Das Versprechen der Fusionsenergie ist günstiger und reichlich vorhandener Strom für den gesamten Planeten. Wissenschaftler haben erstaunliche Fortschritte gemacht, um es in großem Maßstab zu erreichen, aber es gibt immer noch viele Probleme, die dies behindern. Eines davon ist die Produktion von Treibstoff, die große Mengen an angereichertem Lithium erfordert. Die Anreicherung von Lithium war eine Umweltkatastrophe, aber Forscher in Texas glauben, sie hätten einen Weg gefunden, dies kostengünstig und in großem Maßstab zu tun, ohne die Welt zu vergiften.
Ein Team von Forschern der Texas A&M University entdeckte den neuen Prozess zufällig, während es an einer Methode zur Reinigung von Grundwasser arbeitete, das während der Öl- und Gasförderung kontaminiert worden war. Die Forschung wurde gerade in der wissenschaftlichen Zeitschrift Chem unter dem Titel „Elektrochemische 6-Lithium-Isotopenanreicherung basierend auf selektiver Einspeisung in 1D Tunnelstruktur V2O5“ veröffentlicht.
Potenzial der Forschung für die Kernfusion
Die Auswirkungen der Forschung auf die Kernfusion könnten enorm sein. „Kernfusion ist die primäre Energiequelle, die von Sternen wie der Sonne abgegeben wird“, sagte Sarbajit Banerjee, Professor und Forscher am ETH Zürich und an der Texas A&M und einer der Autoren des Papiers, gegenüber Gizmodo. Die einfachste Methode, Fusion auf der Erde statt im Weltraum durchzuführen, umfasst Tritium- und Deuterium-Isotope. Tritium ist selten und radioaktiv, sodass Reaktoren es derzeit „auf Bedarf züchten“, um Energie zu erzeugen.
Sie züchten das Tritium, indem sie Lithiumisotope mit Neutronen bombardieren. Der Großteil des Lithiums auf dem Planeten, mehr als 90 %, ist Lithium-7. Die Tritiumzucht funktioniert mit dem extrem seltenen Lithium-6 viel effizienter. „Wenn 7Li, das am häufigsten vorkommende Lithiumisotop, verwendet wird, ist die Tritiumproduktion im Vergleich zu 6Li viel weniger effizient“, sagte Banerjee. „Daher basieren moderne Reaktordesigns auf Zuchtdecken mit angereichertem 6Li-Isotop, das speziell aus natürlichem Lithium extrahiert werden muss.“
Problematische Anreicherungstechniken
Man kann natürlich vorkommende Mischungen von Lithiumisotopen in Lithium-6 „anreichern“, aber der Prozess ist ein giftiger Albtraum. „Von 1955 bis 1963 produzierte die Vereinigten Staaten 6Li in der Y12-Anlage im Oak Ridge National Laboratory in Tennessee für Anwendungen bei thermonuklearen Waffen und nutzte den geringen Unterschied in der Löslichkeit der Isotope 6Li und 7Li in flüssigem Quecksilber“, sagte Banerjee. „Das lief nicht so gut.“
„Etwa 330 Tonnen Quecksilber wurden in Gewässer freigesetzt, und der Prozess wurde 1963 aufgrund von Umweltbedenken eingestellt“, fügte er hinzu. Quecksilber ist eine giftige Substanz, die schwer zu reinigen ist. Nach 60 Jahren vergiften schwere Metalle aus dem Prozess der Extraktion von Lithium-6 aus natürlich vorkommenden Mischungen immer noch Tennessee. Die Beseitigung der Überreste dieser Umweltkatastrophe ist ein großes Projekt für die aktuellen Bewohner des Oak Ridge National Lab.
Eine neue Methode zur Lithium-Extraktion
Während eines anderen Projekts entwickelte das Team an der Texas A&M eine Verbindung namens zeta-V2O5, die es zur Reinigung von Grundwasser verwendete. Als sie Wasser durch diese Membran leiteten, bemerkten sie etwas Seltsames: Es war sehr gut darin, Lithium-6 zu isolieren. Das Team entschied sich zu testen, ob es Lithium-6 aus Mischungen von Lithiumisotopen ohne Quecksilber ernten könnte.
Es funktionierte.
„Unser Ansatz nutzt die wesentlichen Funktionsprinzipien von Lithium-Ionen-Batterien und Entsalzungstechnologien“, sagte Banerjee. „Wir setzen Li-Ionen aus fließenden Wasserströmen in die eindimensionalen Tunnel von zeta-V2O5 ein … unser selektiver Li-Schwamm hat eine subtile, aber wichtige Präferenz für 6Li gegenüber 7Li, die einen viel sichereren Prozess zur Extraktion von Lithium aus Wasser mit isotopischer Selektivität ermöglicht.“
Banerjee meint, dass dies zu einer massiven Veränderung führen könnte, wie Treibstoff für Fusionsgeneratoren entwickelt wird. Es erfordert auch kein umfassendes Redesign der bestehenden Reaktoren. „Unsere Arbeit skizziert einen Weg, um ein zentrales Problem in der Lieferkette für Fusion zu überwinden. Um klarzustellen: Wir redesignen die eigentlichen Reaktoren – Tokamaks oder Stellaratoren – nicht; obwohl es immense Begeisterung über neue Innovationen und Designs in der Plasmaphysik gibt“, sagte er.
Viele Menschen setzen darauf, dass die Fusion der Weg zu günstiger und reichlich vorhandener Energie sein wird. Mein ganzes Leben lang habe ich gehört, dass der Durchbruch, der dies real werden lässt, „gleich um die Ecke“ ist. Es war ein ständiges Mantra, das ein bisschen zum Witz geworden ist. Erst letztes Jahr fragte das Bulletin of the Atomic Scientists, ob die Fusion vielleicht „für immer die Energie von morgen“ sein könnte.
Aber Banerjee ist optimistisch. „Trotz der unglaublichen Herausforderungen ist die Fusion ein zu großes Ziel, um aufzugeben“, sagte er. „Das transformative Potenzial ist klar, aber es gab entscheidende Lücken in den Ingenieurd Designs, Materialwissenschaften für extreme Umgebungen und im Verständnis der Komplexität von Plasmaprozessen nennen wir nur einige Lücken. Es gibt einen zunehmend intensiven globalen Wettbewerb und Milliarden von Dollar an privaten und öffentlichen Investitionen – obwohl es nicht unmittelbar bevorsteht, gibt es vielversprechende Anzeichen für realistische Fusionsenergie in etwa zwei bis drei Jahrzehnten.“
