Kettenreaktion überhaupt möglich ist.

Da die Dichte des Wasser sinkt, wenn die Temperatur steigt, sinkt dann auch die Moderation und damit die Reaktionsrate. Man sagt, der Reaktor hat einen negativen Dampfblasen- oder VOID-Koeffizienten, er reguliert sich selbst. Reaktoren mit dieser Eigenschaft (die sie in Deutschland haben müssen um zulassungsfähig zu sein) sind daher schon sehr sicher. Systeme der nächsten Generation dürften jedoch noch sicherer sein.

Auch mit Gasen kann man Reaktoren kühlen. In Großbritannien werden kohlendioxidgekühlte Systeme eingesetzt, Hochtemperaturreaktoren nutzen Helium. In diesen Fällen dient Graphit als Moderator.

Schnelle Brüter dagegen benötigen Kühlmittel mit möglichst großer Kernmasse, damit die Neutronen, die hier ja nicht moderiert werden sollen, bei den Stoßprozessen möglichst wenig Energie verlieren. Daher nutzt man Natrium zum Kühlen, oder auch flüssiges Blei. Brüter wurden allerdings noch nicht sehr häufig gebaut.

Du. Diese Brüter hast du schon einige Male erwähnt. Das sind die, die auch das in normalen Reaktoren wertlose U238 nutzen, ja?

Olga. Oder Thorium 232! Die Idee ist, dass während der Kettenreaktion durch Neutroneneinfang aus fertilem Material neues fissiles nachproduziert wird. Man kann entweder U233 als Spalt- und Th232 als Brutstoff nutzen, oder aber Plutonium 239 als Spalt- und U238 als Brutstoff. Da das jeweils eingefangene Neutron ja dann für die Kettenreaktion fehlt, ist eine besonders hohe Neutronenausbeute nötig damit der Reaktor kritisch werden kann. Während das im Fall von U233/Th232 bereits im thermischen Bereich funktioniert, ist für Pu239/U238 die Neutronenausbeute nur im schnellen Spektrum hoch genug. Daher darf hier nicht moderiert werden.

Du. Und bei den üblichen Reaktoren wird das eigentlich wertvolle U238 einfach weggeworfen... Schade dass bisher kaum Brüter genutzt werden.

Olga. Nunja, technisch sind Brüter schon bedeutend anspruchsvoller als thermische Reaktoren, vor allem wegen der starken Neutronenflüsse. Es existieren aber viele realistische Entwürfe für zukünftige Kernreaktoren die die Bruttechnologie nutzen und dadurch auch vorhandenen Kernmüll wegspalten können.

Du. Der Kernmüll wird ja von vielen als großes Problem angesehen... woraus besteht er eigentlich?

Olga. Bei den üblichen thermischen Reaktoren natürlich vorwiegend aus ungenutztem U238. Dazu kommen Spaltprodukte - viele verschiedene Sorten leichterer Kerne in die das U235 zerplatzt ist - sowie Plutonium und Transurane, die durch Neutroneneinfang entstehen. Die Spaltprodukte sind anfangs stark radioaktiv, zerfallen aber auch recht rasch. Die Transurane sind für die langfristige Radioaktivität verantwortlich, die Jahrtausende anhält. Aber Reaktoren der nächsten Generation könnten diese Transurane schon bald in viele nützliche Terawattstunden verwandeln...

Dazu im zweiten Teil mehr! Stay tuned!

Realleistung statt Nennleistung - die mangelnde Transparenz von Windkraftfirmen

Um Prof. Harald Lesch - der dies in einem anderen Zusammenhang sagte - zu zitieren: "Ich hab 'nen dicken Hals!"

Warum ich das habe?

Ich bin kein Freund davon, wenn Menschen über wichtige Daten und Zusammenhänge falsch informiert werden. Vor allem dann nicht, wenn die Fehlinformation sich hinter einer richtigen Information verbirgt, die viele jedoch mangels Vorwissen nicht richtig zu deuten verstehen.

Worum es geht? Um Windparks.

Schauen wir uns den Webauftritt des deutschen Offshore-Parks Alpha Ventus an: Fact Sheet.

Auf Seite 3 lesen wir wörtlich: "Mit einer Nennleistung von jeweils 5 Megawatt und einer entsprechenden Gesamtleistung von 60 Megawatt wird ein jährlicher Energieertrag von ca. 220 Gigawattstunden erwartet."

5 Megawatt Nennleistung je Turbine, insgesamt 60 Megawatt (12 Turbinen). Das klingt doch nicht schlecht!

Der jährliche Energieertrag soll 220 GWh betragen. Eine Gigawattstunde sind 3.6 * 10^12 J, und Leistung ist gleich Energie pro Zeit. Wir können also den Energieertrag durch ein Jahr (3.16 * 10^7 s) teilen, und erhalten so die Leistung im Zeitdurchschnitt, die wir mit <P> bezeichnen wollen.

Wir erhalten:

<P> = 220 * 3.6 * 10^12 J / 3.16 * 10^7 s = 25.06 MW

Hey! Das ist ja nicht mal die Hälfte der Nennleistung von 60 MW.

Dem Techniker ist sofort klar, worauf diese Diskrepanz zurückzuführen ist. Die "Nennleistung" ist keinesfalls die Leistung, die ein Kraftwerk im Zeitdurchschnitt liefert. Sondern vielmehr die, die es unter optimalen Bedingungen freisetzt. Bei Windkraftanlagen bedeutet das, das der Wind mit optimaler Geschwindigkeit bläst - weder zu schnell, noch zu langsam (oberhalb eines gewissen Grenzwertes müssen die Rotoren nämlich abgeschaltet werden, um Strukturschäden zu vermeiden). Aber das tut er natürlich nicht andauernd. Mal herrscht Flaute, mal bläst der Wind stark, mal schwach - der Output einer WKA schwankt ständig. Nennleistung erreicht sie nur wenn die entsprechenden Bedingungen gegeben sind.

Aus diesem Grund ist die Nennleistung für die Energieversorgung völlig uninteressant. Worauf es ankommt, ist, welche Leistung im Zeitmittel ins Netz eingespeist wird: Die gesamte über einen längeren Zeitraum freigesetzte elektrische Energie dividiert durch diesen Zeitraum (z. Bsp. ein Jahr). Das ist die Information, die wirklich etwas über den Nutzen der Anlage aussagt. Ich kann eine wunderbare WKA mit hoher Nennleistung an einem fast windstillen Ort aufstellen, und habe fast nichts davon, da sie dauernd stillsteht oder zu langsam läuft, und die Durchschnittsleistung deshalb sehr klein ist.

Ingenieure benutzen auch den Begriff "Volllastbetriebsstunden", um die reale Leistung eines Kraftwerks zu quantifizieren. Dies ist die Anzahl Stunden, die es bei Nennleistung arbeiten müsste, um die pro Jahr tatsächlich erzeugte Energie freizusetzen. Sie errechnet sich aus der Formel:

VBh = Energie(Jahr) / Nennleistung.

