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Solare Kernfusion : Botschafter aus dem Zentrum der Sonne

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Die Sonne auf die Erde geholt: künstlerische Vereinigung der Stahlkuppel des Borexino-Detektors und unseres Heimatsterns Bild: Maxim Gromov and Borexino Collaboration

Wie erzeugt unsere Sonne ihre Energie? Die Borexino-Kollaboration hat anhand von Neutrinobeobachtungen neue Details des Brennstoffzyklus unseres Zentralgestirns nachgewiesen.

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          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.

          Die Stahlsphäre schützt den hochempfindlichen Detektor vor Störsignalen.
          Die Stahlsphäre schützt den hochempfindlichen Detektor vor Störsignalen. : Bild: Borexino Kollaboration

          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.

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