Montag, 2. September 2019

Mythos CO2

(Man beachte die im Text blau gekennzeichneten Hyperlinks zu den Quellen.)

Prof. Dr. Thomas Stocker spricht für die Glarner Klimajugend,
Film zu dieser Veranstaltung am 21. August 2019. (Bild Bruno Fricker)
Mythen erheben Anspruch auf Geltung für die von ihnen behauptete Wahrheit (Wikipedia). Viele Politiker sind sich heute einig, dass Kohlendioxid das ultimativ böse Gas ist. Dabei ist der Anteil CO2 in der Atmosphäre nur etwa 0.04 Vol%. Jedwede CO2-Quelle, sofern sie menschlicher Einflussnahme entspringt, muss sofort abgestellt werden, verlangen sie. Dabei beträgt der menschengemachte Anteil an CO2 nur 0.001 Vol%. Dieser Hunderttausendstel also macht unsere Hitzesommer (obgleich Temperaturmittelwerte massiv manipuliert wurden), sorgt für das Abtauen der Polkappen (jedoch das Meereis am Südpol wächst) und Gletscher (ausser einer in Grönland), hebt den Meeresspiegel an (ausser eine absinkende tektonische Platte ist Ursache) und sorgt für gewaltige Stürme und Trockenheit (Tornados scheinen in den USA seit 1950 abzunehmen).  Ergo: Null menschengemachtes CO2 muss in die Tat umgesetzt werden, andernfalls droht der Untergang unserer Zivilisation in einer nie da gewesenen globalen Klimakatastrophe. Ich übertreibe nicht, die Grünen denken so. Und sie wähnen sich damit auf sicherem wissenschaftlichem Grund, durch das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) und durch unsere Berner Forscher vom Oeschger Zentrum für Klimaforschung OCCR. Hier sind 250(!) akademische Mitarbeiter beschäftigt plus 10 Gastprofessoren aus aller Welt. Der Einfluss dieses Zentrums muss schon rein zahlenmässig übermächtig sein, zumal für die kommende Generation, und für die Welt, da diese Leute massgebende Sitze im IPCC innehaben. Ist dort die Brutstätte für den Mythos des bösen Gases? Nur die Treibhaus-Gemüsebauern können das CO2 noch schätzen; sie fluten ihre Treibhäuser mit der vierfachen Menge des atmosphärischen Kohlendioxids. Das scheint pflanzliches Wachstum wie Dünger zu stimulieren. Doch diese Treibhaus-Pflanzen sind unter Glas oder Folie. Nun schreiben die vielen Forscher im Kanon seit Jahren vom Treibhaus-Effekt am offenen Himmel, als würde da oben die Wärme der Sonne unter einem CO2-Deckel eingesammelt. Diese Mär, die schon in unseren Schulbüchern illustriert eingepaukt wurde, erwies sich als unhaltbar. Hier eine Zusammenfassung der IPCC-Vorhersagen im Laufe der Zeit:

