Inside Zap Energy, das von Bill Gates unterstützte Unternehmen, das Fusionsenergie in das Stromnetz einspeisen will

• Zap Energy ist ein Fusions-Startup, das hofft, in den nächsten Jahren eine Pilot-Fusionsanlage in Betrieb zu nehmen.
• Seine Technologie nutzt ein Z-Pinch-Gerät, um ein Plasma zu erzeugen, das eine Fusionsreaktion auslöst.
• Es ist nur eines von vielen Unternehmen, die mit der Fusionsenergie den Durchbruch schaffen wollen.

Hinter den Glastüren eines unscheinbaren Bürogebäudes in Everett, Washington, sitzt eine Maschine, die die Kraft der Sonne nutzen soll. Und vielleicht wird es eines Tages auch so sein.

Zap Energy hofft, mit seinem Z-Pinch-Gerät durch Kernfusion reichlich Strom erzeugen zu können.

Die Kernfusion treibt die Sonne an, und wenn sie hier auf der Erde funktionieren kann, dann vielleicht produzieren fast 4 Millionen Mal so viel Energie wie fossile Brennstoffe wie Kohle oder Öl.

Während sich die Klimakrise verschlimmert, sehen einige die Kernfusion als die Eintrittskarte zu reichlich vorhandener Energie ohne fossile Brennstoffe. Allerdings Kritiker sagen Die Technologie ist zu weit zurückgeblieben, als dass sie in den nächsten Jahrzehnten einen nennenswerten Einfluss auf das Problem haben könnte.

Allerdings hofft Zap Energy, in den nächsten Jahren eine Pilotanlage in Betrieb zu nehmen, hat jedoch noch keinen festen Termin für das Ziel.

„Zap Energy betreibt immer noch einige grundlegende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten“, sagte Ben Levitt, Vizepräsident für Forschung und Entwicklung des Unternehmens, kürzlich bei einem Besuch in den Firmenbüros gegenüber Business Insider. „Wir bauen das Flugzeug sozusagen, während wir fliegen.“

Das Fusionsrennen

Das Unternehmen ist nur eines von wenigen Fusions-Startups im pazifischen Nordwesten.

Unweit von Zap befindet sich beispielsweise ein weiteres Startup, Helion Energy, das dies getan hat erzogen über 600 Millionen US-Dollar an Fördermitteln. Das Unternehmen hat kürzlich einen Vertrag unterzeichnet, um Microsoft bis 2028 Fusionsenergie zur Verfügung zu stellen.

Sowohl die US-Regierung als auch private Geldgeber investieren stark in die Zukunft, die die Kernfusion bieten könnte.

Über 6 Milliarden US-Dollar von privaten Geldgebern hat gegossen in den letzten Jahren in die Fusionsforschung eingestiegen, unter anderem durch die von Bill Gates unterstützte Breakthrough Energy Ventures. Gates‘ Investmentfirma beigetragen an Zaps 160-Millionen-Dollar-Finanzierungsrunde der Serie C im Jahr 2022.

Ganz gleich, um welches Start-up es sich handelt, alle streben nach dem gleichen Ziel: die Schaffung eines Fusionsreaktors, der mehr Energie erzeugen kann, als für seinen Betrieb erforderlich ist.

Es klingt recht einfach, aber Wissenschaftler haben eine solche Leistung nur zweimal geschafft nach mehr als 70 Jahren des Versuchens.

Jedes Fusions-Startup hat eine Vision, wie es am besten Netto-Fusionsenergie erzeugen kann. Die Version von Zap Energy verbessert einen jahrzehntealten Ansatz.

Der Z-Pinch-Reaktor

Zap nennt sein Z-Pinch-Gerät FuZE, kurz für Fusion Z-Pinch Experiment. Es ist eine lange Röhre und hat ein einfacheres Design als einige Geräte seiner Konkurrenten, wie etwa die magneto-inertiale Fusionstechnologie von Helion.

„Z-Pinch war das erste Konzept, das untersucht wurde, um ein Plasma einzuschließen, um Fusionsbedingungen zu erreichen“, sagte Levitt. „Es ist auch die erste Konfiguration, die jeder Student lernt, weil es die einfachste ist.“

Um zu arbeiten, strömt Gas in die Maschine. Ein großer Stromstoß verwandelt das Gas in ein Plasma. Dann, Eine Elektrode erzeugt eine magnetische Kraft, die das Plasma enthält.

