Fusionsreaktoren werden als zukünftige Quelle sauberen Stroms betrachtet. Neueste Berechnungen legen jedoch nahe, dass sie auch Teilchen erzeugen könnten, die mit Dunkler Materie in Verbindung stehen.

Das Versprechen der Fusionsenergie

Seit Jahren gilt die Fusionsenergie als großer Hoffnungsträger: Energiegewinnung ohne CO₂-Emissionen und ohne die Gefahren klassischer Kernkraftwerke. Milliarden von Euros werden in Projekte wie ITER investiert, die langfristig saubere und nahezu unerschöpfliche Energie liefern sollen. Eine neueste theoretische Untersuchung zeigt jedoch, dass diese Anlagen möglicherweise noch mehr leisten können. Sie könnten dazu beitragen, eines der größten Rätsel der modernen Physik – die Natur der Dunklen Materie – besser zu verstehen.

Der innovative Forschungsansatz

Der Ansatz dieser Studie ist bodenständig und bezieht sich auf Prozesse, die in künftigen Fusionsreaktoren ohnehin ablaufen werden. Eine Untersuchung der University of Cincinnati, geleitet von Physiker Jure Zupan, kommt zu dem Schluss, dass die extremen Bedingungen in Fusionsreaktoren Effekte hervorrufen könnten, die über die bloße Energieerzeugung hinausgehen. Im Mittelpunkt stehen Axionen, Teilchen, die seit Jahren als mögliche Kandidaten für Dunkle Materie gelten.

Warum Fusionsreaktoren für Teilchenphysiker interessant sind

Bei der Deuterium-Tritium-Fusion wird eine erhebliche Energiemenge frei, wobei rund 80 Prozent dieser Energie von Neutronen getragen wird. Diese elektrisch neutralen Teilchen verlassen das Plasma nahezu ungehindert und prallen auf die Innenwände des Reaktors. Hier beginnt ein komplexes Geschehen.

Reaktionen an den Reaktorwänden

Moderne Fusionsreaktoren sind mit sogenannten Brutblankets ausgekleidet, die Lithium enthalten. Dieses Lithium fängt Neutronen ein und produziert dabei Tritium, den Brennstoff für weitere Fusionsreaktionen. Zugleich laufen bei den Aufprällen zahlreiche Kernreaktionen ab. An dieser Stelle setzen die Forscher an.

Die Rechnungen zeigen: Wenn Neutronen die Wandmaterialien treffen, können instabile Atomkerne entstehen. Beim Übergang in einen stabilen Zustand geben sie Energie ab. Diese Energie könnte nicht nur als Wärme oder Strahlung auftreten, sondern auch in Form von extrem schwach wechselwirkenden Teilchen wie Axionen oder axionähnlichen Teilchen.

Vorherige wissenschaftliche Ansätze und Neuigkeiten

Obwohl die grundlegende Idee nicht neu ist – sie wurde unter anderem in der Serie „The Big Bang Theory“ thematisiert, wo Charaktere wie Sheldon Cooper und Leonard Hofstadter versuchen, zu berechnen, ob Fusionsreaktoren Axionen produzieren können – zeigt die jetzt veröffentlichte Studie erstmals rechnerisch, unter welchen Bedingungen dies möglich sein könnte.

Die Bedeutung von Axionen und Dunkler Materie

Dunkle Materie ist allgegenwärtig: Sie hält Galaxien zusammen, beeinflusst die Bewegung von Sternen und formt die großräumige Struktur des Universums. Sie bleibt jedoch unsichtbar, da sie kein Licht ausstrahlt oder reflektiert, und ist nur durch ihre gravitative Einwirkung nachweisbar.

Axionen werden als besonders interessante Kandidaten für Dunkle Materie angesehen, da sie mehrere ungelöste Fragen der Physik adressieren können. Sie sind extrem leicht, elektrisch neutral und interagieren sehr schwach mit normaler Materie, was ihre Detektion erschwert.

Forschungsstandorte und neue Perspektiven

Bisher haben Wissenschaftler vor allem in drei Bereichen nach Axionen gesucht:

• In der Sonne, wo sie bei Kernreaktionen entstehen könnten,
• In Supernovae, die extreme Bedingungen bereitstellen,
• In spezialisierten Laboren mit starken Magnetfeldern oder Teilchenstrahlen.

Die neue Studie erweitert die Suchmöglichkeiten um einen vierten Standort: zukunftsweisende Fusionsreaktoren.

Der Crucial Faktor: Neutronen

Die gesuchten Teilchen entstehen nicht im heißen Fusionsplasma, wie es frühere Untersuchungen vermuteten, sondern in Nebenprozessen. Wenn Neutronen abgebremst oder von Atomkernen eingefangen werden, kann Bremsstrahlung entstehen. Zudem können Atomkerne in angeregte Zustände versetzt werden, die bei ihrem Übergang Energie freisetzen. Genau in diesen Momenten könnten Axionen entstehen.

Praktische Nachweisverfahren

Forscher planen die Installation eines zusätzlichen Messdetektors in der Nähe des Reaktors, etwa zehn Meter entfernt. Diese Messeinrichtung orientiert sich an einer bestehenden Anlage in Kanada, die schweres Wasser verwendet. Wenn ein Axion oder ein ähnliches Teilchen auf einen Deuteriumkern trifft, könnte dieser aufbrechen und Teilchen erzeugen, die von empfindlichen Sensoren erfasst werden können.

Die Berechnungen deuten darauf hin, dass ein Detektor bereits nach einem Jahr Betrieb genügend Daten sammeln könnte, um neue Hinweise auf solche Teilchen zu liefern oder bestimmte Hypothesen auszuschließen.

Potenzial und Herausforderungen

Die Autoren der Studie betonen, dass es sich um eine theoretische Machbarkeitsstudie handelt. Bisher wurden Axionen in keinem Fusionsreaktor gemessen, und viele Faktoren sind noch unklar, darunter:

• Die exakte Materialzusammensetzung der Reaktorwände,
• Die Geometrie zukünftiger Anlagen,
• Die Größe und Empfindlichkeit möglicher Detektoren.

Dennoch sehen die Forscher großes Potenzial. Künftige Demonstrationsreaktoren könnten so gestaltet werden, dass sie neben der Energiegewinnung auch Grundlagenforschung ermöglichen. „Fusionsreaktoren könnten zu Laboren werden, in denen sich neue physikalische Phänomene testen lassen, ohne den Betrieb zu stören“, so Zupan.

Zusammenfassung der Ergebnisse

• Fusionsreaktoren könnten mehr als nur Strom liefern; theoretische Berechnungen lassen darauf schließen, dass sie auch Teilchen erzeugen könnten, die mit Dunkler Materie assoziiert sind.
• Der Schlüssel liegt in den Neutronen, die den Großteil der Energie tragen, auf die Reaktorwände treffen und Axionen erzeugen könnten – lang diskutierte Kandidaten für Dunkle Materie.
• Die Suche nach Axionen erhält einen neuen Standort: Neben Sonnen und Laboren rücken künftig auch Fusionsreaktoren in den Fokus, zumindest theoretisch.