Forscher der UC Davis und des Lawrence Berkeley National Laboratory haben einen bedeutenden Fortschritt im Design von Kernfusionsreaktoren erzielt – und zwar durch eine aufkommende Disziplin, die als materialgesteuerte Fusion bezeichnet wird. Dieser Ansatz konzentriert sich auf die Entwicklung der Materialien, aus denen Reaktoren bestehen, mit dem Ziel, die Reaktionseffizienz zu maximieren und die Temperaturen zu senken, bei denen eine Fusion zuverlässig stattfinden kann. Dies ist eine eigenständige Strategie, die sich von den vorherrschenden Ansätzen des magnetischen Einschlusses in Tokamaks und Stellaratoren oder des Trägheitseinschlusses mit hochenergetischen Lasern unterscheidet, die darauf abzielen, Plasmabedingungen auf Extreme zu treiben, anstatt die Reaktionsumgebung auf materieller Ebene zu verändern.

„Anstatt Materialien lediglich so zu entwickeln, dass sie den extremen Bedingungen der Fusion standhalten, könnten Forscher Materialien entwickeln, die die Reaktion unter bestimmten Bedingungen verstärken – ähnlich wie Katalysatoren chemische Prozesse beschleunigen“, erklärte eine Pressemitteilung des Berkeley Lab.

In einem diesen Monat veröffentlichten Artikel in der Fachzeitschrift Nature Communications beschreibt das Team, wie Metallfolien aus Titan und Palladium Deuterium-Deuterium-Kernfusionsreaktionen bei deutlich höheren Frequenzen und niedrigeren Temperaturen erleichtern können, als dies konventionell erreichbar ist. Diese Erkenntnis ist von erheblicher Bedeutung: Die extremen Temperaturen, die bei aktuellen Fusionsexperimenten erforderlich sind, verlangen massive Energieeinsätze, wodurch die meisten Fusionsreaktionen energiebilanziell negativ ausfallen. Diese Temperaturen setzen auch die Materialien im Reaktorinneren unter enorme Belastung. Gemeinsam zählen diese Hindernisse zu den gewaltigsten Barrieren auf dem Weg zur Kommerzialisierung der Fusionsenergie – einem Ziel, das weltweit Milliarden an öffentlichen und privaten Investitionen angezogen hat, darunter vom Fusionsenergie-Forschungsprogramm des U.S. Department of Energy sowie von Risikokapital unterstützten Unternehmen, die kompakte Reaktordesigns verfolgen.

„Es gibt Ihnen einen neuen Regler, den Sie zuvor nicht hatten“, sagte Arun Persaud, der die Gruppe Fusion Science & Ion Beam Technology in der Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) Division des Berkeley Lab leitet. „Wenn wir diesen Effekt besser verstehen, öffnet das die Tür zur Entwicklung neuer Materialien, die die Fusionsrate unter bestimmten Bedingungen beeinflussen. Eines Tages könnten künftige Fortschritte kompaktere und effizientere Neutronengeneratoren ermöglichen, die vielfältige Anwendungen haben – etwa im Frachtscreening, in der Planetenforschung sowie in der medizinischen Therapie und Bildgebung.“

Über die Entdeckung selbst hinaus wird erwartet, dass die Forschung weitere Untersuchungen im Bereich der materialgesteuerten Fusion anregt. Die Arbeit erscheint auch vor dem Hintergrund einer wachsenden Untersuchung der Rolle von Palladium in der Kernwissenschaft: Die Fähigkeit von Palladium, Deuterium zu absorbieren, wird seit Jahrzehnten erforscht. Während frühere Behauptungen über niederenergetische Kernreaktionen äußerst umstritten waren, stellen die Ergebnisse von Berkeley–UC Davis eine begutachtete, instrumentell gemessene Demonstration erhöhter Fusionsraten mit Palladium-basierten Metallfolien unter kontrollierten Laborbedingungen dar.

Künstliche Intelligenz spielt eine zunehmend wichtige Rolle bei der Beschleunigung dieser Art von Forschung. Große Sprachmodelle werden mittlerweile eingesetzt, um Kandidatenmaterialien schnell zu prüfen und zu modellieren – eine Aufgabe, die ansonsten der Suche nach der Nadel im Heuhaufen gleichen würde.

Am Ames National Laboratory in Ames, Iowa, entwickeln Wissenschaftler ein KI-Werkzeug namens DuctGPT speziell für diesen Zweck. Das System kombiniert große Sprachmodelle mit physikbasierter Modellierung, um Materialien zu identifizieren, die den extremen Bedingungen in einem Fusionsreaktor standhalten können. Erkenntnisse wie die des Berkeley Lab könnten direkt in das Ames-System einfließen, wobei jeder neue Datensatz und jedes neue Modell dazu beitragen, das Werkzeug zu verfeinern und die nachfolgende Forschung effizienter zu gestalten.

Diese Überschneidung von KI und Fusionsforschung birgt eine weiterreichende Implikation: Künstliche Intelligenz könnte potenziell helfen, genau die Energiekrise zu lösen, die sie selbst verschärft. Während die genaue Entwicklung des KI-bedingten Energiebedarfs ungewiss bleibt, stellen die aktuellen Verbrauchsniveaus bereits eine glaubwürdige Bedrohung der globalen Energiesicherheit dar. Den Energiebedarf des KI-Ausbaus zu decken, ohne Klimaziele oder andere konkurrierende Energieprioritäten zu untergraben, wird bedeutende technologische Sprünge erfordern – sowohl bei der Art und Weise, wie Energie erzeugt wird, als auch bei der Art und Weise, wie KI-Systeme sie verbrauchen.

„Ohne einen Durchbruch kommen wir dorthin nicht“, sagte Sam Altman, CEO von OpenAI, beim Jahresmeeting des World Economic Forum 2024 in Davos. „Es motiviert uns, mehr in Fusion zu investieren.“

Immer häufiger richtet sich diese Investition auf KI-gesteuerte Werkzeuge, um die Energieherausforderungen des KI-Zeitalters zu bewältigen. Systeme wie DuctGPT könnten einen der vielversprechendsten Wege darstellen, um aus einer wachsenden Energiekrise herauszuinnovieren.

Von Haley Zaremba für Oilprice.com