Plasma ist ein Materiezustand, der in Sternen vorkommt, und in diesem Plasma entstehen die Bedingungen für die Kernfusion – bei der Atomkerne verschmelzen und große Energiemengen freisetzen.

Um dieses Kunststück zu erreichen, muss das Plasma lange genug heiß und dicht bleiben, damit diese Kerne verschmelzen können. Das Hauptproblem ist das Instabilitäten Im Plasma bilden sich schnell Gase, die die Fusionsbedingungen beeinträchtigen können.

Um diese Instabilitäten zu vermeiden, wandten sich viele Forscher im 20. Jahrhundert von Z-Pinch-Geräten ab und wandten sich anderen Reaktortypen wie Tokamaks zu. Doch in den 1990er Jahren begann Uri Shumlak, der Chefwissenschaftler und Gründer von Zap Energy, erneut, sich mit Z-Pinch auseinanderzusetzen.

Shumlak, damals Doktorand an der University of Washington, dachte daran, das Plasma zu bekommen fließen Schichten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten könnten dazu beitragen, die Instabilitäten auszugleichen, sodass das Plasma unter den richtigen Bedingungen bleibt, damit die Fusion stattfinden kann lange genug, um Nettoenergie zu erzeugen.

„Das ist hier der Stabilisierungsmechanismus, der als Scherströmungsstabilisierung bezeichnet wird“, sagte Levitt. „Das ist wirklich das Geheimrezept von Zap Energy.“

Wie nah ist Zap Energy an der Fusionsenergie?

Jahrzehnte nach den ersten Experimenten geht Zap Energy davon aus, dass es nur noch einstellige Jahre dauern wird, bis Fusion zur Stromerzeugung genutzt wird. Doch dem Weg dorthin stehen noch viele Hürden im Weg.

„Im Moment“, sagte Levitt Zap Energy kann seine Maschine etwa 100 Mal am Tag betreiben, sodass Forscher an verschiedenen Konfigurationen des Z-Pinch-Geräts basteln können.

Neben der Z-Pinch-Maschine in Zaps Lagerhaus stehen große Powerbanks, die von einem Maschendrahtzaun umgeben sind. Sie liefern die Energie zur Erzeugung des Plasmas. Ein Energieimpuls könnte ein Plasma erzeugen, das etwa 100 Mikrosekunden lang anhält, denn wenn es länger dauert, kann es „instabil werden“, sagte Levitt. Instabil bedeutet, dass das Gerät keine Fusionsreaktionen mehr erzeugt.

Das Unternehmen habe mit seinem Gerät im Jahr 2018 die Fusion erreicht und erzeugt nun fast täglich Fusionsreaktionen, sagte ein Sprecher von Zap Energy per E-Mail gegenüber BI. Der nächste Maßstab besteht darin, aus diesen Reaktionen mehr Energie zu erzeugen, als für ihre Entstehung überhaupt erforderlich ist.

„Wir glauben also zu wissen, wie es funktionieren wird, aber natürlich muss man es experimentell beweisen“, sagte Levitt.

Die Kosten der Fusion

Um Strom zu erzeugen, plant Zap Energy die Verwendung von Tritium, das sich hervorragend für die Fusion eignet, aber äußerst kostspielig ist Demnach sollen es im Jahr 2022 etwa 30.000 US-Dollar pro Gramm sein Wissenschaft.

Zap Energy hat noch nicht begonnen, mit Tritium zu arbeiten. Und obwohl es die Kosten für Tritium nicht kontrollieren kann, kann es dazu beitragen, die Kosten anderswo niedrig zu halten.

Die Methode, das Plasma lange genug für die Fusion einzuschließen und zu kontrollieren, basiert beispielsweise auf einem selbst erzeugten Magnetfeld. Es verwendet eine magnetisch erzeugte Flasche, in der der Reaktor sein eigenes Magnetfeld erzeugt.

„Sie erzwingen nicht wirklich eine Art elektromagnetische Flasche um das Plasma herum“, sagte Levitt. „Das macht es selbst.“

Das bedeutet, dass das Gerät nicht auf teure supraleitende Magnete angewiesen ist – wie Japans neuer Reaktor, dessen Bau 600 Millionen US-Dollar gekostet hat – um das Plasma einzudämmen.

