Kernverschmelzung: Wie die Sonne Energie erzeugt

Verglichen mit der Sonne sind alle Planeten unseres Sonnensystems nur Zwerge. 99,8 Prozent der Masse des Sonnensystems befinden sich im Zentralgestirn. Aber die Sonne ist nicht nur wegen seiner Größe von so herausragender Bedeutung, wir hängen in vielfacher Hinsicht von ihr ab. Sie hält mit ihrer Gravitation die Planeten in ihren Bahnen, und sie liefert die Energie und Wärme, die das Lebens auf der Erde möglich machen. Für unsere Vorfahren in der vorwissenschaftlichen Zeit war die Sonne ein Lampe oder ein Feuer am Firmament. Aber warum leuchtet die Sonne tatsächlich?

Im 19. Jahrhundert begann man mit einem größeren wissenschaftlichen Hintergrundwissen Spekulationen anzustellen. Julius Robert Mayer (1814 – 1878) vermutete, dass Meteore oder Meteoriten für die Hitze auf der Sonne verantwortlich waren. Hermann von Helmholtz (1821 – 1894) und später der als Lord Kelvin bekannte William Thomson (1824 – 1907) glaubten, dass die enorme Schwerkraft für die Aufheizung des Riesenkörpers verantwortlich war. Der Physiker Hans Albrecht Bethe (1906 – 2005) lieferte 1939 die richtige Erklärung für die Energieerzeugung in der Sonne und bekam 1967 den Nobelpreis dafür: Die Ursache ist eine Fusion von Atomkernen.

Allerdings dauerte es noch eine Zeit lang, bis sich diese wissenschaftliche Erkenntnis in der breiteren Bevölkerung durchsetzte. Dem Autor dieses Artikels wurde in der Schule noch erzählt, die Sonne sei „wie ein riesiger Kohlehaufen“. (Was nicht unbedingt für ein hohes Alter des Verfassers spricht, sondern eher mit der mangelnden Bildung mancher Lehrer zusammenhängt.)

Die Sonne ist ein Ball aus Plasma. In seinem Kern erreicht die Temperatur 15 Millionen Grad Celsius. Auf der Oberfläche sind es dagegen nur etwa 5600 Grad Celsius. (Bild: NASA)

Die Ausgangssituation

Die Gravitation spielt jedoch auch eine Rolle. Nach dem Urknall waren zunächst die einzigen Elemente im Universum Wasserstoff und Helium. Wasserstoff ist das einfachste aller Elemente. Ein Wasserstoffatom besteht nur aus einem Proton im Inneren und einem Elektron, das um den Kern kreist. Ein Heliumkern setzt sich aus zwei Protonen und zwei Neutronen zusammen, und zwei Elektronen umkreisen ihn. Die Gravitation sorgte dafür, dass sich die Materie im Universum zusammenzog und Sterne, Planeten und andere Körper bildete. Die Sonne besteht ungefähr zu drei Viertel aus Wasserstoff und etwa ein Viertel aus Helium. Die paar Prozent schwerere Elemente, die ebenfalls vorhanden sind, wurden ursprünglich in massereicheren Sternen erzeugt und durch Supernovae im Weltraum verteilt.

Bild eines Wasserstoff- und eines Heliumatoms
Das Wasserstoffatom (links) besteht nur aus einem Proton und einem Elektron, das den Kern umkreist. Im Kern des Heliumatoms (rechts) befinden sich zwei Protonen (blau) und zwei Neutronen (gelb). Zwei Elektronen bilden die Schale des Atoms. (Bild: A. Mößmer)

Im Sonneninneren erfahren die Atome eine Veränderung: Die Hitze und der Druck führen dazu, dass sich die Atomkerne und Elektronen trennen und unabhängig voneinander herumschwirren. Dieser Zustand der Materie wird als Plasma bezeichnet. Dieses Plasma ist so heiß, dass die energiereichsten geladenen Teilchen der Schwerkraft der Sonne entweichen und in den Weltraum fliegen können. Man bezeichnet diesen Plasmastrom als „Sonnenwind“, weil er von der Sonne wegführt und mit den Magnetfeldern und Atmosphären der Planeten interagiert.

Bild frei schwebender Atomkerne und Elektronen in einem Plasma

In einem Plasma sind die Atomkerne und die Elektronen nicht aneinander gebunden. (Bild: A. Mößmer)

Protonenfusion

In dem Sonnenplasma geschieht es ab und zu, dass zwei Wasserstoffprotonen – das heißt einzelne Protonen – zusammenstoßen und sich vereinigen. Bei dieser Fusion entsteht ein neuer Wasserstoffkern, der aus einem Proton und einem Neutron besteht – Deuterium genannt. Möglicherweise spielt dabei als Zwischenstufe ein sogenanntes Diproton (auch Helium-2 genannt) eine Rolle. Dieses Teilchen setzt sich aus zwei Protonen zusammen, ist jedoch sehr instabil und zerfällt meist wieder in zwei einzelne Protonen. Auf jeden Fall hat das Entstehen des Deuteriums zur Folge, dass sich ein Proton in ein Neutron umwandelt und dabei ein Positron (ein Elektron mit positiver Ladung) sowie ein Neutrino (ein neutrales kleines Teilchen) entstehen und davonfliegen.