Bei Alpha Ventus erhält man:

VBh = 220 * 3.6 * 10^12 J / (60 * 10^6 W * 3600 s/h) = 3667 h.

Ab 1500 h erhalten die Betreiber Zuschüsse laut Erneuerbare-Energien-Gesetz.

Aus diesem Grund stört es mich, wenn Windparkbetreiber in ihren Broschüren vollmundig die Nennleistung ihrer Anlage verkünden, und die wirklich wichtige Information - die Durchschnittsleistung - etwas versteckt in Form des jährlich freigesetzten Energiebetrages angeben. Für einen Physiker oder Ingenieur ist das völlig verständlich, aber ein Journalist, der nicht viel über Physik und Technik weiß, und die Broschüre zur Hand nimmt, liest nur "60 MW", denkt "wow!", und macht sich nicht klar, dass die eigentlich Leistungsfähigkeit der Anlage viel geringer ist.

Wie alle klassischen Erneuerbaren, ist Windenergie sehr diffus - sie braucht viel Platz. Deshalb kann es nützlich sein, die Flächenleistungsdichte (W/m^2) für sie zu berechnen. Das ist einfach, aber interessant:

WKA wandeln die kinetische Energie bewegter Luft in elektrische Energie um. Wir berechnen daher zuerst die Energiedichte Q der Windströmung - die Menge an kinetischer Energie, die pro Volumen in der Luft enthalten ist:

Q = 1/2 * rho * v^2

v ist die Windgeschwindigkeit, rho die Luftdichte. Sie liegt auf Meereshöhe bei 1.3 kg / m^3.

Multiplizieren wir Q nochmal mit der Windgeschwindigkeit, erhalten wir den Leistungsfluß F pro Fläche - die Menge an kinetischer Energie, die pro Sekunde durch einen Querschnitt von einem Quadratmeter hindurchtritt:

F = Q*v = 1/2 * rho * v^3

Der Rotor der Windturbine deckt eine Fläche von A = r^2 * PI ab, wenn r ihr Radius (die Blattlänge) ist. PI=3.14159... ist natürlich die bekannte Kreiszahl. Das Produkt von A und F ergibt dann die von der WKA maximal einsammelbare Leistung:

P_max = A * F = 1/2 * PI * rho * v^3 * r^2

Moderne WKA erreichen einen Wirkungsgrad von 50%. Die umgesetzte elektrische Energie berechnet sich daher zu:

P_el = 1/4 * PI * rho * v^3 * r^2.

Man sieht, dass die Leistung stark mit dem Rotordurchmesser wächst, und noch viel stärker mit der Windgeschwindigkeit.

Sollen nun viele WKA zusammen einen Windpark bilden, dann müssen sie in einem gewissen Abstand zueinander aufgebaut werden, da sie sich sonst gegenseitig "den Wind aus den Segeln nehmen". Als Faustregel sollte der Abstand zwischen den WKA das Zehnfache ihres Rotor-Radius' betragen. Jede WKA hat damit ein aerodynamisches "Hoheitsgebiet" von 100 r^2. Die effektive Flächenleistungsdichte eines Windparks beträgt:

D = P_el / (100 r^2) = 1/400 * PI * rho * v^3.

Der Rotorradius kürzt sich heraus! Es ist damit auf den ersten Blick egal, ob man einen Windpark aus großen oder kleinen WKA aufbaut. Große sind aber dennoch sinnvoller, da sie zum einen höher hinaufreichen und schnellere Windströmungen auffangen, zum anderen wird das Baumaterial für die Anlagen so effizienter verwertet. Eine ganz ungünstige Idee sind übrigens Mini-WKA auf Dächern, da der Wind über Siedlungen stark abgebremst wird. Man setzt Arbeit und Material viel nutzbringender ein, wenn man sie in große WKA an windreichen Stellen investiert - zum Beispiel offshore.

Um einen konkreten Zahlenwert zu berechnen, müssen wir nur die die typischen Windgeschwindigkeiten in Erfahrung bringen. Das Internet spuckt diese Information selbstverständlich aus: Windkarte.

Wir sehen, dass in der norddeutschen Tiefebene die mittlere Windgeschwindigkeit zwischen 4 und 5 Meter pro Sekunde liegt, direkt an der Küste bei über 6. Nehmen wir v_onshore = 5 m/s und v_offshore = 9 m/s, so erhalten wir:

D_onshore = 1.3 W / m^2

und

D_offshore = 7.4 W / m^2.

Wollte jeder Deutsche also seinen gesamten Primärenergieverbrauch von rund 6000 W allein aus Windenergie bestreiten, so müsste er rund 4600 m^2 auf dem Land (und zwar an den windigsten Stellen), oder 810 m^2 auf dem Meer abdecken. Alle 80 Millionen zusammen würden 64.8 * 10^9 Quadratmeter Meer benötigen, bzw. 64800 Quadratkilometer - z. Bsp. einen 65 km breiten und 1000 km langen Streifen. Zu dumm, dass wir Deutsche eine so kurze Küste haben... aber es gibt ja noch andere mögliche Aufstellorte für WKA!

Zeit für einen Reality-Check! Liefern unsere Formeln die richtigen Ergebnisse für reale Windparks? Laut Broschüre hat den Alpha Ventus eine Fläche von 4 km^2 = 4 * 10^6 m^2. Das ergibt:

D_alphaventus = 25 * 10^6 W / 4 * 10^6 m^2 = 6.25 W / m^2.

Das stimmt recht gut mit unserer obigen Abschätzung überein.

Googeln wir uns zum Spaß einen anderen Offshorepark (Liste). Nehmen wir den britischen Barrow Offshore Windpark. Der jährlich Output von 305 GWh = 1.1 * 10^15 J entspricht einer Durchschnittsleistung von <P> = 1.1 * 10^15 J / 3.16 * 10^7 s = 34.7 MW - etwas mehr als ein Drittel der auf der Homepage unschuldig und irreführend als "Total Ouput" bezeichneten 90 MW.

Der Park deckt laut Datenblatt 10 km^2 ab. Offensichtlich wurde er recht großzügig angelegt, da bei einem Rotordurchmesser von 90 m ein Platzbedarf pro Turbine von (5 * 90 m)^2 = 202 500 m^2, bzw. für 30 Turbinen insgesamt 30 * 202 500 m^2 ~ 6 km^2 entsteht.

Auf 10 km^2 verteilt entspricht die Flächenleistungsdichte:

D_bowind = 34.7 * 10^6 W / 10 * 10^6 m^2 = 3.47 W / m^2.

Würde man die WKA auf 6 km^2 zusammenpacken, ergäbe sich:

D_bowind_eng = 34.7 * 10^6 W / 6 * 10^6 m^2 = 5.8 W / m^2.