Im Dunstkreis des voll ausgebildeten Mythos ist es jedoch schwierig, einzelnen Wortführern Volksverhetzung nachzuweisen.
Auch mein verehrter Physikprofessor, Jean-Pierre Blaser (†29.8.2019),  ärgert sich in seinem letzten grossen Vortrag an der ETH darüber. Es ist alles viel komplizierter. Irgendwo in den gewaltigen Klimaberichten, die das IPCC herausgibt, ist ganz versteckt richtig zu lesen:
In der Klimaforschung und -modellierung müssen wir erkennen, dass wir es mit einem gekoppelten nichtlinearen chaotischen System zu tun haben, und dass daher eine langfristige Vorhersage zukünftiger Klimazustände nicht möglich ist.
Also kann doch das hunderttausendstel Kohlendioxid, das wir in Kürze auf „netto.null“ herunterfahren wollen, nie und nimmer eine Garantie dafür sein, dass wir damit das Klima „retten“. Zumal viele Länder sich dafür nicht einspannen lassen, sondern Wohlstand anstreben wie bei uns. Und wenn wir 2050 tatsächlich unseren CO2-Ausstoss in der Schweiz nullen könnten, was würde das nützen? Landfläche Schweiz/Welt: Dieser Beitrag wäre höchstens 0.1 Promille von diesem notwendigen Hunderttausendstel. Und wie läuft es in Deutschland, wo demnächst auch das letzte klimaneutralen AKW abgeschaltet wird? Hier steht, mangels Wasserkraft, eine Kompensation mit Gas- und Kohlekraftwerken bevor, in einem Ausmass, dass man nach Auswegen sucht und sie in der Verpressung der Abgase in 800 Meter Tiefe zu finden hofft. Diese sogenannte CO2-Sequestrierung ist aber eine Langzeit-Bombe, da Flüchtig-Gas-Lager lecken, im Gegensatz zu den radioaktiven Tiefenlager für langlebige festgepackte Nuklide. Kurzum: Statt Abbau steht fast überall eine Zunahme des menschengemachten Kohlendioxids bevor! Das Klima lässt sich überhaupt nicht retten. Unser Einfluss ist viel zu schwach. Klimaschutz geht nicht. Das Klima ist weit komplexer als unsere Schulbuch-Modelle. Das Klima ist ein gewaltiges oberirdisches und marines System, das unerhörte Energiemengen aus Sonne und Erdkern umwälzt, und das sich durch Tipping-Points, Hysteresen und extrem lange Verweildauern von Jahrhunderten für CO2 in der Atmosphäre auszeichnet. Umweltschutz geht sehr wohl, dieser beginnt in unseren eigenen vier Wänden. Was folgt daraus? Kluge Anpassung ist das Gebot der Stunde, wenn wir in bedrohlicher Lage diesem tatsächlichen Klimawandel widerstehen wollen. Das aber braucht Energie, insbesondere viel elektrische Energie, wie sie unsere Stauseen und unsere AKWs seit Jahrzehnten zuverlässig an die Steckdose liefern, auch im Winter und nachts. Auf keinen Fall dürfen wir unsere bewährte Grundversorgung 70% Wasserkraft und 30% Kernenergie preisgeben! Aber wir haben uns politisch genau in diese Zwickmühle hinein manövriert, indem wir die Erneuerung unserer AKWs verboten haben (Energiegesetz vom 30. September 2016, Volksabstimmung vom 21. Mai 2017). Noch in diesem Herbst 2019 wird das AKW-Mühleberg ersatzlos abgeschaltet. In Art. 12a des Kernenergiegesetzes heisst es seither „Rahmenbewilligungen für die Erstellung von Kernkraftwerken dürfen nicht erteilt werden“. Leider wird es noch eine Weile dauern, bis die Mehrheit in unserem Land erkennen wird, dass wir hier den Ast absägen, auf welchem wir sitzen.
Ein Musterbeispiel, wie der menschliche Einfluss auf das Klima als wissenschaftliche Tatsache hochgepokert wird, lieferte Raphael Neukom vom Oeschger Zentrum kürzlich in NATURE: sein Artikel „No evidence for globally coherent warm and cold periods over the preindustrial Common Era“. Diese Studie hat es schlagartig in die populäre Weltpresse und in die Schweizer Haupt-Tagesschau geschafft. Sie wird dort meist umgekehrt kolportiert: „Nur in der industriellen Epoche hat sich das Klima weltweit kohärent erwärmt.“ Hohe Kohärenz wäre in der Tat eine starke Eigenschaft, die zwingend auf eine gemeinsame Ursache hinweist. Sie ist unabhängig von der Stärke der Temperaturzunahme; dass diese überall gemeinsam verläuft, ist im Kern die spektakuläre neue Botschaft. Das hat vorher noch niemand auf den Punkt gebracht. Ich kenne die numerische Kohärenzfunktion von ihrer Anwendung in der Epilepsie- und Schlafforschung gut. Dort findet man damit den gemeinsamen Pacemaker, von welchem sich die Erregung ausbreitet. Das Hirn ist in seiner Komplexität durchaus vergleichbar mit der irdischen Atmosphäre. Wäre ja toll, dachte ich, wenn man das globalen Klimanetz (5x5-Winkelgrad-Raumraster in 51 Jahren Zeitepochen) mit der Kohärenzfunktion räumlich-zeitlich auf einen gemeinsamen Pacemaker hin untersuchen könnte, mit und ohne anthropogenen Einfluss. Ich kaufte den Artikel bei NATURE und war sogleich enttäuscht. Da steht noch im Textblock auf der ersten Seite versteckt in Klammer, dass nicht die mathematische Kohärenzfunktion, sondern ein trivialer Kohärenzbegriff gemeint ist, dem jedwede Beliebigkeit anhaftet! Die Beliebigkeit zeigt sich in der Vielfalt zusammengewürfelter statistischer Methoden für den Nachweis dieser prä-industriellen Nicht-Kohärenz. Ganz am Schluss der Studie kommt noch als Amen das Bekenntnis, dass doch nur der Mensch und seine Industrie dieser gemeinsame Pacemaker sein könne. Da ist keine Spur von selbstkritischer Diskussion, welche gemeinsame Ursache denn noch in Betracht käme, um den Temperatursprung in der industriellen Epoche zu erklären. Ein zeitliches Zusammentreffen ist noch lange keine Ursache. Korrelation und Kausalität sind nicht dasselbe! Es ist jedoch klar, dass diese Autoren von A bis Z nur auf diesen spektakulären "Beweis der anthropogenen Ursache" hin gearbeitet haben, und die PR-Maschine des Oeschger-Zentrums kann diese Resultate lukrativ für sich verbuchen. U.a. mit diesem publizistischen Wirtshaus-Schild-Trick „Kohärenz“, bei dem jede(r) Naturwissenschafter(in) erwacht und hinschaut, alimentiert sich das Oeschger-Zentrum, mit seinen 250 wissenschaftliche Mitarbeitern (und 10 Gastprofessoren). Ich bin kein Klimaskeptiker und sehe den Wandel des Klimas auch. Aber ich bin zutiefst unsicher, was ich von der gegenwärtigen klimawissenschaftspolitischen Propaganda der Schweiz noch halten soll, denn die wichtigste klimapolitische Staatsaufgabe, genug elektrische Band-Energie im Land zu haben, bleibt aussen vor. Man will das heisse Eisen AKW einfach nicht anpacken.
So kam es, dass noch ein Mythos – Atomangst – die Klimadiskussion höchst irrational befeuert, in unserem Land, genauso wie in Deutschland. Die damalige Bundesrätin Leuthard ist nach Fukushima leider in diese Falle getappt. Erstaunlicherweise will niemand wahrhaben, dass im Westen durch den Betrieb von Atomkraftwerken noch niemand zu Tode verstrahlt wurde. Mehr als sieben Jahre nach der Katastrophe in Fukushima hat Japan einen einzigen Strahlentoten offiziell bestätigt. Etwa 18‘500 Menschen starben oder verschwanden aber im Erdbeben und im Tsunami. Im krassen Gegensatz dazu haben die Betreiber von Kohlekraftwerken durch Luftverschmutzung schon viele Tausende Tote auf dem Gewissen. Radioaktive Kohlekraftwerke notabene, die alle abgestellt werden müssten, wenn sie der Nukleargesetzgebung unterstünden. Doch diese gilt nur für Kernkraftwerke. Der unabhängige Chemiker, Mediziner und Biophysiker James Lovelock begründete 1979 mit seinem Buch „Gaia: A new Look on Life and Earth“ die grüne Bewegung. Heute stösst er die Grünen vor den Kopf, indem er bereits in drei Büchern feststellt, nur durch die Nutzung von Atomenergie könnten die Menschen sich vor der gefährlichen Unbill des Klimas retten.
Einen Mythos zu dekonstruieren und gegen den anderen auszuspielen, scheint das Gebot der Stunde zu sein. Wir müssen die Atomangst überwinden, um den Klimaschwankungen zu widerstehen. In China geht in diesem Jahr ein wirklich eigensicherer Uranreaktor vom Typ HTR-PM in Betrieb. Der chinesische Chef dieses Projekts hat die Grundlagen dafür als Postdoc in Jülich-D gelernt. Ähnliche Beispiele gibt es auch im PSI, wo die erfahrenen Experten in den Ruhestand gehen und ausschliesslich Chinesen mit diesem Wissen nach China gehen, in das führende staatliche Institut für Kernenergie. Sogar Schweizer Experten zeigen sich eigenartig mutlos und sprechen von einer „Sauerei“, wenn es um die Trennung von radioaktivem Müll geht, wo unter schnellem Neutronenbeschuss langlebige Nuklide in relativ kurzlebige umgewandelt würden. Das Lagerproblem würde sich durch diese Transmutation deutlich entschärfen, da Endlager nur noch auf einige Hundert Jahre ausgelegt werden müssten. Die „Sauerei“ scheint den Chinesen weniger Kopfzerbrechen zu bereiten, denn sie haben einen neuartigen chemischen Weg gefunden, um die betreffenden Isotope sauber zu trennen. Man spricht von einem Durchbruch und wird die Technologie in den Brennstoffzyklus modernster Reaktoren einbauen, wodurch sich auch deren Abfallmenge massiv verkleinert. In der Schweiz nimmt das niemand zur Kenntnis. Über neue Atomkraftwerk-Technologie zu sprechen ist in der Öffentlichkeit tabu. Bei ProClim, dem Forum für Klimawandel, das zwischen Politik und Wissenschaft in der Schweiz vermittelt, kommt der Begriff Kernenergie überhaupt nicht mehr vor.
Lässt sich unser Handeln in der Klimawende wissenschaftlich fundieren? Zumindest wird es in der Schweiz mit grossem Aufwand versucht. Es ist zu hoffen, dass dies bei uns die richtigen Früchte trägt. Wissenschaft ist nur, was sich falsifizieren lässt. Werden die Events jedoch zu einer endlosen Serie selbstbestätigender Verkündigungen immer gleicher Ideen einer Handvoll Super-Meinungsmachern unter dem Applaus grüner Politiker, die nach „Massnahmen“ rufen, aber ausser Flugticketzuschlag und Benzinabgabe keine Ideen haben, dann ist Vorsicht geboten. Leider werden erst unsere Urenkel dereinst genau wissen, ob die heutigen Mythen CO2 und Atomangst Hand und Fuss hatten. Die Klimaforscher haben ja nur ihre programmierten Computerspiele, virtuelle Modelle, mit denen sie die Zukunft antizipieren und die Politik auf Trab bringen. Mit dem Treibhauseffekt durch Kohlendioxid lässt sich die Erde mit der Bestätigung Zeit, viel Zeit! Und ein sehr erfahrener Physiker sagte mir kürzlich, die irrationale Atomangst werde vielleicht erst dann abnehmen, wenn die Schweiz einen massiven Blackout der Stromversorgung erleben werde. Dieser könnte für viele Menschen tödlich sein. Die Glarner Klimajugend hatte einen guten Riecher, als sie dem Referenten Prof. Dr. Thomas Stocker und den vier wichtigsten Glarner-Politikern zum Schluss einer gelungenen Grossveranstaltung (s. Bild) in der Aula der Kantonsschule Glarus „Globis Reise in die Energiezukunft“ schenkten. Darin wird auch Kernenergie erklärt. Es war ein Hinweis mit Augenzwinkern, dass die spröden und schwer verdaulichen Monster-Klimaberichte der IPCC wenig nützen, wenn sie nicht auf Laienstufe heruntergebrochen werden. Auch ich habe sie kaum gelesen und abgeschreckt abgespeichert. Von den jüngsten Büchern von James Lovelock „The Vanishing Face of Gaia (2009), A Rough Ride to the Future (2014) und Novacene (2019)“ mit ihren visionären Zukunftsentwürfen und technologischen Abwehrmassnahmen, die vom erfahrenen Autor kritisch bewertet werden, zieht mich indessen jede Seite in ihren Bann.
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Mittwoch, 26. Juni 2019

