Wasserstoffbrennen
Kernphysik
Basiswissen
Kernfusion von Wasserstoff in Sonnen: mit Wasserstoffbrennen wird die Kernfusion von Protonen (also Wasserstoffkernen) zu Helium im Inneren von Sternen bezeichnet (stellare Wasserstofffusion). Diese Reaktion stellt in normalen Sternen während des Großteils ihres Lebenszyklus die wesentliche Energiequelle dar. Trotz der Bezeichnung handelt es sich nicht um eine Verbrennung im Sinne der chemischen Redoxreaktion, eine solche setzt bedeutend weniger Energie frei.
Zwei verschiedene Arten
Der Prozess der Kernfusion kann beim Wasserstoffbrennen auf zwei Arten ablaufen, bei denen auf verschiedenen Wegen jeweils vier Protonen in einen Heliumkern 4He umgewandelt werden:
- > die relativ direkte Proton-Proton-Reaktion[2]
- > der schwere Elemente (Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff) nutzende Bethe-Weizsäcker-Zyklus (CNO-Zyklus)
Welche Massen und Energien werden umgesetzt?
Bei der Fusion von vier Protonen zum Heliumkern (und zwei Positronen) wird aufgrund des auftretenden Massendefekts eine Energie von etwa 25 MeV frei, eine direkte Folge der Äquivalenz von Masse und Energie E = mc2. Bei der Sonne bedeutet das, dass in jeder Sekunde etwa 564 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 560 Millionen Tonnen Helium "verschmolzen" werden, der Massendefekt also 4 Millionen Tonnen in jeder Sekunde beträgt.
Welche Temperaturen herrschen dabei?
- In Sternen sind Temperatur von 5 bis 55 Millionen Kelvin üblich.
- Die Sonne ist in ihrem Kern etwa 14,8 Millionen Kelvin heiß.
Wie viel Masse wird in der Sonne umgesetzt?
- In der Sonne werden pro Sekunde etwa 564 Millionen Tonnen Protonen zu rund 560 Millionen Tonnen Helionen verschmolzen.
- Als Helion bezeichnet man einen Wasserstoffkern aus zwei Protonen und einem Neutron.
- Siehe auch Wasserstoff ↗
Was folgt auf das Wasserstoffbrennen?
Hat ein Stern einen großen Teil seines Wasserstoffs aufgebraucht, sinkt die Fusionstätigkeit ab. Dadurch kann der Stern seinem eigenen Gravitationsdruck nicht mehr wiederstehen und der Stern schrumpft. Dadurch erhöhen sich Druck und Temperatur im Inneren. Das wiederum zündet eine zweite Stufe von Kernreaktionen, das sogenannte Heliumbrennen ↗
Fußnoten
- [1] Aristoteles (384 bis 324 v. Chr.) nahm an, dass die Wärme der Sterne aus Reibung mit der Luft entstünde: "Die Wärme und das Licht entströmt ihnen, weil die Luft durch ihre Ortsbewegung gerieben wird. Denn die Bewegung ist ihrer Natur nach dazu geeignet, Holz, Steine und Eisen zu entzünden." In: Aristoteles Werke in deutscher Übersetzung. Begründet von Ernst Grumach. Herausgegeben von Hellmut Flashar. Band 12. I. Teil III Über den Himmel. Übersetzt und Erläutert von Alberto Jori. Akademie Verlag. Berlin. 2009. ISBN: 978-3-05-004303-6. Dort 289 a, Seite 65.
- [2] Wasserstoffbrennen als dreistufiger Prozess: "In the first stage two protons combine and one of them converts into a neutron to form a nucleus of the heavy isotope of hydrogen known as deuterium. Next, the deuterium nucleus combines with another proton to form the light helium isotope known as helium-3. Finally, two helium-3 nuclei combine to form helium-4, releasing two protons." In: EuroFusion. Offizielle Webseite der Europäischen Forschung zur Kernfusion. Abgerufen am 6. Februar 2024. Online: https://euro-fusion.org/fusion/fusion-on-the-sun/