Alle Briten zusammen (61.8 Mio) würden bei einem Individualverbrauch von 6000 W damit 64000 Quadratkilometer "optimal gepackten" Offshore-Windpark benötigen - allerdings unter der Annahme, dass der Wind überall so stark ist wie bei Barrow Offshore, was insbesondere in Buchten sicher nicht der Fall ist. Da die britische Küste fast 3000 km lang ist, würde es genügen, die ganze Insel mit einem geschlossenen, 16 km breiten Windparkstreifen zu umgeben, was natürlich weder sinnvoll noch realistisch ist (Schiffe, Fischerei, Meeresvögel...). Auch die Briten werden wohl windreiche, nordwestafrikanische Küsten anzapfen müssen, wenn sie große Mengen Windenergie möchten.

Langer Rechnung kurzer Sinn: Die Datenangaben auf den Homepages von Windparkbetreibern dürften für sehr viele Bürger irreführend sein, da nur relativ wenige die Bedeutung von "Nennleistung" kennen und der Begriff "Total Output" komplett in die Irre führt. Meine Idee wäre daher, dass solche Firmen gleich auf die Begrüßungsseite ihres Webauftritts eine schöne große Anzeige stellen sollten, die die real erzeugte Leistung in Echtzeit angibt, sowie eine Meßkurve, die sie als Zeitfunktion über die letzten 12 Monate (oder länger) darstellt. Dann wüssten alle sofort Bescheid und könnten sich ein realistisches Bild machen. Und anstatt den sperrigen Begriff Durchschnittsleistung zu verwenden, könnte man von "Realleistung" sprechen. Das klingt einprägsam und vermittelt die richtige Idee!


Weblinks

Physik der Windkraftanlage bei "Without hot Air"

Die Piratenpartei und die Kardaschowskala

Jeder hat schon den Begriff "Energie" gehört. Aber die wenigsten wissen genau, was damit gemeint ist. Es ist von der "Energiewende" die Rede, die Grünen fordern auf einem Wahlplakat eine neue "Energiekultur", jedoch vermögen viele nicht genau zu sagen, was der Begriff bedeuten soll. Energie - das hat etwas mit Elektrizität zu tun, mit Autos und Flugzeugen, mit Heizungen und Wasserkochern, man benötigt sie in Fabriken und in der Landwirtschaft - aber worum handelt es sich genau? Ist es eine Art Äther, der alles durchdringt? Oder eine Form von Schwingungen oder Vibrationen, die in materiellen Körpern drinsteckt? Solche Spekulationen gehen manchen durch den Kopf, wenn sie über den Begriff Energie nachdenken.

Was Energie genau ist, kann man sich am besten veranschaulichen, wenn man sich überlegt, was man damit anstellen kann: Zum Beispiel ein Auto von 0 auf 100 km/h beschleunigen. Oder ein schweres Klavier in die vierte Etage eines Wohnhauses hinauftragen. Im ersten Fall wird der Bewegungszustand eines Körpers geändert - die Geschwindigkeit des Autos erhöht sich. Im zweiten Fall wird ein Objekt entgegen eines Kraftfeldes - der Schwerkraft - bewegt: Die Gravitation der Erde zieht das Klavier nach unten (zum Erdkern hin), transportiert man es hinauf, wirkt man der Gravitation entgegen.

Energie ist die Fähigkeit, eine träge (der Geschwindigkeitsänderung widerstehende) Masse zu beschleunigen, oder eine schwere (der Gravitation unterliegende) Masse entgegen der Gravitation zu bewegen. Letzteres kann man auf alle Naturkräfte verallgemeinern: Um einen Körper gegen ein Kraftfeld, das auf ihn wirkt, zu verlagern, muß man Energie aufwenden.

Potentielle Energie am Beispiel einer Feder.

Um sie zusammenzudrücken, muss man eine Kraft auf sie ausüben,

da man der inneren Spannkraft der Feder entgegenwirken muß.

Die Spannkraft der Feder resultiert aus elektrischen Kräften zwischen ihren

Atomen. Die nach dem Zusammendrücken in der Feder gespeicherte Energie

berechnet sich zu E = F*s, wobei F die Kraft und s die Strecke ist,

um die die Feder komprimiert wurde.

Übrigens sind nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie träge Masse und schwere Masse identisch, was in vielen Experimenten bestätigt wurde. Manche Physiker vermuten allerdings, dass es vielleicht doch ganz geringfügige Abweichungen geben könnte.

Energie zur Veränderung des Bewegungszustands eines Körpers nennt man kinetische Energie, zur Bewegung entgegen eines Kraftfelds potentielle. Letztere wird natürlich noch nach den vier verschiedenen Naturkräften unterschieden: Gravitations- oder Lageenergie, elektromagnetische Energie, radioaktive Zerfallsenergie (bedingt durch die Schwache Kraft) und Kernenergie (durch die Starke Kraft).

Chemische Energie ist auch elektromagnetische Energie: Die Energie, die frei wird, wenn wir ein Brötchen mit Schwarzwälder Schinken essen oder wenn ein Holzscheit im Kamin verbrennt, beruht auf der Umlagerung von negativ geladenen Elektronen in den positiven elektrischen Feldern der Atomkerne. Wärmenergie ist mikroskopische kinetische Energie: Sie beruht auf dem ungeordneten, statistisch verteilten "Gezappel" von Molekülen oder Atomen. Strahlungsenergie beruht, ebenso wie die chemische, auf der elektromagnetischen Wechselwirkung: Werden Ladungsträger beschleunigt (z. Bsp. in einer Antenne), wird das elektromagnetische Feld in ihrer Umgebung "gefaltet", und diese Falten breiten sich als Wellen (Licht, Radio, Röntgen, usw.) aus.

Einstein zeigte, dass Energie stets mit der Masse verknüpft ist: Gewinnt ein System Energie, so wächst auch seine Masse nach der berühmten Formel E=mc^2.

Um Energie nutzbar zu machen - was ganz einfach bedeutet, sie von einem System (z. Bsp. Akkumulator) zu einem anderen (z. Bsp. Glühbirne) zu transportieren - muss immer ein Energiegefälle vorhanden sein. Das Zielsystem muß weniger Energie aufweisen als das Quellsystem. Damit eine Windkraftanlage sich drehen kann, muß der Wind von einem Ort mit hohem Luftdruck (viel Energie) zu einem mit geringem Luftdruck (weniger Energie) strömen. Damit ein Fluß eine Turbine in Bewegung setzen kann, muß er aus der Höhe hinabströmen. Um ein Feuer zu entzünden, benötigt man Brennmaterial mit hoher Konzentration an chemischer Energie, das umgewandelt wird in Asche und Verbrennungsgase mit weniger Energie. Die Differenz wird als Licht und Wärme frei, denn Energie bleibt immer erhalten, sie verschwindet nie und kann nicht aus dem Nichts erschaffen werden - sie nimmt nur unterschiedliche Formen an. Am Schlußpunkt jeder Energieumwandlung steht dabei stets die Wärme. Jegliche Energie verteilt sich zuletzt auf die mikrokopischen Schwingungen der Materieteilchen, sie wandelt sich vollständig in Wärme um. Der Rückweg funktioniert nicht: Wärme lässt sich prinzipiell nur teilweise in andere Energieformen verwandeln!