Harmlose Kernenergie II

Windturbine auf dem Randen (Bilder Bruno Fricker)

Bitte beachten Sie die Hyperlinks im Text, statt Literaturverzeichnis.

Zusammenfassung

Wer cool auf die Geschichte der Kernreaktoren blickt, erkennt: Atomkraftwerke sind die bislang sicherste Versorgung mit elektrischer Bandenergie. Durch ihren Betrieb hat sich im Westen kein einziger Todesfall ereignet. Kernkraftwerke waren und sind so zuverlässig wie Wasserkraftwerke (Link). Die Energiewende ist im Gange, mit dem heissen Sommer erst recht. Anton Gunzinger, Tausendsassa in Supercomputern, weibelt landauf landab für Null CO2 mit den neuen Erneuerbaren. Wer wie Gunzinger von seiner Mission derart eingenommen ist und sich als Schwarzmaler für Kernenergie outet, ist vielleicht auf einem Auge blind. Was propagiert Gunzinger eigentlich? Er will die Schweiz mit 100 Prozent erneuerbarem Strom versorgen und unabhängig von Stromimporten machen. Dazu wären 150 Quadratkilometer Solarpanels und 2250 Hochleistungs-Windturbinen mit je 2 Megawatt Leistung (140 m Höhe) notwendig, wie Gunzinger berechnet hat. Dazu müssten alle 2 Millionen Gebäude mit Solardächern möglichst rasch (zwangsweise) eingedeckt werden. Windturbinen brauchen viel Platz. Der minimale Abstand beträgt 800 Meter zum nächsten Haus, das ergibt eine Gefahrenzone von zwei Quadratkilometern um jedes Rad. Also benötigen die 2250 Windräder 4500 Quadratkilometer Landfläche. So viel Landwirtschaftsland besitzt die Schweiz. Und dennoch konstatiert auch Gunzinger eine riesige Versorgungslücke im Winter, die er durch zahlreiche Biogas-Kraftwerke schliessen möchte. Biogaskraftwerke produzieren Methan, ein wichtiges Treibhausgas, und mehrere für Menschen gefährliche Gase (Link). Man sollte das eine tun und das andere nicht lassen. Für eine zeitweise reichliche und CO2-neutrale Stromversorgung begrüssen wir die neuen erneuerbaren Energien, ohne Zwang und wo es passt. Um nicht zu scheitern, müssen wir auch den Weg für eine Erneuerung unserer Atomkraftwerke frei machen. Die im Bau befindlichen Reaktoren Typ III+ sind noch sicherer. Sie sind sogar erneuerbare Energiequellen, da der noch sehr energiereiche Atommüll wiederverwendet und die Menschen auf unabsehbare Zeit versorgen wird. 
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Das „Rubbiatron“ ist kein Luftschloss mehr, es ist in Belgien im Bau. Es wird langlebigen Atommüll in kürzerlebige Nuklide verwandeln und dabei Energie liefern (myrrha.be). Ich habe dies in der Mai-Kolumne kolportiert. – Werfen wir nun einen Blick auf die globale Zukunft der Kernenergie. Die Schweiz hat leider beschlossen, die Kernenergie auslaufen zu lassen. Die Stimmbürger haben am 21.Mai 2017 das neue Energiegesetz angenommen, in dem die Förderung der erneuerbaren Energien mit einem Verbot des Baus neuer Kernkraftwerke gekoppelt ist. Man kann in Zweifel ziehen, ob sich die Stimmbürger gegen Kernenergie ausgesprochen hätten, wenn über beide Punkte separat abgestimmt worden wäre. Wir erachten das AKW-Bauverbot jedenfalls als fatalen Nachteil für die Schweiz, weil es die Energiewende massiv gefährden wird. Dies wird in vielen Ländern ganz anders gehandhabt. Das Power Reactor Information System der IAEA macht dazu präzise Angaben. Es gibt weltweit 24 Länder, die mindestens so viel Kernenergie produzieren wie die Schweiz. Die alphabetische Liste dieser Staaten lautet:

