Solare Kernfusion

Botschafter aus dem Zentrum der Sonne

Von Dirk Eidemüller
03.12.2020
, 17:04
Wie erzeugt unsere Sonne ihre Energie? Die Borexino-Kollaboration hat anhand von Neutrinobeobachtungen neue Details des Brennstoffzyklus unseres Zentralgestirns nachgewiesen.

Die Sonne, die als unser Heimatstern jeden Tag über unser Firmament zieht, bezieht ihre Kraft tief aus ihrem Inneren. Nur im Zentrum von Sternen sind Druck und Temperatur hoch genug, um über Kernfusionsprozesse das Sonnenfeuer in Gang zu bringen. Dabei nutzt unser Zentralgestirn dieselbe Energiequelle wie die meisten anderen Sterne und verbrennt vor allem Wasserstoff zu Helium.

Dies kann allerdings auf unterschiedliche Weise geschehen. Zum einen fusionieren Protonen, also leichte Wasserstoffkerne, direkt miteinander, wobei unter anderem Neutrinos freigesetzt werden. Auf diese Weise baut sich schrittweise das aus vier Kernbausteinen bestehende Helium auf. Diese sogenannte Proton-Proton-Reaktion ist in leichteren Sternen wie unserer Sonne der dominierende Energielieferant.

Es gibt daneben aber auch noch den sogenannten CNO-Zyklus, der nach den Elementsymbolen der beteiligten Stoffe benannt ist und häufig nach seinen Entdeckern auch als Bethe-Weizsäcker-Zyklus bezeichnet wird. Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker hatten um das Jahr 1938 unabhängig voneinander diese katalytische Kernreaktion beschrieben. Hierbei wandelt sich ein Kohlenstoffkern durch wiederholten Einfang eines Protons in schwerere Kerne um, darunter verschiedene Isotope von Stickstoff und Sauerstoff. Der Einfang des vierten Protons führt schließlich zum Ausstoß eines Heliumkerns, wobei wieder der ursprüngliche Kohlenstoffkern entsteht.

Während der Bethe-Weizsäcker-Zyklus bei schweren Sternen die Hauptenergiequelle darstellt, trägt er zur Energieerzeugung in der Sonne nur zu rund einem Prozent bei. Der internationalen Borexino-Kollaboration ist es nun gelungen, diese Reaktion direkt nachzuweisen und dabei die theoretischen Vorhersagen im Rahmen der – nicht ganz kleinen – Fehlerbalken zu bestätigen. Im Journal „Nature“ beschreiben die Forscher, dass sie dazu den einzigen Zugang nutzten, der ins Zentrum der Sonne möglich ist: Sie analysierten die Neutrinos, die bei dieser Reaktion frei werden und die sich durch ihre Energiesignatur verraten. Neutrinos sind extrem flüchtige und die durchdringendsten aller bekannten Teilchen. Sie durchqueren mühelos die Erde und auch die Sonne. Nur sehr selten reagiert ein Neutrino mit einem Materieteilchen. Damit erlauben diese fast lichtschnellen Teilchen auch einen direkten Blick ins Zentrum der Sonne, von wo aus sie nur wenige Minuten nach ihrer Erzeugung auf der Erde ankommen. Die bei der Fusion frei werdende Wärme hingegen benötigt Tausende von Jahren, um sich über Strahlung und Konvektion den Weg nach außen zu bahnen.

Um die geisterhaften Neutrinos überhaupt nachweisen zu können, müssen Wissenschaftler enormen Aufwand betreiben. Der Borexino-Detektor besteht aus einem riesigen Tank mit einer speziellen Szintillator-Flüssigkeit, die anhand eines Lichtblitzes anzeigt, wenn ein Neutrino eine Reaktion hervorgerufen hat. Der Detektor befindet sich, zusammen mit einigen anderen hochempfindlichen Experimenten, im Gran-Sasso-Untergrundlabor in den Abruzzen unter mehr als einem Kilometer Felsgestein, das störende Einflüsse durch Teilchen der kosmischen Strahlung weitestgehend abschirmt. Aber auch andere Faktoren, wie etwa radioaktive Substanzen aus der Umgebungsluft, die in die Apparatur eindringen, können die Neutrino-Messungen schnell unmöglich machen.

„Wir mussten die natürliche Hintergrund-Radioaktivität bis zu einem vormals unerreichten Niveau unterdrücken“, sagt Gioacchino Ranucci vom Nationalen Institut für Kernphysik in Mailand. Dazu gehörte nicht nur die jahrelange Reinigung der Szintillator-Flüssigkeit, sondern auch eine aufwendige Abschirmung mit einer Stahlkuppel sowie über 2000 Tonnen hochreinem Wasser, das den Detektor umgibt. Die Forscher haben es auch geschafft, den Detektor thermisch so gut zu stabilisieren, dass in den Flüssigkeiten praktisch keine Konvektion, also keine großräumige Materiebewegung, mehr auftritt. Dadurch gelangen auch kaum noch radioaktive Teilchen von außen nach innen, durch die die gute Handvoll täglich nachzuweisenden Neutrinosignale verrauscht würden. „Diese Messung war nur möglich, weil alle Materialien extrem rein und arm an Radioaktivität sind, und zwar auch alle Komponenten rund um den Szintillator“, erklärt Ranucci.

Der gelungene Nachweis des CNO-Zyklus ergibt sich aus der Analyse jahrelanger Datennahme und markiert einen Meilenstein in der Neutrinoforschung. Denn die Möglichkeit, ein so schwaches Signal von nur rund einem Prozent der solaren Neutrinos messbar zu machen, zeigt Wege auf, wie dieser Forschungszweig sich künftig weiterentwickeln kann. Denn mit deutlich größeren Neutrino-Detektoren sollte sich der Anteil des CNO-Zyklus an der Energieproduktion der Sonne noch wesentlich genauer eingrenzen lassen.

Da dieser Anteil vom Gehalt an Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff im Sonnenzentrum abhängt, wollen Wissenschaftler auf diese Weise auch die Menge dieser Elemente in der Sonne abschätzen. Das ist für die Astrophysik sehr interessant, denn solche Messungen erlauben allgemeine Rückschlüsse über die Entstehung und Entwicklung von Sternen. Vom Anteil an mittelschweren und schweren Elementen hängt außerdem ab, wie durchlässig für Strahlung und Wärme die verschiedenen Schichten eines Sterns sind. Dies ließ sich bislang nur indirekt bestimmen, vor allem mittels spektroskopischer Methoden sowie über großflächige Schallwellen, die sich ähnlich wie Erdbebenwellen über die Sonne ausbreiten. In den vergangenen Jahren haben sich hier widersprüchliche Messungen ergeben, die künftig mit Hilfe der Neutrinos geklärt werden könnten.

Im kosmischen Mittel wird über den CNO-Zyklus sogar mehr Wasserstoff zu Helium fusioniert als über die Proton-Proton-Verschmelzung. Denn auch wenn leichte und mittelschwere Sterne wie Rote Zwerge oder unsere Sonne, bei denen der CNO-Zyklus nur eine kleine Rolle spielt, sehr viel zahlreicher sind als schwere Sterne: Die leichten Sterne verbrennen ihren Vorrat an Wasserstoff langsam über Jahrmilliarden, während die Schwergewichte ihren Brennstoff in kurzer Zeit vor allem über den CNO-Zyklus verheizen, bevor sie dann in einer Supernova explodieren. Ein Schelm, wer dabei an den Umgang der Industrienationen mit den natürlichen Ressourcen auf unserem Planeten denkt.

Quelle: F.A.Z.
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