Energieumwandlung am Beispiel eines Wasserkraftwerks.

Die potentielle Energie des Wassers im Stausee wird beim

Hinabströmen in Bewegungsenergie (kinetische Energ.)

verwandelt. Im Kraftwerk wird elektrische Energie

(und Wärme) daraus.
Bei der Anlage im Bild handelt es sich übrigens um ein
Pumpspeicherwerk, dass auch "verkehrt herum" arbeiten
kann: Mit elektrischer Energie wird das Wasser hinaufgepumpt,
wodurch Energie für späteren Verbrauch gespeichert wird.

In esoterischen Kreisen taucht zuweilen der Begriff "freie Energie" auf - eine mysteriöse Energieform, die überall im leeren Raum vorhanden sein soll. Nach der Quantenelektrodynamik stimmt das sogar: Im Vakuum entstehen und vergehen dauernd virtuelle Teilchenpaare, denen man eine gewisse Energie zuordnen kann. Diese ist allerdings leider nutzlos - da sie überall gleichmäßig vorhanden ist, existiert kein Energiegefälle, man kann sie nicht "anzapfen" um damit nützliche Arbeit zu verrichten!

Die Einheit der Energie is das Joule (Formelzeichen J). Es gibt die Energie an, die man braucht, um eine Masse von 1 kg auf 1 m/s zu beschleunigen, oder es im Erdschwerefeld 10.2 cm hoch zu heben. Wird eine gewisse Energie in einer bestimmten Zeit verbraucht, kann man diesen Verbrauch als "Leistung" ausdrücken: Energie pro Zeit. Die Leistungseinheit ist das Watt: 1 W = 1 J / s. Ein Wasserkocher mit einer Leistung von 1000 W setzt also 1000 J an thermischer Energie pro Sekunde frei.

Energie ist für alle Lebensprozesse nötig, daher müssen Lebewesen Nahrung aufnehmen und Gase einatmen. Auch jeder Rechenprozess, jeder industrielle Produktionsvorgang, jeder Transport und jeder Informationsaustausch benötigt eine bestimmte Energiemenge. Daher ist der Energieverbrauch der Menschheit im Laufe der Geschichte immer weiter angestiegen. Er liegt zur Zeit weltweit bei 1.5*10^13 Watt. Diese Leistungsaufnahme ist jedoch nicht gleichmäßig verteilt. Durchschnittlich entfallen auf jeden Menschen (Gesamtzahl rund 7 Milliarden) ungefähr 2000 W. In den Industriestaaten ist der pro-Kopf-Verbrauch jedoch überproportional höher: Ein Deutscher nimmt rund 6000 W auf, ein US-Amerikaner fast 11000 W. In den Vereinigten Arabischen Emiraten verbraucht jeder sogar über 20000 W. In einem Drittweltland in Afrika dagegen beträgt der durchschnittliche Individualverbrauch nur 465 W.

Steigerung von Wohlstand und Lebensqualität sowie wissenschaftlich-technischer Fortschritt und Erhöhung der industriellen Produktion sind stets mit einem Anwachsen des Energieverbrauchs verbunden. Energiesparende Erfindungen wie Wärmepumpen (als Ersatz für ineffiziente Gasheizungen) oder Elektroautos vermögen zwar den Energieverbrauch momentan zu drosseln, wenn die Menschheit sich jedoch weiterentwickeln will, wenn man allen Menschen einen hohen Lebensstandard gönnt, wenn man auf der ganzen Welt eine moderne Industrie mit hohem Automatisierungsgrad aufbauen und mit der Erschließung des Weltraums Ernst machen möchte, dann kommt man nicht darum herum, noch wesentlich höhere Energieflüsse als heute bereitzustellen. Eine grobe Richtlinie könnte sein, zehn Milliarden Menschen einen pro-Kopf-Verbrauch von 10000 W zuzusprechen: Dies ergibt einen weltweiten Leistungsumsatz von 10^14 W - rund 6.7 mal mehr als heutzutage.

Energieverbrauch in den Vereinigten Staaten im Laufe der Zeit, aufgeschlüsselt

nach verschiedenen Energieträgern. Der starke Gesamtanstieg (leicht rückläufig

in den 70ern durch die Ölkrise) ist deutlich erkennbar. Die Energieeinheit Btu

(British Thermal Unit) entspricht 1055.06 J. Eine amerikanische "Quadrillion"

bedeutet 10^15. Auf der y-Achse ist der jährliche Energieverbrauch aufgetragen.

Das knifflige besteht nun darin, diese Leistung aus Ressourcen herauszuziehen, die zum einen nicht im Laufe des 21. Jahrhunderts erschöpft sein werden, und zum anderen die Atmosphäre nicht mit dem Klimagift Kohlendioxid anreichern.

Prinzipiell vermag dies die Solarenergie zu leisten. Bedeckt man in der Sahara 6.7 Mio km^2 mit Solarkraftwerken (bei einer Flächenleistungsdichte von 15 W/m^2), dann erhält man insgesamt 10^14 W. Man führe sich jedoch vor Augen, dass dies fast zwei Drittel der Fläche Europas sind!

Natürlich wird man nicht den gesamten Weltenergieverbrauch aus der Sahara heraus bestreiten. Nordamerika hat im trockenen Südwesten der USA riesige Flächen, die für Solarkraftwerke in Frage kommen, Südamerika die Atacama und die patagonische Wüste, Ostasien die Wüste Gobi, Ozeanien die australische Wüste. Photovoltaik lässt sich - im Gegensatz zu Photothermik - auch an Orten mit überwiegend diffuser Lichteinstrahlung, z. Bsp. in Mitteleuropa, nutzen. Hinzu kommen noch substantielle Beiträge von Windkraftanlagen, sowie kleinere von Wasserkraft, Gezeiten, Wellen, Meeresströmungen, Biomasse und Erdwärme. In tropischen Gewässern kann eventuell auch OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion - quasi die Nutzung des Meeres als riesige Solarthermikanlage) zum Einsatz kommen.

Das DESERTEC-Projekt.

Je nach Region sind unterschiedliche erneuerbare Energiequellen optimal.

Daher soll ein großes interkontinentales Netz entstehen, das die Quellen

miteinander verbindet und den Strom in die Ballungszentren leitet.

Die komplette Versorgung der Menschheit auf hohem Niveau aus klassischen erneuerbaren Quellen ist daher theoretisch möglich - die Betonung liegt allerdings vorläufig auf "theoretisch". Riesige Solarkraftwerke und Windparks bauen sich nicht von heut auf morgen. Dazu sind gewaltig Mengen an Rohstoffen, sowie unzählige Arbeitsstunden von Menschen auf der ganzen Welt nötig. Im Vergleich wirkt das Apollo-Mondprogramm der NASA wie ein kleines Divertissement. (Der Vergleich ist allerdings problematisch: Bei Apollo floss der größte Arbeitsaufwand in Forschung und Entwicklung, die Materialkosten waren dagegen vernachlässigbar. Eine weltweite Komplettumstellung auf erneuerbare Energien würde dagegen vor allem aus dem Aufbau von Anlagen auf Basis bereits fertigentwickelter Technologien bestehen.)