In 14 Ländern (+) werden derzeit neue Kernkraftwerke dazu gebaut. Die mit Abstand grössten Atomkraft-Produzenten sind die USA, Frankreich, Japan, China, Russland und Indien. In diesen 14 Ländern (+) gibt es nukleare Neubau-Projekte. Es kann mithin keine Rede davon sein, die Kernenergie sei ein Auslaufmodell. 2017 waren weltweit 449 Atomreaktoren in Betrieb. Diese haben netto 2‘519 TWh Strom erzeugt, das waren 11% der gesamten Stromproduktion. Die Schweiz produzierte atomar 20 TWh mit 33% Anteil am Strommix. 2017 baute die Welt 55 neue Kernkraftwerke. Blicken wir auf die gut 50-jährige Erfolgsgeschichte: Die US-Navy betrieb 254 Kernreaktoren für den Schiffsantrieb ohne schädliche Freisetzung von Radioaktivität. In den Vereinigten Staaten sind heute 99 zivile Atomkraftwerke in Betrieb, es gab bis jetzt deswegen keinen einzigen Todesfall. Derzeit gehen in den USA zwei neueste Druckwasserreaktoren mit passiver Sicherheit ans Netz. Sie versorgen rund eine Million Häuser. Bei einer gravierenden Störung kann sich dieses System ohne Benutzereingriff und bei Stromausfall ohne Pumpen automatisch abschalten. Der Reaktorkern schützt sich selber, mit Hilfe der Schwerkraft und der natürlichen Wasserzirkulation in seinem Innern. Durch den Betrieb dieses Megakraftwerks entstehen – es kann nicht genug betont werden – kein CO2 und   keine schädlichen Treibhausgase. Uran ist ein Brennstoff, der nicht brennt und deshalb auch keinerlei Luftschadstoffe oder Treibhausgase erzeugt. Man spricht zwar von Brennstäben, aber das ist keine Verbrennung wie bei Kohle, sondern eine Entfesselung der Bindungsenergie von Atomkernen. Uran ist ein Geschenk der Natur. Es besitzt eine ungeheure Energiedichte. Um eine gute alte 100 Watt Glühlampe 1 Jahr leuchten zu lassen braucht es 400 kg Kohle oder 1.5 Gramm 5% angereichertes Uran, wie es im Kernreaktor vorliegt. Jede Person in der Schweiz braucht etwa das 10-fache an elektrischem Strom. Alle Bewohner der Schweiz brauchen also gut 40 Tonnen Uran in Reaktorqualität pro Jahr, da ein Drittel des Stroms aus Kernkraft kommt. Hinzu kommen die Industrie und das Gewerbe. Pro Jahr benötigen die fünf Schweizer Kernkraftwerke insgesamt rund 550 Tonnen Natur-Uran, respektive 80 Tonnen angereichertes Urandioxid, was einem Volumen von gut sieben Kubikmetern entspricht. Das stärkste unserer Atomkraftwerke, Leibstadt, benötigt 25 Tonnen jährlich. Seine Bruttoleistung beträgt 1275 MW. Das entspricht rund 16 % des in der Schweiz verbrauchten Stroms. Es liefert Strom für 2 Millionen Haushalte auf einem nur 24 Hektaren grossen Areal.
Die Welt befindet sich mit der Atomenergie an einer technologischen Wende hin zu den Generation-IV Kernreaktoren. Es wird rund um die Erde an neuen Reaktortypen gearbeitet, mit denen vier Verbesserungen angestrebt werden:

-          Reaktorsicherheit: unkontrollierte Überhitzung und Kernschmelzen wären durch passive Eigensicherheit ausgeschlossen
-          Reduktion radioaktiven Abfalls: langlebige Atomabfälle gäbe es viel weniger, da selbst der radioaktive Müll früherer KKWs unter Energiegewinnung transmutiert und in radioaktiv kurzlebige oder nicht radioaktive, teilweise wertvolle Nuklide umgewandelt wird; dadurch würde das Endlagerproblem entschärft
-          Proliferationsresistenz: das Abzweigen von Spaltprodukten für militärische oder terroristische Verwendung würde noch schwieriger
-          Wirkungsgrad: durch hohe Temperaturen entstünde nebst Strom auch hochwertige Prozesswärme, die für Energiespeicherung verwendet werde kann (Produktion synthetischen Treibstoffs aus Luft, Wasserstoffproduktion)
-          Erneuerbare Kernenergie: der aufbereitete Kernbrennstoff wird nicht nur einmal verwendet und dann als Abfall entsorgt, sondern grösstenteils rezykliert, wodurch der Brennstoffkreislauf geschlossen wird; die Kernenergie wird durch „MOX-fuel“ erneuerbar; diese Abfallreduktion durch „Verbrennung“ wurde schon seit Jahren gemacht

Die neuen Kernreaktortypen arbeiten mit schnellen Neutronen und sehr hohen Temperaturen. Letzteres eröffnet ein weites Feld für einen energetischen Doppelnutzen: Turbinierter elektrischer Strom und Prozesswärme ergeben zusammen einen viel höheren Wirkungsgrad. Die überschüssige Prozesswärme kann in umweltneutrale Energieträger umgewandelt werden (synthetischer Treibstoff und Wasserstoff). Die energetisch wertvollen und teils seltenen Endprodukte aus Fission und Transmutation durch schnelle Neutronen werden für medizinische Anwendungen und in der Produktion hochwertiger Industrieprodukte gefragt sein. Die Trennung der zahlreichen, auch hochradioaktiven Spaltprodukte ist allerdings eine komplizierte Sache, die durch moderne Nuklearchemie und Robotertechnologie aber lösbar erscheint. Die ETHZ und ETHL leisten dazu wichtige Forschungsbeiträge. Das PSI verfügt aus vergangene Anstrengungen über die weltweit leistungsfähigste Quelle für schnelle Neutronen, fortschrittlichste Methoden zur Materialforschung, ein Hotlabor und erstklassige Fachleute. Diese Forschung ist international und langfristig. Das PSI hat z.B. Chinesen ausgebildet. Seit Jahrzehnten wurde bei uns in dieser Sache zu wenig investiert. Nun sind Geldmittel durch das fatale Verbot neuer Atomkraftwerke erst recht blockiert. Es ist höchste Zeit, dieses Verbot im Interesse des Klimaziels aufzuheben. Ohne Kernenergie wird es scheitern.
Da die Erneuerbaren keine tragfähige Lösung bieten, kann sich eigentlich kein fortschrittlicher Staat erlauben, die Kernenergieforschung zu vernachlässigen. Denn was sind die Konsequenzen dieser sogenannt nachhaltigen Energiewende für die Schweiz, welche „Atomkraft-nein-danke“ skandiert?  Ihr heutiger omnipräsenter Wortführer, Anton Gunzinger (Computeringenieur, nicht Physiker), hat es selber verdienstvoll und genau ausgerechnet, notabene für den heutigen Elektrizitätsbedarf, der doch gewiss enorm steigen müsste, wenn fossile Verbrennung verboten wird. Hier nur zwei bizarre Eckpunkte seiner Vision für die solare Schweiz: 150 Quadratkilometer Solarpanels (alle 2 Millionen Gebäude müssten damit zwangsweise eingedeckt werden), 2250 mächtige Windturbinen (auf unseren schönen Höhenzügen, Kuppen, Gebirgszügen wohin das Auge schaut rotieren im Alpenland gewaltige Räder) mit einem enormen Platzbedarf (Abstand 800 Meter zum nächsten Haus, möglichst keine Menschen in dieser Gefahrenzone von zwei Quadratkilometern um jedes Rad, also mit 4500 Quadratkilometern Flächenbedarf nur für die Windenergie, etwa so viel wie helvetisches Landwirtschaftsland).
Und dennoch konstatiert auch Gunzinger eine riesige Versorgungslücke im Winter, die er durch zahlreiche Biogas-Kraftwerke schliessen will, die durch explosives Methan und giftiges, stinkendes Schwefelwasserstoffgas Mensch und Umwelt erheblich gefährden würden. Tatsächlich werden wir im Winter nur durch Stromimporte, vermutlich aus Frankreichs 58 Atomkraftwerken, genug Strom haben. Deutschland wird im Winter selber zu wenig Energie haben, weil dannzumal auch sein Gaspotential ausgeschöpft und die dreckige Kohlekraft kaum mehr opportun sein wird. Ab 2022 hat ausgerechnet das Land der Maschinenbauer keine Atomkraftwerke mehr. Die Deutschen könnten uns aber Atommüll liefern, den wir in modernsten Kernkraftwerken transmutieren würden, ohne unsere einmalige Landschaft und die saubere Luft kaputt zu machen. Der bisherige AKW-Abfall enthält noch 95% ungenutzte Kernenergie. Wir hätten energetisch ausgesorgt, würden den Deutschen die Endlagerung abnehmen und hätten weiterhin mehr als genug erneuerbare Atomkraft in Ergänzung zu unseren Stauseen.
Kurzum: Etwas Windkraft und etwas Solarenergie sind sicher willkommen, aber bitte weiterhin mit diesem Drittel Atomstrom.
Warum unsere Gunzingers die Kernenergie scheuen wie der Teufel das Weihwasser ist schleierhaft. Die Angst vor einem Supergau und Verstrahlung ist überholt! Ein Beispiel: Es würde niemandem einfallen, auf die heutige Röntgendiagnostik mit CT-Scannern und auf die hoch wirksame Radio-Onkologie, auf Gamma-Knifes und radioaktive Seeds und PET-Scans, Knochenszintigramme und den Herzkatheter zu verzichten, nur weil dabei hohe Strahlendosen im Spiel sind, mit denen sich die Pioniere vor 100 Jahren verstrahlt haben, weil sie nicht wussten, was sie taten. (Dennoch wurde Madame Curie 66 Jahre alt.) Diese Strahlen sind heute berechenbar und kontrollierbar, genau wie die Abläufe in einem modernen Kernkraftwerk auch. Schon im Physikstudium erklärte uns der Kernphysik-Professor Marmier: „In einem Atomkraftwerk sind Sie besser vor Strahlung geschützt, als im Engadin.“ In der Medizin ermöglichen die Strahlen drastische Lebensverlängerung, nicht Verkürzung. Generell wird Radiotoxizität massiv überschätzt, geflissentlich übersehen werden dagegen die gesundheitlichen Schäden von Kohlekraftwerken. Warum will man ausgerechnet unsere sicherste Grundenergiequelle an die Wand fahren, die ein gutes Drittel unserer Industrie und unserer Haushalte seit 50 Jahren zuverlässig versorgt hat?
Wir sind stolze Innovationsweltmeister. Die Willensnation möge auch mit verstärkter Innovationskraft bitte ihre bewährten KKWs ersetzen, statt abstellen, und damit gleichzeitig auch das Endlagerproblem einer Lösung zuführen. Das sind keine übertriebenen Utopien, es ist die normale Evolution von Wissenschaft und Technologie in unserem schönen Land, das in Forschung und Ingenieurskunst seit eh und je die hellsten Köpfe vereint.



