Unsere Welt zu verstehen:  Kernfusion Nukleosynthese

Helmut Satz (2016):

 
Kernfusion ist der Prozess, in dem sich Protonen und Neutronen zu Atomkernen verbinden.
 
Da Protonen aber positive elektrische Ladung tragen, sich also abstoßen, und die starke Kernkraft, welche sie zusammenhalten kann, nur sehr kurze Reichweite hat, müssen Nukleonen schon mit ganz besonders hoher Geschwindigkeit auf einander prallen, um sich nach dem Zusammenprall nicht sofort wieder zu trennen.
 
Derart hoch beschleunigt warenn sie erstmals im frühen Universum — man spricht von der Zeit der primordalen Nukleosynthese, die es nur geben konnte, da es damals ein kleines Zeitfenster gab, zu dem

 

• einerseits die Temperatur im Universum noch sehr hoch war,
   
• und andererseits die Expansion des Raumes langsam genug vor sich ging,

so dass zusammenstoßende Nukleonen auch tatsächlich zusammen blieben (der entstandene Atomkern als nicht sofort wieder durch auf ihn treffende Photonen zerschlagen wurde).
 
Dieses Zeitfenster war groß genug, um zu erlauben, dass sich damals wenigstens einfache Atomkerne bilden konnten: Deuterium (2), Helium (4) und ganz selten auch noch einige größere Kerne wie Lithium (7) und Beryllium (9).
 
Schon bald aber war die Temperatur so stark gesunken, dass der Prozess zum Stillstand kam. Etwa 75 Prozent aller Protonen blieben deswegen freie Teilchen: die zukünftigen Wasserstoffkerne.
 
In Gang gekommen war der Prozess der Nukleosynthese, nachdem die Temperatur des Universums auf 10¹⁰ Grad Kelvin gefallen war — auf die Temperatur, bei der Kollision mit Photonen entstehende Kerne kaum noch zerschlagen konnte — etwa 10 Sekunden nach dem Urknall.
 
 
 
Kurz: Kernfusion kann nur stattfinden in einem genügend heißen und genügend dichten Medium.
 
Dies ist der Grund, warum es bis heute nicht gelang, Fusionsreaktoren zu bauen: Man kann die notwendigen Bedingungen bisher immer nur für allzu kurze Zeit herstellen.
 
Nur in der Wasserstoffbombe gelang das bisher, da eine vorausgehende Atombomben-Explosion als Zünder die notwendige Hitze und Dichte erzeugt.
 
Auch im frühen Universum, waren die Bedingungen nur kurze Zeit gegeben — das aber reichte, um wenigstens Helium zu erzeugen. B evor dann aber noch schwerere Kerne entstehen konnten, war die Welt bereits zu sehr ausgedehnt und abgekühlt, als dass die Nukleonen einander noch so nahe kommen konnten, dass die starke Wechselwirkung sie als Gruppe — als Atomkern — zusammen halten konnte. Erst nachdem die Gravitatation Sterne geschaffen und hinreichend stark komprimiert hatte, konnten auch komplexere Atome entstehen.
 
 
 
Festzuhalten bleibt:
 
Kernfusion kann und muss Energie freisetzen. Sie entsteht in Form von Photonen da, wo sich Protonen und Neutronen zu einem Kern verbinden. Seine Masse wird geringer sein als die Summe der Massen seiner Bausteine. Die Bildung eines Kerns ist somit energetisch günstiger als der Fortbestand der Nukleonen in getrennter Form.
 
Dies definiert auch den zeitlichen Beginn der primordalen Nukleosynthese: Sie setzte ein, als die Energie der freien Photonen — die der Raumexpansion wegen ja ständig fällt — nicht mehr ausreichte, neu gebildete Kerne zu zerbrechen.