Bis die nötigen Anlagen und die zugehörige Infrastruktur (Hochspannungsleitungen, Zufahrtstrassen zur Wartung, Ersatzteillager, Unterbringungen für das Bedienpersonal usw.) gebaut sind, sollten wir also nach anderen Wegen suchen, viel Energie bereitzustellen und gleichzeitig das Klima zu schützen. Sofern man nicht auf die fragwürdige CCS-Technologie zurückgreifen möchte (in den Boden gepresste Kohlendioxidlagerstätten sind nicht jedermanns Sache - meine auch nicht), vermag dies nur die Kernenergie zu leisten.

In Deutschland stellt sich den meisten Leuten das Nackenhaar auf, wenn sie das Wort "Kernkraftwerk" hören. Kernenergie erscheint gradezu als das Sinnbild gefährlicher, umweltschädlicher Technologien. Man verweist auf die drei bisher erfolgten großen Unfälle - Three Mile Island, Tschernobyl und Fukushima - und darauf, dass niemand wüßte wohin mit den radioaktiven Abfällen. Diese Einwände vernachlässigen aber, dass alle unsere Reaktoren noch aus den 70er und 80er Jahren des vorigen Jahrhunderts stammen. Neukonstruktionen und wesentliche Weiterentwicklungen wurden seither nicht mehr vorgenommen. Die Risiken der Kernkraft sind somit ein hausgemachtes Problem: Hätte man, anstatt sich bei den ersten Anzeichen für technische Risiken entsetzt von der Technologie abzuwenden, konsequent neue, sicherere Reaktorkonzepte - z. Bsp. den Hochtemperaturreaktor (HTR) - erforscht, würden viele der gegen die Kernenergie vorgebrachten Bedenken gegenstandslos werden. Es existieren Entwürfe für inhärent sichere Reaktoren, bei denen der Super-GAU rein physikalisch unmöglich ist: Außer dem schon erwähnten HTR existiert auch der Thoriumfluoridreaktor, der zur Zeit vor allem in Indien erprobt wird, und der bislang allerdings nur als Entwurf vorliegende Laufwellenreaktor. Die beiden letzteren können sogar im Normalbetrieb mit Atommüll "gefüttert" werden und diesen unter Energieausbeute in kurzlebigere Nuklide transmutieren. Würde man also auf die Risiken der Kerntechnik nicht mit Paranoia, sondern rational reagieren, und umfangreiche Forschungsanstrengungen in die Entwicklung von Kernkraftwerken der IV. Generation investieren, bei denen die Risiken stark vermindert sind oder gar nicht auftreten, dann würde man über eine starke, klimaneutrale Energiequelle verfügen, die uns helfen könnte, viele Menschen auf der Erde mit elektrischer Enerie zu versorgen, ohne dass dabei das Weltklima noch weiter durch CO2-Ausstoß destabilisiert wird.

Viele werden nun einwenden: Schön und gut, aber ist Uran denn nicht auch eine sehr begrenzte Ressource? Reichen die Vorräte denn wesentlich weiter als Öl und Kohle? Die Antwort ist überraschend: Uranerze sind zwar recht begrenzt vorhanden, es existiert jedoch eine zweite Quelle, in der wesentlich größere Vorräte enthalten sind. Es handelt sich um das Meer.

Im Meerwasser sind insgesamt rund 4.5 Milliarden Tonnen Uran gelöst. In Japan wurden bereits Extraktionsanlagen getestet, die dieses Uran herausziehen können. Die heutzutage vorhandenen Kernkraftwerke verbrauchen rund 50000 Tonnen Uran pro Jahr. Stellt man also nur 10% des Meerwasser-Urans zur Verfügung, so könnte man sie damit 9000 Jahre lang betreiben. Allerdings setzen sie zusammen nur etwa 370 GW (370 Milliarden Watt) frei. Aufgeteilt auf 10 Milliarden Menschen ergibt dies nur 37 W pro Mensch - nicht wirklich viel. Bei einer Verzehnfachung auf 370 W pro Mensch wäre man immerhin noch 900 Jahre lang im Rennen. Es existieren jedoch auch sogenannte Brüter, die nicht nur Uran 235 wie die gewöhnlichen Kernkraftwerke nutzen, sondern auch das Uran 238, welches über 99% des natürlich vorkommenden Urans ausmacht. Sie wandeln es in spaltbares Plutonium 239 um, und erreichen so eine Steigerung der Energieausbeute um einen Faktor 60. Damit ließen sich zehn Milliarden Menschen 1000 Jahre lang mit pro Kopf über 10700 W versorgen, wenn 10% des Meeresurans nutzbar gemacht werden.

Der Thoriumfluoridreaktor benutzt dagegen, wie sein Name schon sagt, als Ausgangsbrennstoff kein Uran, sondern das dreimal häufigere Element Thorium. Die wirtschaftlich abbaubaren Ressourcen werden weltweit auf 6 Millionen Tonnen geschätzt (im Meer befindet sich keines, da Thoriumoxid kaum wasserlöslich ist). Ein 1 GW-Thoriumreaktor verbraucht rund 6 Tonnen pro Jahr. Ähnlich wie in einem Uran-Brutreaktor wird dabei der Brennstoff fast vollständig umgesetzt. Verteilt man die Thoriumvorräte auf 1000 Jahre und zehn Milliarden Menschen, ergeben sich 100 W pro Person, bei einer Nutzungszeit von 100 Jahren 1000 W. Die 6 Millionen Tonnen sind allerdings mit hoher Wahrscheinlichkeit zu gering geschätzt, da bislang kaum nach Thoriumlagerstätten gesucht wurde. Auch schlug der Nobelpreisträger Carlo Rubbia vor, einen durch einen Teilchenbeschleuniger verstärkten Thoriumreaktor zu konstruieren. Mit diesem würden 6 Millionen Tonnen Thorium 614 W über 1000 Jahre pro Person liefern. Rubbia vermutet auch, dass rund 300 mal mehr Thorium aus der Erdkruste abgebaut werden kann als die bekannten 6 Millionen Tonnen. Falls er recht hat, ließen sich über 18000 W pro Person 10000 Jahre lang bereitstellen.

Zu all diesem kommen noch die vorhandenen Atommüllvorräte hinzu, die von Thoriumreaktoren (und einigen Uranreaktorendesigns) als "Zusatzfutter" genutzt werden und so zusätzlich Energie liefern könnten.