Montag, 22. April 2019

Für eine harmlose Kernenergie


Denkschrift für eine bürgerliche Energiepolitik

„Die Zurückhaltung der für die Energiezukunft zuständigen politischen Behörden ist ein Rätsel“, schreibt Pascal Couchepin im Vorwort zum 500-seitigen Kongressband Thorium Energy for the World, am CERN in Genf 2013, den ich in der ETH-Bibliothek entdeckt habe.1 In der Tat: Fachkompetenz und teilweise auch die Hardware für eine harmlose Kernenergie wären am Paul Scherrer Institut PSI im ländlichen Aargau vorhanden, doch es fehlte bisher am politischen Willen, diesem einzigartigen Forschungsplatz finanziell zu ermöglichen, einen nachhaltigen Forschungs-Kernreaktor zu bauen, mit dem wichtigen Ziel, das radioaktive Abfallproblem unserer veralteten vier KKWs durch Transmutation zu entschärfen.2 Stattdessen exportiert der Bund hiesiges Plutonium in den Stockpile der USA.3 Das PSI ist mit seinen vier Teilchenbeschleunigern weltweit führend in der Materialforschung, und es hatte für die Krebsbehandlung schon Ende 2010 rund 5500 Patienten mit Protonen bestrahlt, in mehr als 98% der Fälle mit Erfolg. Damit wurde das PSI weltweit zum Schrittmacher in der Partikeltherapie.4 Die Internationale Atomenergie-Organisation IAEA unterstreicht an ihrem Advisory Group Meeting5 zur Jahrtausendwende: Obgleich die Schweiz an den nuklearen Energieverstärker- und Transmutationsprogrammen nicht direkt beteiligt ist, wurde dem Paul Scherrer Institut das höchste technische Potenzial in Europa bei den Beschleunigern und bei den Spallationsneutronenquellen (1MW für die Produktion von Neutronen) attestiert.6 Neu im Bau ist die europäische Neutronenquelle in Lund, Schweden. Dort ist eine 5MW Strahlleistung geplant. Um das in der Schweiz anfallende radioaktive Material mit Spallationsquellen zu transmutieren, würden etwa 30 MW benötigt. Dass am PSI mit wenigen Mitarbeitern binnen 40 Jahren eine 24x höhere Strahlleistung erreicht werden konnte, zeigt doch, dass dieses Ziel, den KKW-Abfall in der Schweiz zu verkleinern, nicht unerreichbar ist.

Verpasste Chancen
In Bezug auf Forschung und Entwicklung der Kernenergie jedoch hat die Schweiz leider grosse Chancen verpasst. Zwar war sie historisch mit Versuchsreaktoren bis 1977 gut aufgestellt. Doch nach einer Explosion am 21. Januar 1969 in Lucens erlahmte der politische Wille, in diesem wichtigen Bereich weiter Pionierarbeit zu leisten. Aus dem Debakel KKW Kaiseraugst gingen die Atomenergie-Gegner in der Schweiz als Sieger hervor. Schliesslich lieferte Fukushima 2011 die letzten Sargnägel der hiesigen Reaktorforschung. Das ist nicht im Interesse der Schweiz. Selbst in Japan gingen viele Kernkraftwerke danach wieder ans Netz. Zwar untersuchte das PSI mit seiner Forschungsgruppe Schwere Nuklearunfälle das Desaster minutiös, das ist gut so. Noch besser wäre es, dieses Wissen jetzt auf unsere zukünftige Versorgung mit Kernenergie anzuwenden. Aber die Reaktorphysik ist in der Schweiz schon lange defensiv. Sie befasste sich nie mit der Planung eines nachhaltigen Versuchsreaktors. Man hätte 1993 Carlo Rubbias Reaktor-Konzept aufnehmen können, als dieser am CERN noch Generaldirektor war und den Nobelpreis erhalten hatte.7 Stattdessen gehen nun unsere Kinder auf die Strasse, weil sie spüren, dass für unsere Energiezukunft zu wenig geschehen ist. Wind und Sonne wollen unsere Kinder endlich nutzen. Vielleicht wären sie sogar bereit, ihre Wäsche wieder an der Leine statt im Tumbler zu trocknen, um damit einen Viertel KKW einzusparen. Unsere Dächer sind noch kaum solar verdrahtet, PV-Fassaden kann man an einer Hand abzählen. Wegen Windgeneratoren hat Seldwyla Streit im Dorf. Die Bevölkerung hat den fünf geplanten 4MW-Rotoren in der Linthebene eine Abfuhr erteilt. Jedwedem Ausbau der Wasserkraft halten Natur- und Landschaftsschutz dagegen. Weiterhin bezieht unser Land den Strom aber aus 40% Kernenergie (Beznau I und II, Gösgen, Leibstadt, Mühleberg). Doch diese 1969-84 zugekauften Leichtwasser-Uran-Reaktoren werden immer älter und dürften im innovativsten Land der Welt bald abgeschaltet werden. Und dann? –

