Mehr Energie - Quark-Fusion statt Kernfusion

Tel Aviv (Israel)/Chicago (USA) - In Fusionsreaktoren verschmelzen Wasserstoffkerne zu schwereren Heliumkernen. Theoretisch liefert die Kernfusion von nur einem Gramm Wasserstoff zu Helium eine Energiemenge, die gut zwölf Tonnen Steinkohle entspricht. Noch viel effizienter als die Kernfusion könnte aber eine Art Quark-Fusion sein. Dieses Konzept eines Kraftwerksprozesses mit kaum zu überbietender Energieausbeute stellten nun zwei Elementarteilchenphysiker aus Israel und den USA in der Fachzeitschrift „Nature“ vor. Sie analysierten die Fusion von exotischen Teilchen, die aus besonders schweren Quarks bestehen – den elementaren Bausteinen aller Materie. Dieser Verschmelzungsprozess könnte – rein theoretisch – sogar die zehnfache Energiemenge im Vergleich zur herkömmlichen Kernfusion liefern.

„Prinzipiell ist es möglich, aus der Neuanordnung von Quarks in einem Fusionsprozess Energie zu gewinnen“, sagt Marek Karliner von der Tel Aviv University. Gemeinsam mit seinem Kollegen Jonathan L. Rosner von der University of Chicago berechnete er die Energiebilanz von Fusionsprozessen, in denen so genannte Baryonen – exotische Elementarteilchen, die aus jeweils drei Quarks bestehen – ihre Bestandteile untereinander austauschen und neue Baryonen bilden. Diese Baryonen weisen nach dem Fusionsprozess eine etwas verringerte Masse auf. Je größer diese Massendifferenz ist, desto mehr Energie kann freigesetzt werden. Diese Fusion läuft prinzipiell analog zur Verschmelzung von Wasserstoff- zu Heliumkernen ab, bei denen die enthaltenen Protonen und Neutronen untereinander ausgetauscht werden und sich neu anordnen.

Die Idee dieser ungewöhnlichen Fusionsprozesse basiert auf einer jüngst erfolgten Entdeckung von schweren Baryonen am Large Hadron Collider des Forschungszentrums Cern. Für eine extrem kurze Zeitspanne konnte ein Baryon aus einem Up-Quark und zwei deutlich schwereren Charm-Quarks nachgewiesen werden. Karliner und und Rosner analysierten nun einen bisher rein theoretischen Fusionsprozess aus zwei Baryonen mit jeweils einem Up-, Down- und Charm-Quark. Dabei könnte nach einer Umordnung der Quarks ein schweres Baryon aus zwei Charm-Quark und einem Up-Quark sowie ein Neutron aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark entstehen. Diese Fusion liefert rechnerisch eine Energie von zwölf Megaelektronenvolt, etwa genauso viel wie bei der Verschmelzung von zwei Wasserstoffkernen.

Die Forscher gingen nun aber noch einen Schritt weiter und betrachteten einen Fusionsprozess von Baryonen, die anstelle von Charm-Quarks die noch deutlich schwereren Bottom-Quarks enthielten. Die analog ablaufende Verschmelzung zu einem Neutron und einem Baryon aus zwei Bottom-Quarks und einem Up-Quarks lieferte in der Berechnung wegen der deutlich größeren Bindungsenergien zwischen den Quarks und einer größeren Abnahme der Masse sogar 138 Megaelektronenvolt Energie. Das ist mehr als das Zehnfache der herkömmlichen, in Fusionsreaktoren wie dem ITER in Südfrankreich angestrebten Wasserstofffusion.

Ob diese gewaltige Energiemenge jemals gewonnen werden kann, ist aus heutiger Sicht aber eher unwahrscheinlich, wenn auch physikalisch prinzipiell möglich. Die extrem kurze Lebenszeit der schweren Baryonen wäre kein Hindernisgrund, da die Fusionsprozesse auf einer noch kürzeren Zeitskala ablaufen. Allerdings benötigte man für einen noch fiktiven Quark-Fusionsreaktor zusätzlich große Teilchenbeschleuniger, um die schweren Baryonen, also den Brennstoff für die Quark-Fusion, erst zu erzeugen. Für die Teilchenphysik gibt diese theoretische Studie dennoch neue Impulse, da nun mit Beschleuniger-Experimenten nach bisher unentdeckten schweren Baryonen mit zwei Bottom-Quarks gesucht werden könnte.