Später, in der zweiten Häflte des 21. Jahrhunderts, wird man vermutlich auch Fusionsreaktoren bauen können, von denen prinzipiell kaum nukleare Risiken ausgehen und deren Rohstoffe im Meerwasser für menschliche Begriffe unerschöpflich sind. Gleichzeitig dürfte bis dahin die Solartechnik großflächig ausgebaut sein, möglicherweise sogar mit Solarkraftwerken im All, die ihre Energie mit Mikrowellen zur Erde schicken. Die beiden Technologien werden sich wahrscheinlich ein spannendes "Rennen" liefern - wer wird Spitzenreiter bei der Versorgung der Menschheit? Das Ergebnis dürfte nicht zuletzt auch von geografischen Gegebenheiten abhängen: Länder mit hoher Sonneneinstrahlung und viel freier Fläche - die USA, Nordafrika, China, Australien - werden vermutlich vor allem auf die Solarenergie setzen. Kleinere Staaten mit weniger nutzbarer Fläche und geringerer Einstrahlung - Mitteleuropa, Skandinavien, Japan - werden sich wohl für die Kernfusion entscheiden. Auch an Plätzen, an denen es günstig ist, viel Energie auf kleinem Raum bereitstellen zu können - z. Bsp. elektrische Stahlwerke oder elektrochemische Produktionsanlagen für Flugzeugtreibstoffe - dürfte die Fusion im Vorteil sein.

(Siehe auch: Artikel zur Kernfusion - Teil 1 / Grundlagen und Teil 2 / Technologie)

Was ergeben sich aus diesen Möglichkeiten für energiepoltische Schlußfolgerungen? Zum einen ist eine sofortige Abschaltung der Reaktoren das Letzte was man sich wünschen sollte - auf die Schnelle können sie nur durch fossile Energieträger kompensiert werden, und jede zusätzliche Tonne Kohlendioxid in der Atmosphäre ist eine Tonne zuviel. Zum anderen sollte man, anstatt von jeglicher Kerntechnik angstvoll die Finger zu lassen, in Forschungsprojekte zur Entwicklung der nächsten Generation von Kernkraftwerken investieren. Starke, kompakte, klimaneutrale Energiequellen sind unverzichtbar, um die Entwicklung der Menschheit zu fördern, die Umwelt zu schützen und den Lebensstandard in wirtschaftlich schwach entwickelten Ländern zu heben. Auch Afrika, Indien und Südamerika sollten endlich die Möglichkeit bekommen, ins Hochtechnologiezeitalter einzusteigen und ihren Bürgern ein Leben auf hohem Niveau zu ermöglichen!

Eine interessante, in diesem Zusammenhang zuweilen gestellte Frage lautet, ob denn nicht auch die Kernenergie einen verhältnismäßig hohen CO2-Footprint habe. Natürlich ist ein Kernkraftwerk an sich komplett CO2-neutral. Zur Konstruktion der Anlage sind jedoch große Mengen an Stahl und Beton nötig, deren Produktion mit Kohlendioxidausstoß verbunden sind. Man kann also die Frage stellen, in welchem Maß die Nutzung der Kernenergie auf indirektem Weg zur Freisetzung von Kohlendioxid beiträgt.

Beim Bau eines 1 GW-Kernkraftwerks werden rund 300000 t CO2 freigesetzt. Wenn man annimmt, dass der Reaktor 25 Jahre (~ 792 * 10^6 s) im Einsatz ist, ergibt sich ein Carbon-Footprint von:

3 * 10^8 kg CO2 / (10^9 W * 792 * 10^6 s) = 3.8 * 10^-10 kg CO2 /J 
= 3.8*10^-7 g CO2 / J

Dem gegenüber stehen 1.1 * 10^-4 g CO2 / J für Kohlekraftwerke - dies ist rund 290 mal mehr!

Die von Greenpeace gelobten "hocheffizienten" Gaskraftwerke setzen übrigens 5.5 * 10^-5 g CO2 / J frei - 145 mal mehr als die Kernenergie.

Das IPCC schätzt (siehe: Sims et al., 2007), dass sämtliche mit dem Leben eines Kernkraftwerks verbundenen industriellen Prozesse (Bau, Brennstoffverarbeitung, Außerdienststellung) nicht mehr als 1.1 * 10^-5 g CO2 / J freisetzen, was immer noch nur ein Zehntel des CO2-Footprints von Kohlekraftwerken und ein Fünftel dessen von Gaskraftwerken ist!

Das Gesamtverhältnis ist sogar noch besser, da bei der CO2-Berechnung bezüglich der fossilen Kraftwerke nur die reine Verbrennung einberechnet wurde, nicht die Konstruktion des Kraftwerks oder Abbau und Transport der entsprechende Rohstoffe. Grade der Transport von Kohle schlägt mit sehr hohem Energiebedarf - und damit, falls die Energie aus fossilen Trägern gewonnen wurde, CO2-Ausstoß -  zu Buche, da pro erzeugter Energieeinheit 10000 mal mehr Masse bewegt werden muß als bei Uran, wenn dieses in nichtbrütenden Reaktoren eingesetzt wird. Brüter senken die benötigte Uranmenge nochmal um den Faktor 60. Erdgas über große Strecken - z. Bsp. durch Pipelines - zu transportieren stellt ein zusätzliches Klimarisiko dar, da zufällig austretendes Methan selbst als sehr starkes Treibhausgas wirkt.

Das wahre Verhältnis CO2(nuklear) / CO2(fossil) ist also noch bedeutend geringer als hier berechnet!

Man beachte last not least, dass der mit der Kernkraft verbundene CO2-Ausstoß nicht in der Natur der Kraftwerke begründet liegt (diese setzen nämlich wie schon gesagt an sich überhaupt kein Kohlendioxid frei), sondern in der Natur der Industrien, die bei ihrer Konstruktion, Versorgung und Instandhaltung involviert sind. Wenn die beteiligten Betonwerke, Stahlwerke, Uranaufbereitungsanlagen usw. ihren Energiebedarf  aus bereits vorhandenen AKW und/oder klassischen erneuerbaren Energien decken, dann wird die Kernkraft problemlos zum Teil einer komplett kohlendioxidneutralen Energieversorgung. Die gute CO2-Bilanz von Kernkraftwerken unterliegt gewissermaßen einer positiven Rückkopplung: Je mehr Kernkraftwerke - oder klassiche erneuerbare Energiequellen - genutzt und zur Versorgung von Industrie, Transportwesen usw. eingesetzt werden, desto weniger CO2 gelangt pro Lebenszyklus eines AKWs in die Umwelt.

Die Energie- und Forschungspolitik der Grünen erscheint in diesem Licht einfach nur rückschrittlich und unverantwortlich. Nicht nur die Stromreaktoren sollen abgeschaltet werden, auch die Forschungsreaktoren stehen plötzlich auf der Kippe! Sogar gegen die Kernfusion machen grüne Politiker nun Stimmung. Man wartet beinahe auf den Tag, an dem die Grünen auch noch die Nuklearmedizin abschaffen wollen, da sie ebenfalls auf radioaktive Elemente angewiesen ist.

Aus meiner Sicht ist es besonders störend, dass viele in der Piratenpartei finden, auf den "Anti-Nuklear-Zug" aufspringen zu müssen. Die Piraten sollten, als einzige wirklich moderne und zukunftsorientierte Partei, zur Kerntechnik einen weniger hysterischen, rationaleren Zugang finden. Hochtechnologie besteht eben nicht nur aus Laptops und Solarzellen (gegen die natürlich per se nichts einzuwenden ist).

