Wie funktioniert die Kernfusion in Sternen?

Die Sternenschmiede: Wie Kernfusion das Universum antreibt

Sterne, diese scheinbar unerschütterlichen Leuchtfeuer am Nachthimmel, sind gigantische Kraftwerke, die ihre Energie aus einem Prozess beziehen, der uns Menschen noch immer in Erstaunen versetzt: der Kernfusion. Im Herzen eines Sterns, unter Bedingungen, die auf der Erde unvorstellbar sind, findet eine Verwandlung statt, die das Universum formt und das Leben auf unserem Planeten ermöglicht. Doch wie funktioniert dieser Prozess im Detail?

Das Geheimnis liegt im extremen Druck und der immensen Temperatur im Sterninneren. Dort herrschen Millionen, ja Milliarden Grad Celsius und ein Druck, der alles irdische Material zerquetschen würde. Unter diesen Bedingungen überwinden die positiv geladenen Wasserstoffkerne (Protonen), die sich aufgrund ihrer elektrostatischen Abstoßung normalerweise abstoßen, ihre Coulomb-Barriere. Dies geschieht nicht durch bloße Kraft, sondern durch den quantenmechanischen Tunneleffekt. Vereinfacht erklärt: Die Protonen „tunneln“ gewissermaßen durch die Abstoßungskraft hindurch und kommen sich so nahe, dass die starke Kernkraft, eine viel stärkere, aber kurzreichweitigere Kraft als die elektromagnetische, wirksam wird.

Sobald sich zwei Protonen ausreichend nahegekommen sind, verschmelzen sie zu einem Deuteriumkern (ein Proton und ein Neutron). Dieser Prozess wird begleitet von der Emission eines Positrons (Antielektron) und eines Neutrinos. Das Positron annihiliert nahezu sofort mit einem Elektron, wobei Energie in Form von Gammastrahlung freigesetzt wird. Das hochenergetische Neutrino hingegen entweicht nahezu ungehindert aus dem Stern und trägt einen kleinen Teil der Energie ab.

Der Deuteriumkern fusioniert dann mit einem weiteren Proton zu einem Helium-3-Kern (zwei Protonen und ein Neutron), wobei wiederum Gammastrahlung freigesetzt wird. Schließlich können zwei Helium-3-Kerne zu einem Helium-4-Kern (zwei Protonen und zwei Neutronen) fusionieren, wobei zwei Protonen frei werden. Diese Protonen können dann wieder in den Fusionsprozess eintreten. Dieser sogenannte Proton-Proton-Zyklus ist die dominierende Fusionsreaktion in Sternen mit vergleichsweise niedriger Masse, wie unserer Sonne. In massereicheren Sternen dominieren andere, effizientere Fusionswege, die zu schwereren Elementen führen.

Die bei diesen Fusionsprozessen freiwerdende Energie hält den Stern im Gleichgewicht. Der nach außen gerichtete Strahlungsdruck, erzeugt durch die Gammastrahlung und die kinetische Energie der freigesetzten Teilchen, gleicht die nach innen gerichtete Gravitationskraft aus. Dieser Gleichgewichtszustand hält den Stern über Milliarden von Jahren stabil. Erst wenn der Wasserstoffvorrat im Kern erschöpft ist, beginnt der Stern sich zu verändern und seine Lebensdauer nähert sich dem Ende.

Die Energie, die durch die Kernfusion in Sternen freigesetzt wird, ist nicht nur für die Existenz der Sterne selbst, sondern auch für das Leben auf der Erde fundamental. Unsere Sonne, ein gigantischer Fusionsreaktor, versorgt unseren Planeten mit Wärme und Licht – die Grundlage allen Lebens. Die Elemente, aus denen wir bestehen, wurden in den Sternen geschmiedet und durch Supernovae ins All geschleudert. Wir sind also buchstäblich aus Sternenstaub gemacht. Das Verständnis der Kernfusion in Sternen ist somit nicht nur eine astronomische Frage, sondern auch eine Frage nach dem Ursprung und der Existenz des Lebens selbst.