Die Zwickmühle
Derzeit ist nicht absehbar, wie Bundesrat und Parlament künftig die Stromversorgung der Schweiz sicherstellen wollen. Weltweit wächst der Energiehunger um Prozente Jahr für Jahr. Eine Trendwende ist nicht in Sicht. Auch in der Schweiz wird der Strombedarf nicht abnehmen, wenn die Häuser nicht mehr mit Öl und Gas beheizt werden und die Autos bald vollelektrisch zirkulieren. Unsere Kinder spüren, dass ein Riesenproblem auf sie zukommen wird. Sie werden die Zeche zahlen für die heutige mutlose Energiepolitik. Grüne und Linke mögen vorwärts machen mit Sonne und Wind (und Vorschriften und Abgaben), nur zu! Der Kanton Zürich will sein Klimaziel "Null CO2" statt 2050 jetzt 2030 erreichen. Aber alle werden bald zur Kenntnis nehmen müssen, dass dies nicht reichen wird. Die Bürgerlichen zerfleischen sich im Katzenjammer der letzten Wahlen und stehen mit immer grösseren SUVs im Stau. Ihnen gelten die folgenden Zeilen.

Thorium und Teilchenbeschleuniger eröffnet einen Ausweg
Man nehme doch zur Kenntnis, dass es die Kernenergie weiterhin braucht, aber eine harmlose Kernenergie muss es sein! Der Brennstoff ist nicht mehr Uran, sondern Thorium. In Genf am CERN gab es einen klugen Direktor, Nobelpreisträger Carlo Rubbia. Er publizierte 1995 das „Rubbiatron“, einen eigensicheren Kernreaktor, ohne gefährlichen Abfall, ohne unkalkulierbares Restrisiko, ohne Atomwaffen-Proliferationsrisiko.8 Rubbia erklärt noch heute der Welt unermüdlich, wie der Ausstieg aus der fatalen Uran-Plutonium-Wirtschaft gelingen kann, nämlich mit Beschleunigern. Im Reaktorgefäss befindet sich als Kernspaltstoff Thorium in unterkritischer Form. Thorium hat eine hundertmal höhere kritische Masse als Uran oder Plutonium. Ein unterkritischer Thorium-Reaktor kann nicht durchbrennen. Eine Kernschmelze ist nicht nur statistisch unwahrscheinlich, sondern prinzipiell unmöglich. Th-232 ist auf allen Kontinenten in grossen Mengen als unlösliches Mineral fast ohne CO2-Freisetzung leicht abbaubar. Die bekannten Vorkommen reichen für Jahrtausende. Interessant ist folgende Überlegung: Ein Kohlekraftwerk produziert Asche, aus welcher eine Menge Thorium gewonnen werden kann.9 Diese Menge Thorium würde genügen, um 13 ebenso leistungsfähige Rubbiatrons zu betreiben. Das Endprodukt aus diesem nuklearen Energie-Verstärker ist Material mit nur geringer Radiotoxizität, mit einer Halbwertszeit von nur wenigen Jahren. Nach 500 Jahren strahlen die Spaltprodukte sogar weniger als Kohleasche. Niemand würde auf die Idee kommen, sie für Jahrtausende zu vergraben.

Die für die Spaltung von Thorium nötigen schnellen Neutronen werden dem Reaktor durch einen mächtigen Protonen-Beschleuniger zugeführt, wie man ihn im PSI seit Jahrzehnten optimierte und mit Weltspitzenleistung zuverlässig betreibt. Im Reaktor trifft der Strahl der Protonen aus dem Beschleuniger auf das Spallationstarget. Dort werden Neutronen freigesetzt, um die Zerfallskaskade anzustossen. Damit wird, wie in den bisherigen KKWs, Energie erzeugt. Trifft ein Neutron aus dem Beschleuniger-Target mit 1MeV Energie auf einen Thorium Kern, entstehen zwei leichte Spaltkerne + 2.53 Neutronen + 200MeV Energie, womit über Dampfturbinen elektrischer Strom und Fernwärme generiert wird. In der nuklearen Fernwärme liegt ein beträchtliches CO2 Sparpotenzial.  Dabei bleibt der Reaktorkern stets unterkritisch. Er wird durch den Strahl aus dem Beschleuniger an die Kritikalität herangeführt. Fällt der Strahl aus, kann sich keine Kettenreaktion bilden. Mit der variablen Strahlstärke des Beschleunigers kann die Reaktorleistung wie ein Verstärker flink und präzis gesteuert werden. Das Rubbiatron ist deshalb ein Energieverstärker (Energy Amplifier EA). Es wird in diesem Prozess nie waffenfähiges Plutonium erbrütet. Das im Prozessgleichgewicht entstehende leicht spaltbare Uran 233 dient der Energiegewinnung und ist mit allen zu transmutierenden Atom-Abfällen in einem gekapselten Brenntank überprüfbar versiegelt. Dieser Tank enthält keine aktiven Vorrichtungen wie Pumpen oder Ventile nach aussen. Der Austausch des Tanks wird nur alle 5 oder 10 Jahre vorgenommen. Somit besteht keine Proliferationsgefahr. Im Rückblick ist militärische Nutzung der supponierte Hauptgrund der alten uranfixierten Reaktortechnik der Atommächte.10 Fällt im neuen Konzept der Strahl in einem Störfall aus, versiegt die Kernspaltung sofort und die Energieproduktion klingt zwangsläufig rasch ab. Im grössten Schadensfall würde der Beschleuniger zerstört, womit einige Metallteile versengen könnten. Der Reaktor jedenfalls könnte niemals so durchbrennen, wie es in Fukushima passierte. Sein Inhalt bleibt unter allen Umständen unterkritisch. Es gibt bereits umfangreiche Untersuchungen, die zeigen, es ist machbar. Damit ist eine spontane Erhitzung mit Kernschmelze nach dem Störfall unmöglich. Es entstehen im Thorium-Zyklus des Rubbiatrons keine langlebigen Spaltprodukte, im Gegenteil. Mit den 2.53 Neutronen können im Thorium-Brenntank Plutonium sowie Transurane – Abfall aus den bestehenden KKWs – in kurzlebigen Abfall umgewandelt werden. Man spricht von „Transmutation“. Dieser dann noch maximal 500 Jahre strahlende Abfall aus den nationalen KKWs würde das Tiefenlager-Problem ausserordentlich entschärfen, da man die Lagerstätten nicht mehr für eine „Ewigkeit“ auslegen müsste. Sie könnten eventuell sogar zugänglich bleiben für eine künftige Nutzung der hier versammelten Substanzen und für die Entsorgung durch kommende Technik.11