Bild der Fusion von zwei Protonen zu einem Deuterium-Kern.
Zwei Protonen (links, blau) verschmelzen miteinander (Mitte). Das Ergebnis ist ein Kern mit einem Proton und einen Neutron (rechts, blau). Ein Neutrino (oben, gelb) und ein Positron (unten, blau) entweichen. (Bild: A. Mößmer)

Neues Helium

Ein weiterer Schritt in dem Fusionsprozess im Sonneninneren ist die Verschmelzung eines Deuteriumkerns mit einem Proton. Das daraus resultierende Gebilde – Helium-3 genannt – besteht folglich aus zwei Protonen und einem Neutron. Bei der Fusion wird ein Gammaquant (ein Lichtteilchen mit sehr hoher Energie) abgegeben.

Das Bild zeigt die Fusion eines Protons und eines Deuterium-Kerns zu Helium-3.
Beim Entstehen von Helium-3 fusionieren ein Proton (links oben) und ein Deuterium-Kern (links unten) zu einem Kern mit zwei Protonen und einem Neutron (rechts). Dabei wir ein Gammaquant abgegeben (hier mit dem griechischen Buchstaben γ eingezeichnet). (Bild: A. Mößmer)

Dieses Helium-3 kann nun mit anderem Helium-3 fusionieren. Dabei gehen jeweils zwei Protonen verloren, sodass die daraus resultierenden Kerne aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Beim Ergebnis der Verschmelzung handelt es sich um Helium-4.

Bild von der Verschmelzung zweier Helium-3-Kerne zu einem Helium-4-Kern
Zwei Helium-3-Kerne (links) können zu einem Helium-4-Kern (rechts) verschmelzen. Dabei werden zwei Protonen abgegeben. (Bild: A. Mößmer)

Über einen Umweg kann eine weitere Helium-4-Erzeugung stattfinden. Dabei verbindet sich ein Helium-3-Kern mit einem bereits existierenden Helium-4-Kern zu einem Beryllium-7-Kern (vier Protonen und drei Neutronen) und gibt dabei ein Gammaquant ab. Dieser Kern nimmt ein Elektron auf und zerfällt zu Lithium-7 (drei Protonen und vier Neutronen), wobei ein Neutrino davonfliegt. Das Lithium-7 kann wiederum mit einem freien Proton fusionieren und sich dadurch zu Beryllium-8 (vier Protonen und vier Neutronen) verwandeln. Der Zerfall eines Beryllium-8-Kerns führt dann zu zwei Helium-4-Kernen.

Ein Helium-3-Kern (links oben) und ein Helium-4-Kern (links unten) verschmelzen zu einem Beryllium-Kern mit drei Protonen und vier Neutronen (Mitte). Dabei wird ein Gammaquant abgegeben. Das Betyllium-7 nimmt wiederum ein Elektron auf und gibt ein Neutrino ab. Das Ergebnis ist ein Lithium-7-Kern mit vier Protonen und drei Neutronen (rechts). (Bild: A. Mößmer)
Ein Lithium-7-Kern (links oben) kann sich mit einem freien Proton (links unten) vereinigen. Daraus entsteht ein Beryllium-8-Kern, der in zwei Helium-4-Kerne zerfällt (rechts). (Bild: A. Mößmer)

Es gibt noch weitere Fusionsketten, die seltener als die hier beschriebenen sind.

Woher kommt nun das Sonnenlicht?

Von den Teilchen, die bei den Verschmelzungsvorgängen in der Sonne ausgestoßen werden, erreichen nur Neutrinos die Erde direkt. Die Neutrinos zeichnen dadurch aus, dass sie eine sehr kleine Masse besitzen und kaum mit der anderen Materie wechselwirken. Dadurch ist es ihnen ein Leichtes, der Sonne zu entkommen.

Die anderen Teilchen müssen sich dagegen durch die Plasmaschichten der Sonne kämpfen, was nicht nur lange dauert, sondern auch die Teilchen selbst verändert. Ein Positron (positive Ladung) und ein Elektron (negative Ladung) können sich gegenseitig auslöschen und dabei Gammastrahlen erzeugen. Gammastrahlen verwandeln sich wiederum durch die Kollision mit anderen Teilchen in Photonen mit niedrigerer Energie, bevor sie die Sonnenoberfläche erreichen und in den Weltraum emittiert werden. Die Sonne strahlt deswegen keine Gammastrahlen aus – außer durch Sonneneruptionen. Das Resultat der Energie und Hitze, die im Inneren durch die Fusionsvorgänge erzeugt werden, ist die Strahlung der Sonne in Form von Röntgenstrahlen, ultraviolettem und sichtbarem Licht, Infrarot- und Radiowellen.