Energieproduktion in der Sonne

In Fusionsreaktionen in der Sonne entstehen auch Neutrinos – Elementarteilchen, die kaum mit Materie in Wechselwirkung treten. Aufgrund dieser Eigenschaft gelangen die elektrisch neutralen Teilchen in nur wenigen Minuten zur Erde und erlauben Forschern so einen Einblick in die momentan im Inneren der Sonne stattfindenden Prozesse. Wie sich diese Neutrinos nachweisen lassen und was sie über die Energieproduktion in der Sonne verraten, erklärt Stefan Schönert von der TU München.

Seit über 4,5 Milliarden Jahren versorgt die Sonne die Erde mit Energie: Sie wärmt unseren Planeten und ermöglicht es Pflanzen, das Sonnenlicht über den Prozess der Photosynthese in chemische Energie umzuwandeln. Die zentrale Rolle der Sonne stand in der Menschheitsgeschichte zwar nie infrage. Aber was genau da am Himmel eigentlich leuchtet, war Forschern lange Zeit ein Rätsel.

Stefan Schönert von der TU München
Stefan Schönert von der TU München

Stefan Schönert: „Früher dachte man zunächst, dass chemische Reaktionen eine Rolle spielen – wie in einem Ofen, in dem durch Verbrennung Energie freigesetzt wird. Eine andere Idee war, dass Gravitationskräfte in Wärmeenergie umgesetzt werden. Und erst am Anfang des letzten Jahrhunderts kam die Idee auf, dass tatsächlich Kernfusionsprozesse dafür verantwortlich sind, also Prozesse der Kernphysik.”

Mit einem Durchmesser von knapp 1 400 000 Kilometern ist die Sonne der bei Weitem größte Himmelskörper im Sonnensystem. Außerdem entfallen 99,86 Prozent der gesamten verfügbaren Masse auf die Sonne. Die energieerzeugenden Kernfusionsprozesse finden allerdings nur im Zentrum der Sonne statt, das sich vom Sonnenmittelpunkt bis etwa zu einem Viertel des Sonnenradius erstreckt.

„Im Sonnenzentrum ist es sehr heiß und sehr dicht, es gibt dort ein Plasma. Dieses Plasma besteht im Wesentlichen aus Protonen und Elektronen und die Temperatur beträgt über zehn Millionen Grad.”

Unter diesen extremen Bedingungen können die positiv geladenen Protonen die elektromagnetischen Abstoßungskräfte überwinden und miteinander zu größeren chemischen Elementen verschmelzen. Bei diesen Fusionsprozessen wird ein winziger Anteil der Protonmasse in Energie umgewandelt und freigesetzt. In der Sonne verschmelzen insgesamt vier Protonen, also vier Wasserstoffkerne, zu Heliumkernen aus zwei Protonen und zwei Neutronen, dem sogenannten Helium-4. Dieser Prozess läuft in der Sonne hauptsächlich über die sogenannte Proton-Proton-Kette in mehreren Zwischenschritten ab.

Die innere Kugel des Borexino-Detektors ist mit einer Flüssigkeit gefüllt und an den Wänden mit tausenden von Photodetektoren ausgestattet.
Im Inneren des Borexino-Detektors

„Und das beginnt mit einem Proton, das mit einem weiteren Proton zu einem schweren Wasserstoffkern verschmilzt, also Wasserstoff-2, auch Deuterium genannt. Das Deuterium verschmilzt anschließend mit einem Proton zu Helium-3.”

Verschmelzen wiederum zwei Helium-3-Kerne miteinander, gehen daraus zwei Protonen und ein Helium-4-Kern hervor. Damit ist der Reaktionszyklus abgeschlossen. Die dabei entstehende Energie wird auf zwei verschiedene Arten freigesetzt.

„Da sind einerseits geladene Teilchen, nämlich Elektronen und Positronen, die emittiert werden. Diese haben eine kinetische Energie, werden im Plasma abgebremst und heizen es so auf. Dadurch entsteht die große Temperatur im Inneren der Sonne. Und der andere Teil der Energie wird über Neutrinos weggetragen.”

Insgesamt 26 Megaelektronenvolt an Energie entstehen in einer einzelnen Proton-Proton-Kette. Rund 1038-mal pro Sekunde finden solche Fusionsprozesse in der Sonne statt – aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie verliert sie daher pro Sekunde über vier Millionen Tonnen an Masse. Die Energie, die in Form von Sonnenlicht die Erde erreicht, stammt ausschließlich von den hochenergetischen geladenen Elementarteilchen, also den Elektronen und deren Antiteilchen, den Positronen.