Fazit für eine zukunftsweisende Energiepolitik
Es genügt nicht, den dreissigjährigen Winterschlaf der schweizerischen Energiepolitik zu beklagen. Nach dem Jammern müssen Taten folgen. Fakt ist, in der Schweiz ist derzeit ein grosses Potenzial an Wissen und Können vorhanden, mit welchem rasch eine Kursänderung eingeleitet werden kann. Dabei könnte das PSI den Lead übernehmen. Es verwaltet zuverlässig die zwischengelagerten Abfälle aus den hiesigen KKWs. Es bildet Fachleute aus, welche die heutigen KKWs bedienen. Es kennt sich aus in Sachen Radioaktivität und Sicherheit wie keine Stelle sonst. Es hat Erfahrung im Betrieb von Forschungsreaktoren. Es kann auch in der Kernenergieforschung an den Schwung und die Begeisterung früherer Jahrzehnte anknüpfen. Als heute entscheidender Vorteil der Kernenergie fällt ins Gewicht: Die Leistung eines KKWs kann sich mit den modernsten fossilen Kraftwerken und mit der Wasserkraft messen. Dabei entsteht, wie bei Wasserkraft, fast kein CO2. In der kommenden Generation harmloser Fissionskraftwerke, die mit Neutronen durch einen leistungsfähigen externen Beschleuniger im Sinne eines Energie-Verstärkers betrieben werden (Accelerator Driven System ADS), sind die Gefahren – Kernschmelze, Verstrahlung, militärische Nutzung, problematische Lagerung strahlender Rückstände – allesamt und jederzeit beherrschbar unter allen denkbaren Szenarien. Ein solches Kraftwerk hat eine berechenbare Sicherheit und ist viel umweltfreundlicher als ein fossiles Kraftwerk. Es verbrennt nicht mehr Uran probabilistisch, sondern Thorium deterministisch. Nicht zuletzt kann es die Radioaktivität eingelagerter Abfälle der heutigen KKWs energetisch gewinnbringend durch Transmutation abbauen (Accelerator Driven Transmutation Technology ADTT).11

Ist es ein Wunder, dass benachbarte Staaten das Heft in die Hand nehmen, wenn in der Schweiz das Interesse an harmloser Kernkraft fehlt? Das Grossvorhaben MYRRHA im Kernforschungszentrum in 2400 Mol, Belgien, hat den ersten Prototypen eines subkritischen Thoriumreaktors mit Antrieb aus einem externen Protonengenerator bei gesicherter Finanzierung auf den Weg gebracht.12 Es musste bei null anfangen, da weder ein kräftiger Protonenbeschleuniger noch eine Spallationsneutronenquelle vorhanden waren. Inzwischen hat man in Belgien den Linear-Beschleuniger für Protonen gebaut, derzeit auf einer noch bescheidenen Leistungsstufe. Erst 2026 wird die nötige Strahlenergie von 600MeV erreicht. Dann wird ein dazu passender Reaktor für MOX-Brennstoff und Blei-Wismut-Kühlung angeschlossen. 2033 wird mit dem Start der Kernspaltung gerechnet. Es ist ein typisches Rubbiatron. Das Vorhaben erregte an der IAEA-Weltkonferenz 2018 in Wien grosses Interesse.13

Das PSI optimierte seit 45 Jahren ein Ring-Zyklotron mit 590MeV Partikelenergie, 2.4mA Stromstärke und 1.4Megawatt Leistung. Daran angekoppelt ist seit einigen Jahren ein flüssiges Blei-Wismut-Target (SINQ mit MEGAPIE14) für einen kontinuierlichen Neutronenfluss von 1014 Neutronen pro Sekunde. Diese Eckdaten sind in Kombination weltweit unerreicht. Es wären die Hauptkomponenten für einen ADS-Versuchsreaktor für Thorium und radioaktive Abfälle aus dem Zwischenlager in Würenlingen. Um die Schweiz zu versorgen, wären 30 Anlagen dieses Typs nötig. Die erste Versuchsanlage könnte das PSI und seine Umgebung mit Strom und Wärmeenergie versorgen. Das PSI hat neuerdings auch einen 700 Meter langen Elektronen-Linearbeschleuniger und Femto-Röntgenlaser namens SwissFEL15 in Betrieb genommen. Seit der Idee bis zur Realisierung dauerte es bei uns 40 Jahre. Er dient der dynamischen Molekülforschung, aber nicht der Energie. Mit SwissFEL hat die das PSI seine internationale Führungsrolle bestätigt, wie Direktor Mesot vor 10 Jahren schrieb: „It shows that Switzerland has an active scientific community eager to use the unique properties of SwissFEL, be it for optimizing catalytic processes, identifying polluting molecules, designing new pharmaceutical drugs or studying defects in engineering materials. As is usual with new facilities, new applications will emerge that no-one had ever imagined.“ So könnte vielleicht der Funke hinüberspringen. Der grundlegende Bereich der nuklearen Energieforschung für die Landesversorgung wurde seit einer Generation vernachlässigt. Das Instrumentarium ist hier vorhanden, um die verlorene Expertise rasch wieder aufzubauen. Wir sollten nicht tatenlos zuschauen, wie in der Willensnation einem KKW nach dem andern die Lichter ausgehen.

Bruno Fricker, dipl. Physiker ETH, CH-8802 Kilchberg ZH, bruno.fricker@spectralab.ch, Ostern 2019

Quellen:
[1] Jean-Pierre Revol et.al. (Eds.): Thorium Energy for the World. Proceedings of the ThEC13 Conference, CERN, Globe of Science, Geneva, Switzerland, October 27-31, 2013.
[7] Rubbia, C. et.al.: Conceptual design of a fast neuron operated high power energy amplifier. CERN/AT/95-44 (ET), 29 Sept 1995. (Link)
[10] Carlo Rubbia: Harmless Energy from Nuclei. In Albert Einstein Memorial Lectures, 2012, The Israel Academy of Sciences and Humanities, Jerusalem, p.109-135
[16] Aus dem neuen Buch von Werner Joho: The Accelerator Facilities at the Paul Scherrer Institute PSI. Verlag BOD, 2019, 64 Seiten, ISBN 978-3-7528-4711-6
Bild Werner Joho, aus  seinem oben zitiertem Buch

Ein grosses Dankeschön geht an Werner Joho vom PSI. Er wies mich auf Carlo Rubbia hin und gab mir viele nützliche Hinweise für diese Denkschrift.  
Dr. Joho war unter anderem für Bau, Bahnberechnungen und viele Leistungsverbesserungen des grossen PSI-Ring-Zyklotrons verantwortlich.
Bild PSI (Link zum neuen Buch[16] von Werner Joho, der diese Maschine über viele Jahre optimiert hat.)
Wird dieses Tafelsilber des innovativsten Landes der Welt nach China verscherbelt?
Oder werden künftige neue KKWs in der Schweiz dereinst von China geliefert? 
Lies dazu: https://journals.aps.org/prab/pdf/10.1103/PhysRevSTAB.14.054402
Warum sind keine junge Studierende unter den Autoren? In der Schweiz werden sie leider kaum noch ausgebildet! Dabei könnten sie an dieser gewaltigen CH-Maschine viel lernen und dafür sorgen, das wertvolle Knowhow zu erhalten und zu entwickeln.
Siehe auch:

a) SPG/CHIPP-Jahrestagung: Maurice Bourquin über die Rolle von Thorium in einem zukünftigen Energiesystem (Link zum InterviewLink zum Vortrag als pptx-download)
b) Revol, Jean-Pierre. (2019). A Proposal for a First ADS Demonstrator: Selected Papers from ThEC15. 10.1007/978-981-13-2658-5_12. (Link1 und Link2)

c) Wie denkt die Welt über Kernenergie und was trägt die Schweiz dazu bei?

