Kernfusionsreaktoren erzeugen teilweise so viel Strom wie sie für die Kühlung der Magnete benötigen. Die Temperatur im Weltall liegt nahe 0 °C Kelvin. Würden Kernfusionsreaktoren im All nicht wirtschaftlicher arbeiten?
Gute Frage!
TL;DR: Möglich ja. Aber es ist bei weitem nicht das größte Problem mit Fusionsreaktoren und würde mehr Probleme verursachen als lösen. Außerdem: wenn wir die Energie zurück auf die Erde schicken könnten, bräuchten wir gar keinen Reaktor - wir haben nämlich schon einen: die Sonne!
Lass uns die mal ein wenig auseinander nehmen;
Vorweg: Was sind Kelvin?
Erst einmal: "0 °C Kelvin" ist sehr falsch ;)
Was du meinst, ist vermutlich "0 Kelvin" (weder Grad noch Celsius). Der Weltraum hat eine "Temperatur" von etwa 2,7K
, also etwa -270 °C.
0K entspricht dem absoluten Temperaturnullpunkt ("kälter geht es nicht") oder auch -273,15 °C. Ein Kelvin Temperaturunterschied ist auch 1°C Unterschied (also 1K ist -272,15 °C, 2K ist -271,15 °C, etc).
Warum brauchen die Magnete in Fusionsreaktoren Kühlung?
Fusionsreaktoren brauchen sehr starke magnetische Felder (ich glaube um die Fusionsprodukte unter Druck zu setzen). Diese werden erzeugt, indem ein sehr großer elektrischer Strom durch ein Kabel geleitet wird. Wenn man das mit einem normalen Kabel machen würde, würde das Kabel sehr heiß werden, und vermutlich ziemlich schnell glühen und verdampfen (und eine ganze Menge Strom verschwenden). Deswegen werden supraleitende
Kabel verwendet. In diesen geht kein Strom verloren, die Kabel heizen sich nicht auf, und zumindest theoretisch kann man die benötigten gigantischen Felder, fast ohne Energieverbrauch erzeugen. Naja, aber auf der Erde ist es nun mal deutlich zu warm für Supraleiter, daher müssen wir diese sehr stark kühlen. Und das müssen wir fortwährend tun, weil keine Isolation perfekt ist.
Wie kalt müssen die Magnete sein?
Wie gesagt, wollen wir sie supraleitend machen. Es gibt eine Menge verschiedene Supraleiter. Manche funktionieren nur per sehr niedrigen Temperaturen, andere bei nur -20 °C, sind aber aus anderen Gründen quasi unbrauchbar. Typischerweise kann man supraleitende Magnete mit Material bauen, was etwa bei 80K (-190 °C), supraleitend wird.
Im Weltraum kann man nicht kühlen?
Wie in einigen Antworten auf diese Frage schon richtig gesagt wurde, ist das Weltall weitestgehend sehr leer (Vakuum
). Daher kann die Wärme nicht, wie auf der Erde üblich über Wärmeleitung
oder Konvektion
abgegeben werden. Dies sind tatsächlich die beiden effektivsten Methode zur Kühlung (oder zum Heizen). Allerdings gibt es auch noch Wärmestrahlung
. Diese ist bei relativ kleinen Temperaturunterschieden sehr gering. Deswegen funktioniert eine Thermokanne so gut (typischerweise von 10 °C zu 60 °C). Allerdings wird sie deutlich effizienter bei großen Temperaturunterschieden (die Sonne mit einer Oberflächentemperatur von etwa 6000°C wärmt die Erde ja doch sehr gut auf - rein durch Wärmestrahlung).
Also wenn ich tatsächlich ein Stück glühendes Eisen in den Weltraum werfen würde, würde ich erwarten, dass es sich recht schnell abkühlen, bis es aufhört zu glühen (das "Glühen" ist ja die Wärmestrahlung, die es abgibt). Allerdings wird es sehr lange dauern, bis es die Temperatur des Weltraumes erreicht hat.
Supraleitender Magnet im Weltraum?
Wie ich schon gesagt habe, verbraucht ein supraleitender Magnet quasi gar keinen Strom - also heizt er sich auch nicht auf. Ich muss ihn auf der Erde nur kühlen, weil die Umgebung ihn aufheizt. Und selbst wenn er sich ein bisschen aufwärmt, kann er das bis zu ~80K auch tun, also deutlich über der Temperatur des Weltraum, wo er dann wiederum über Wärmestrahlung sich gut abkühlen kann. Braucht er aber wie gesagt gar nicht.
Jetzt gibt es allerdings ein kleines Problem, was man bekommen könnte: die Sonne! Ja, genau. Wenn man nämlich im Weltraum in die Sonnenstrahlung kommt, wird es deutlich wärmer als 80K
. Von daher müsste man dieses Experiment weit weg oder dauerhaft im Erdschatten stationieren.
Fusionsreaktor im Weltraum?
Genau genommen tun haben wir sogar schon einen! Die Sonne ist ein Fusionsreaktor und versorgt die Erde mit 99,98% der Energie
, die wir haben (auch indirekt, weil die Pflanzen, die zu Erdöl und -gas geworden sind, auch ihre Energie aus der Sonne bezogen haben).
Also wäre es etwas schräg, noch einen Fusionsreaktor dort zu bauen, wo wir die Energie gar nicht brauchen. Wie bekommen wir die wieder auf die Erde? Wie wäre es mit einer großen Lampe und Solarzellen? Warum dann nicht gleich die Sonnenenergie umleiten? Z.B. mit Satelliten?
Also wenn wir Energie aus dem Weltraum auf die Erde umleiten können, stehen uns eine ganze Menge andere Optionen zur Verfügung.
Mal davon abgesehen, sind Fusionsreaktoren auch aus anderen Gründen momentan noch weit davon entfernt, auch nur ansatzweise unterm Strich Energie zu liefern.
Aber wer weiß - vielleicht können wir eines Tages Fusionsreaktoren in der Raumfahrt einsetzen!
Fun fact;
Die ISS hat ein Volumen von etwa 1000m³. Dies sind die Volumen von den momentan vorhandenen Fusionsreaktoren:
(allerdings ohne die ganze Kontrollelektronik, Laser, Kühlung, etc. Ich gehe mal davon aus, das ein funktionsfähiges Kraftwerk ein deutlich größeres Volumen hätte).