Historisch hat sich die Piratenpartei aus einer Hackerbewegung entwickelt, die sich für eine Lockerung und Neubewertung des Copyrightgesetzes für Daten im Internet stark gemacht hat. Inzwischen hat sich daraus ein politisches Konzept entwickelt, das darauf abziehlt, alles Wissen der Menschheit für jeden frei verfügbar zu machen. Hinzu kommen Ideen bezüglich der maximalen Transparenz des Staates, der Kontrolle jedes Menschen über seine persönlichen Daten, sowie des Rechts auf gesellschaftliche Teilhabe, was von manchen als Recht auf ein Bedingungsloses Grundeinkommen gedeutet wird. Basis für eine Zivilisation, in der solche Konzepte fruchten können, ist jedoch eine hochentwickelte, moderne Industrie. Man bezeichnet zwar die moderne Gesellschaft oft als "postindustrielle" oder "Informationsgesellschaft", dies vernachlässigt aber, dass die elementare Grundlage unserer Existenz die produzierenden Wirtschaftszweige sind: Computer, Generatoren, Eisenbahnzüge, Flugzeuge und andere technische Produkte müssen in Industriewerken gefertigt werden, ganz zu schweigen von elementaren Grundbedürfnissen wie Wohnraum, Kleidung und Nahrung. Damit diese in großem Umfang vorhanden sind, und die Menschen auch die Freiheit haben, die neuen technischen Möglichkeiten kreativ zu nutzen, ist eine industrielle Infrastruktur mit hohem Automatisierungsgrad notwendig. Diese erfordert wiederum starke Leistungsströme.

Daher sollten wir eine kompakte, effiziente Energiequelle nicht aus purer Furcht über Bord werfen. Auch ist die Beherrschung von Naturkräften ein kultureller Wert an sich. Das umfassende Wissen, das die Piraten allgemein zugänglich machen möchten, muß ja erstmal durch Forschung gesammelt werden. Wirklich verstanden hat man physikalische Prinzipien aber immer nur dann, wenn sie nicht nur theoretisch untersucht, sondern auch praktisch angewendet wurden. Und die Nutzung der Atomkerne stellt in gewisser Hinsicht eine Art submikroskopische "Final Frontier" dar: Es handelt sich um die kleinsten Strukturen (~ 10^-14 m), die jemals menschlicher Beherrschung zugänglich waren. Der berliner oder dresdener Forschungsreaktor sollte daher den Piraten kein Dorn im Auge sein, sondern ein Fenster in die Zukunft!

Beim Blick durch dieses Fenster sollten wir uns überlegen, wie unsere Zukunft aussehen soll! Wollen wir eine Menschheit, die in Stillstand verfallen ist, weil sie energetisch grade so über die Runden kommt, oder eine "ausbaufähige" Menschheit, die bei Bedarf immer größere Energiemengen mobilisieren kann? Ersteres mag nach dem Geschmack irgendwelcher reihenhausidyllischer Rechtskonservativer sein, aber gewiß nicht nach dem Geschmack von Piraten! Ein Pirat, egal ob nun im Sinne von Jack Sparrow oder eines digitalen Freiheitskämpfers, liebt das Abenteuer und nicht den Stillstand. Das größte Abenteuer der Menschheit ist die Forschung, und zwar insbesondere die Erforschung des Kosmos. Will man die Raumfahrt aber in größerem Umfang in Angriff nehmen, sind schwächliche chemische oder elektrische Antriebe nicht mehr das Mittel der Wahl. Um wirklich große Nutzlasten im Bereich von vielen Tausend Tonnen auf hohe Endgeschwindigkeiten zu beschleunigen, benötigt man nukleare Antriebe. Denn nur diese bieten sowohl einen hohen Spezifischen Impuls wie auch eine hohe Schubkraft (bzw. hohe Massendurchflussrate). Chemische Antriebe haben eine hohe Schubkraft (Flussrate) aber einen niedrigen spezifischen Impuls, weswegen sie zwar stark, aber nur kurzzeitig beschleunigen können. Elektrische Ionenantriebe haben einen hohen spezifischen Impuls, aber eine extrem niedrige Schubkraft, was bedeutet, dass sie zwar verhältnismäßig hohe Endgeschwindigkeiten erreichen, aber Wochen oder Monate dazu brauchen, und schon gar nicht bodenstartfähig sind. Nuleare Antriebe haben jedoch beides: Hohen spezifischen Impuls und hohe Schubkraft, weswegen sie über längere Zeit mit großer Kraft beschleunigen können. Das macht sie zur optimalen Antriebstechnik für die Raumfahrt im großen Stil.

(Siehe auch: Artikel Warum haben Raketen Stufen?)

Kein Mensch möchte seine Lebenshoffnungen nur darauf setzen, dass bald die neue PC-Generation auf den Markt kommt und die Grafik der Videospiele noch etwas lebensechter wirkt. Der Mensch möchte sich ausdehnen, forschen, erkunden, denken und Abenteuer erleben. Wir sollten der nächsten Generation kein doziles Leben zwischen Büroarbeitsplatz und Spielkonsole bescheren, sondern die Möglichkeit, die Saturnmonde aus der Nähe zu sehen!

Die Oberfläche des Saturnmondes Titan (Gemälde). Wird in Zukunft

dort eine bemannte Forschungsstation stehen? Es hängt von unseren

heutigen Entscheidungen ab.

(Siehe auch: Artikel Aufbruch in den Kosmos)

Futurologen haben für die Klassifizierung des Entwicklungsstandes von Zivilisationen die sogenannte Kardaschow-Skala eingeführt. Diese gibt an, welche Gesamtleistung eine Zivilisation nutzbar machen kann:

Typ 1: Gesamte auf einem Planeten verfügbare Leistung - rund 10^16 W.

Typ 2: Gesamte Leistung eines Sterns - 10^26 W.

Typ 3: Gesamte Leistung einer Galaxis - 10^36 W.

Carl Sagan unterteilte die logarithmische Skala noch feiner in Dekaden - so nutzt eine Zivilisation der Stufe 1.1 10^17 W, der Stufe 0.7 10^13 W, was ungefähr unserem derzeitigen Entwicklungsstatus entspricht. Bezüglich des Datenaustauschs haben wir übrigens schon Stufe 1 erreicht - durch das den ganzen Planeten umspannende Internet.