Über die Gewinnschwelle hinausgehen

Der allererste Meilenstein für jedes Fusions-Startup wird das Erreichen der wissenschaftlichen Gewinnschwelle sein, bei der man aus der Fusion so viel Energie erhält, wie man für den Betrieb des Plasmas verbraucht.

Danach besteht das ultimative Ziel darin, die Gewinnschwelle zu überschreiten und die 10- bis 20-fache Menge an Nettoenergie zu erzeugen. „Da muss man einen weiteren Verstärkungsfaktor von 10 erreichen und das dann wiederholt machen“, sagte Levitt.

Dafür sind weitere technische Arbeiten erforderlich, an denen laut Zap gleichzeitig gearbeitet wird, etwa die Entwicklung von Kondensatoren, die den Z-Pinch sehr schnell immer wieder erzeugen.

„Wir haben die Gewinnschwelle in diesem Jahr nicht erreicht und werden dies auch nicht tun“, sagte ein Sprecher von Zap Energy.

Derzeit arbeitet Zap daran, ein eigenes Energiesystem zu schaffen, das die benötigte Energie laden, speichern und entladen soll.

Letztendlich könnten diese Geräte das Z-Pinch-Gerät in sechs bis acht Kisten von der Größe von Schiffscontainern umgeben.

Zap Energy prüft außerdem die Möglichkeit, einen Teil des einzigen verbliebenen Kohlekraftwerks im US-Bundesstaat Washington zu übernehmen den Betrieb einstellen im Jahr 2025.

Das Kraftwerk wird Zap-Raum und Netzanschlüsse bieten, die ihm helfen könnten, eines Tages 200 Megawatt Strom pro Stunde zu erzeugen — genug antreiben um 164.000 Haushalte bei Dauerbetrieb — sagte der Sprecher des Unternehmens.

Aufgrund der Kosten für die erstmalige Einrichtung einer Anlage sagte Ryan Umstattä, Vizepräsident für Produkte und Partnerschaften des Unternehmens, dass die ersten Kunden von Zap wahrscheinlich Frühanwender sein werden. „Es könnte gut zu Dingen wie Rechenzentren passen, die überall aus dem Boden schießen und einen erheblichen Strombedarf haben“, sagte er.

Regulierung von Fusionskraftwerken

Da noch keine Fusionskraftwerke in Betrieb sind, sind die Herausforderungen und Risiken möglicherweise noch nicht vollständig verstanden, so eine Studie von Forschern der University of New York aus dem Jahr 2020 Imperial College London.

Allerdings hält die Nuclear Regulatory Commission die Kernfusion für sicherer als die Kernspaltung, da sie nicht das gleiche Risiko von Kernschmelzen birgt.

Tatsächlich hat das NRC Anfang dieses Jahres abgestimmt die Kernfusion ähnlich wie Teilchenbeschleuniger statt wie Kernspaltungskraftwerke zu regulieren.

Dies könnte Fusionsunternehmen wie Zap das Leben erleichtern, da die Vorschriften für Teilchenbeschleuniger „weitaus einfacher, weniger kostspielig und effizienter sind als die komplizierteren Regeln für Spaltreaktoren“, sagte Jeff Merrifield, ein ehemaliger NRC-Kommissar CNBC.

Einfacher bedeutet jedoch nicht einfach.

Selbst wenn die US-Regierung in den nächsten zehn Jahren auf eine kommerzielle Fusionsanlage drängt, könnte dies der Fall sein nehmen Jahrzehnte zu bekommen ein beträchtlicher Teil des Netzes, der mit Fusion betrieben wird. Und das nur, wenn alle technischen und ökologischen Probleme gelöst sind.

Korrektur 26. Dezember 2023 – In einer früheren Version dieses Artikels wurden der Fortschritt des Fusionsgeräts von Zap Energy und seine Funktionsweise falsch dargestellt. Zap Energy hat mit seinem Z-Pinch-Gerät Fusionsreaktionen erzeugt, das selbst erzeugte elektromagnetische Felder zur Eindämmung von Plasma nutzt.

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