In einer Reaktionskette werden Wasserstoffkerne als rote Kugeln dargestellt, Helium als graue Kugeln und Neutrinos als kleinere weiße Kugeln. Pfeile markieren die unterschiedlichen Abschnitte des Reaktionszyklus, der mit der Verschmelzung von je zwei Wasserstoffkernen zu schwerem Wasserstoff beginnt und mit der Verschmelzung von zwei Helium-3 Kernen zu Helium-4 und zwei Wasserstoffkernen endet. Im ersten Reaktionsschritt werden Neutrinos und energiereiche Photonen abgestrahlt, im zweiten Reaktionsschritt nur Photonen.
Proton-Proton-Kette

„Also die Energie wird im Inneren der Sonne in Wärme freigesetzt. Und diese Wärme ist wie ein heißer Ofen. Die Wärmestrahlung besteht aus Photonen, die langsam an die Oberfläche diffundieren und diese aufheizen. Es gibt also einen starken Gradienten, mit einer hohen Temperatur im Inneren der Sonne und einer niedrigen Temperatur auf der Oberfläche. Die Oberfläche ist aber immer noch so heiß, dass sie elektromagnetische Strahlung abstrahlt.”

Im Inneren der Sonne können sich die Photonen allerdings nicht geradlinig ausbreiten, sondern treten immer wieder mit dem heißen Plasma in Wechselwirkung. Daher vergehen rund hunderttausend Jahre, bis sie die Oberfläche der Sonne erreichen. Nicht so die Neutrinos: Diese Elementarteilchen sind elektrisch neutral und haben eine extrem geringe Masse.

„Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutrino mit Materie wechselwirkt, ist sehr viel kleiner als bei einem geladenen Teilchen oder Photon. Infolgedessen kann ein Neutrino, das bei einem Fusionsprozess im Inneren der Sonne freigesetzt wird, danach ohne Wechselwirkung – das heißt, ohne eine Reaktion auszuführen – aus dem Inneren der Sonne entkommen. Diese Neutrinos fliegen fast mit Lichtgeschwindigkeit und kommen nach circa acht Minuten hier auf der Erde an.”

Für Teilchenphysiker bieten die Neutrinos einen einzigartigen Einblick in die Energieerzeugungsprozesse, die derzeit im Inneren der Sonne ablaufen. Denn anhand von Lichtteilchen lässt sich aufgrund der langen Reisedauer lediglich auf die Kernreaktionen schließen, die sich vor über hunderttausend Jahren im Sonnenzentrum ereignet haben. Um die aktuellen Fusionsprozesse zu untersuchen, bauen Forscher daher spezielle Detektoren, in denen sie die Sonnenneutrinos über die Wechselwirkung mit Materie nachweisen. Einer dieser Detektoren ist das Borexino-Experiment, an dem auch Stefan Schönert beteiligt ist. Eine internationale Forschergruppe hat das Experiment rund 1400 Meter tief im Gestein des italienischen Gran Sasso Massivs aufgebaut – gut geschützt vor allen äußeren Einflüssen, die die empfindlichen Messungen stören könnten.

Die Sonne, aufgenommen im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums und rot eingefärbt.
Die Sonne erzeugt Energie durch Kernfusion

„Der Detektor hat eine Zwiebelstruktur: Im Inneren befindet sich ein sehr großer Szintillationsdetektor. Das ist eine große Kugel, die mit einer Art Mineralöl gefüllt ist. Dieses Öl generiert kleine Lichtblitze, wenn ein Neutrino darin eine Reaktion verursacht. Diese Lichtblitze messen wir dann mit sogenannten Photomultiplikatoren, das sind Lichtdetektoren. Jedes einzelne Photon, das emittiert wird, können wir nachweisen.”

Bereits kurz nach seiner Inbetriebnahme im Jahr 2007 konnten die Wissenschaftler im Borexino-Experiment erstmals Neutrinos messen, die während spezieller Kernfusionsprozesse in der Sonne entstanden waren. Vor Kurzem ließ sich dann ein weiterer Erfolg verzeichnen: Das Team wies erstmals die sogenannten primären pp-Neutrinos nach – jene Neutrinos also, die im allerersten Schritt der Proton-Proton-Kette erzeugt werden, wenn zwei Protonen zu schwerem Wasserstoff fusionieren. Rund 144 dieser Neutrinos registrierte der Detektor pro Tag. Der Vergleich zwischen der Anzahl an Neutrinos und der Helligkeit der Sonne im elektromagnetischen Spektrum lieferte einen ausgezeichneten experimentellen Beleg für das theoretische Modell vom Energieerzeugungsprozess im Zentrum der Sonne.

„Mit der Genauigkeit, mit der wir momentan die Messung dieser pp-Neutrinos durchführen können, stimmen beide Messungen wunderbar überein. Das heißt also: So wie wir uns die Energiefreisetzung im Inneren der Sonne heute vorstellen, also unser Sonnenmodell, ist damit auch wirklich experimentell bestätigt.”