Wollte man die gesamte auf der Erde in Form von erneuerbaren Energien nutzbare Leistung sammeln, müsste man sie komplett mit künstlichen Strukturen bedecken, was natürlich nicht wünschenswert oder sinnvoll ist. Unter Nutzung der Kernfusion lassen sich jedoch entsprechende Leistungen auf viel kleinerem Raum zur Verfügung stellen. Dies würde man natürlich nicht ausschließlich auf der Erde selbst durchführen. Eine Zivilisation, die 10^16 W nutzen kann, ist mühelos dazu in der Lage, ihr gesamtes Sonnensystem und vielleicht auch nahe Exoplaneten zu kolonisieren. Die Leistung würde teils auf dem Heimatplaneten, teils in Orbitalkolonien, teils in Oberflächensiedlungen auf Planeten und Monden und im Inneren ausgehöhlter Asteroide umgesetzt werden. Das muß auch so sein, da ein derartiger Leistungsfluß auf einem einzelnen Himmelskörper diesen schnell überhitzen würde: 10^16 W, verteilt über die Erdoberfläche, entsprächen einem Heizeffekt von 20 W / m^2, 5mal mehr als die Aufheizung von 4 W / m^2, die eine Verdopplung des CO2-Gehaltes in der Atmosphäre erzeugen würde. Eine Gesamtleistung von 10^14 W ergäbe übrigens nur 0.2 W / m^2, was weniger als die durch Sonnenintensitätsschwankungen bedingte Erwärmung von 0.25 W / m^2 wäre.

Auf viele Kolonien im Kosmos verteilt wären selbst gigantische Leistungsflüsse unschädlich. Eine sehr große Anzahl von freifliegenden Habitaten könnte irgendwann die Sonne als sogenannter Dysonschwarm umgeben: Eine Wolke von Raumstationen, die (fast) die gesamte Leistung des Sterns einfängt und die Zivilisation damit zu einer vom Typ 2 macht. Wird dieses Konzept auf alle Sterne einer Galaxis angewendet, nähert man sich Typ 3. Möglicherweise benutzen dertig hochentwickelte Zivilisation allerdings ganz andere Technologien als das Einfangen von Sternstrahlung, um Energie zu gewinnen: Sie könnten beispielsweise natürliche (oder künstliche?) Schwarze Löcher anzapfen. Das Schwarze Loch selbst verschluckt zwar Masse und Energie, jede Materie, die in es hineinstürzt wird dabei aber sehr stark aufgeheizt. Dies ließe sich als Energiequelle nutzen.

Ein torusförmiger Dysonschwarm um einen Stern.

Die nutzbar gemachte Energie korrelierte im Laufe der bisherigen Geschichte stets mit dem erreichten Technologielevel. Man kann darüber spekulieren, welche Techniken in der Zukunft beim Erreichen der verschiedenen Kardaschowstufen zur Verfügung stehen werden. Kardaschow-1-Zivilisatonen verfügen sicherlich über fortgeschrittene Raumfahrt, künstliche Intelligenz und Nanotechnologie, möglicherweise auch schon über elementare Picotechnologie, die die Manipulation einzelner Protonen und Neutronen erlaubt. Dies wäre eine Weiterentwicklung unserer heutigen Nukleartechnik, wie die Nanotechnologie eine Weiterentwicklung der klassischen Chemie darstellt. Kardaschow-2-Zivilisationen dürften das Stadium der interstellaren Raumfahrt erreicht haben. Sie können womöglich Quantenteleportation an makroskopischen Objekten (Lebewesen?) durchführen, verfügen über Computer, die intelligenter als biologische Gehirne sind, können sich "uploaden" (ihr eigenes Bewußtsein in einen Computer kopieren) und experimentieren bereits mit Raumzeit-Engineering und Überlichtantrieben. Kardaschow-3-Zivilisationen würden im Vergleich mit unseren heutigen Technologien über nahezu götterartige Fähigkeiten verfügen: Stellares Engineering (Umbau von Sternen), künstliche Wurmlöcher, Überlichtflug routinemäßig, möglicherweise sogar Zeitreisen. Das Konzept lässt sich sogar bis zu noch höheren Leistungsumsätzen fortführen: Kardaschow-4-Zivilisationen bündeln die Leistung eines ganzen Galaxienhaufens (ca. 10^46 W). Sie können die Raumzeit beliebig manipulieren und künstliche Universen erschaffen, so dass sie aus unserem fliehen können, wenn irgendwann der letzte Stern ausgebrannt ist. Falls sich wirklich ein derartiges Technologielevel erreichen lässt, würde das bedeuten, dass das Bewußtsein, sobald es einmal entstanden ist, nie wieder ausstirbt! Der Gedanke, dass die Intelligenz den Wärmetot des Universums überleben kann, hat etwas außerordentlich Faszinierendes an sich.

Was sagen uns solche futuristischen Spekulationen über heutige energiepolitische Entscheidungen? Dass wir, wenn wir zu höheren technologischen Entwicklungsstufen fortschreiten wollen, uns nicht damit zufrieden geben sollten, unsere Energieversorgung auf einem bestimmten Niveau "einzufrieren", sondern nach Möglichkeiten suchen sollten, sie weiter zu erhöhen. Eine Reduktion des Energieverbrauchs kann zwar vorrübergehend eine sinnvolle Maßnahme zur Verringerung des CO2-Ausstoßes sein, mittel- und langfristig wird eine sich entwickelnde Zivilisation darauf angewiesen sein, immer mächtigere Quellen zu erschließen. Dabei werden auch Kernreaktionen fraglos eine wichtige Rolle spielen.

Und natürlich sagt uns der Blick aus der "Kardaschow-Perspektive" auch, dass wir uns nicht von jeder neuen Technologie ängstlich zurückziehen sollten, nur weil diese anfangs Risiken mit sich bringt. Um den unten verlinkten Bynaus-Artikel zu zitieren: Wo wären wir hingekommen, wenn der erste Hominide, der mit dem Feuer experimentierte, nach der ersten Brandblase aufgegeben hätte?

Dies sollte an für sich gerade den Piraten einleuchten: Schließlich haben sie sich schon oft an "Freiheit-statt-Angst"-Kampagnen beteiligt. Man erlangt jedoch keine Freiheit, indem man alles krampfhaft vermeidet, was potentiell gefährlich sein könnte. Man erlangt sie, indem man die Gefahr rational betrachtet, und dann Maßnahmen trifft, die es ermöglichen, die Gefahr zu beherrschen - im Fall der Kernkraft durch die Entwicklung neuer Reaktortypen, die inhärent sicher ausgelegt sind. Auch die Tabuisierung ganzer Technologiezweige ist letztlich das Gegenteil von Freiheit. Wenn man die durch staatliche Unterdrückung und Kontrolle auferlegten Fesseln abwerfen möchte, sollte man sich nicht selbst gleich darauf neue anlegen. Freiheit schützt man nicht, indem man sie abschafft. Man schützt sie auch nicht, indem man sich von seinen eigenen Ängsten beherrschen lässt. Freiheit sollte mutig sein, nicht furchtsam.

Das Ziel sind die Sterne, und kein Kleingartenidyll.



Weblinks

Generation IV International Forum

Nach Fukushima - ein Artikel von Bynaus (Final Frontier), der in die gleiche Richtung geht

Nuclear Energy in "Without hot Air" - ein kostenloses Online-Buch von David MacKay

Energy from Thorium

Abusing the Kardashev Scale for Fun and Profit - zum Spaß: Wo reihen sich fiktive Zivilisationen auf der Kardaschowskala ein?