Last not least:
d) https://www.win-global.org Frauen für Kernenergie 

Sonntag, 17. Februar 2019

Strahlentherapie - vom Januskopf zum Hoffnungsträger

Bild aus dem PSI-CPT Newsletter (Link)
Eine Strahlentherapie weckt bei Betroffenen gemischte Gefühle und wirft existenzielle Fragen auf. Es beginnt mit CT und MRI. Bilder des Körperinnern zeigen geringfügige Abnormitäten, die oft nur der Radiologe erkennen und deuten kann. Zuweilen werden winzige Proben punktiert, in denen mikroskopische Abnormitäten ausgemacht werden. Wiederum geht eine Spezialistin ans Werk, eine Pathologin, die sich dem Leben auf der Zellebene nähert und deren Spruch oft gravierende Konsequenzen zeitigt. Nun beginnt die architektonische Festlegung des Bestrahlungsplans. Dabei erscheint der Januskopf: Auf der einen Seite zerstören die Strahlen empfindliches Krebsgewebe. Die Zellen des Tumors sind Einzelgänger, die sich um die Regeln der Gewebe-Gemeinschaft keinen Deut scheren.  Nach dem Kreuzfeuer der Bestrahlung geniessen sie keine nachbarschaftliche Aufbauhilfe und sterben ab. Der Zelltod wird im Bestrahlungsplan einkalkuliert und dosiert. Auch gesundes Gewebe wird vom Strahlengewitter erfasst, denn der Krebs wächst oft filigran in das gesunde Gewebe hinein. Doch das gesunde Gewebe ist ein funktionell streng organisierter Verband. Starke morphogenetische Kräfte walten hier. Werden DNA-Brücken in dieser Gemeinschaft durch den Teilchenbeschuss mit zerstört, helfen die noch gesunden Nachbarn die Fehlstellen zu reparieren, und zwar in wenigen Stunden. Die Optimierungsaufgabe der Medizin-Physiker in der Radio-Onkologie besteht in der Erhaltung eines hinreichenden nachbarschaftlichen Supports durch genügend gesundes Gewebe und der notwendigen nuklearen Vernichtung der solitären Tumorzellen. Strahlentherapie bedeutet niederreissen und aufbauen in ein und derselben Kur.
Die Strahlentherapie ist keineswegs neu. Schon Ende des 19. Jahrhunderts haben Ärzte mit radioaktiven Präparaten Tumore eliminiert und damit Menschenleben verlängert.  In den 30er-Jahren wurde bereits im „Kreuzfeuer“ bestrahlt und das den Fokus umgebende Gewebe geschont, allerdings ohne die zielgenaue Tumorlokalisation, die erst das Computertomogramm in den 70er-Jahren ermöglichte. Mit dem Stichwort Computer hat sich auch die Radiotherapie aus dem obskuren Janustempel zur hoch effizienten radiologischen Präzisionschirurgie entwickelt. Nur die „Kobaltbombe“ blieb dort zurück, spielt aber im 21. Jahrhundert keine Rolle mehr. Der Anteil der Strahlentherapie an onkologischer Heilung und Lebensverlängerung beträgt heute rund 50%. Das Messer des Chirurgen und der Strahl stehen, z.B. beim Prostatakarzinom oder im Gehirn, in ebenbürtiger Konkurrenz. Die Strahlentherapie ist berufsbegleitend, ambulant und hat vergleichsweise wenig Nebenwirkungen. Die Vorbereitung eines typischen konformalen 3D-Bestrahlungsplans erfordert die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Strahlenphysiker, Onkologin, Radiologen, Histologin und last-not-least eines Sicherheitsexperten. Alle arbeiten an Bildschirmen; sie benützen fortgeschrittene, zunehmend KI-gestützte Softwareprogramme. Der Elektronen-Strahl wird in einem computergesteuerten Linearbeschleuniger (Klystron und Waveguide) mit ~6-20 MeV aufbereitet. Die Elektronen werden in der Regel im Strahlkopf in Photonen umgewandelt. Mit dieser harten Gammastrahlung kann auch ein tief liegender Tumor je nach seiner anatomischen Lage und Form überall gleichmässig bestrahlt werden. Elektronen können nur wenige Zentimeter eindringen. Sie werden für oberflächennahe Tumore benützt. Eine Präzision im Millimeterbereich wird durch digitale Assistenzsysteme und einem dynamischen Multiblatt-Kollimator (bewegliche Strahlenblende) gewährleistet. Der Strahl folgt den Körperfunktionen wie Herzschlag, Atmung, Darmmotilität; der adäquaten Ausformung des Zielgebiets sind kaum noch Grenzen gesetzt, auch hohle Aussparungen sind zur Schonung empfindlicher Organe möglich; die Fluenzmodulation (IMRT) sorgt für einheitliche Exposition unterschiedlich dicker Gewebeteile und multipler Zielobjekte. Der führende Lieferant dieser eindrücklichen Maschinerie ist die traditionsreiche Varian, eine US-Firma, die schon im zweiten Weltkrieg mit Klystrons in der Radartechnik Erfahrungen gesammelt hatte.

Freilich spielt auch die Schweiz eine führende Rolle in der medizinischen Bestrahlungstechnik. Ein Pionier war der bekannte Physiker Paul Scherrer an der ETH, bei dem vor, während und nach dem Krieg die Fäden der Kernphysik zusammenliefen. Er baute an der ETH schon in den 30er-Jahren das erste Zyklotron zur Beschleunigung von Ionen. Hier im Bild der "Tensator" und das "Cyclotron" (in Betrieb bis 1964, für Protonen bis 15 MeV) in den Katakomben vor dem alten Physik-Gebäude an der Gloriastrasse 35 in Zürich.
Das Cyclotron hier rechts im Bild.
Bilder: ETH-Bibliothek Zürich, Bildarchiv
Der Tensator erzeugte 700'000 Volt und
wurde zur Neutronen-Erzeugung benutzt.
Zusammen mit Walter Boveri (BBC) gründete er 1955 das Reaktorinstitut Würenlingen (später EIR), aus dem das heutige Paul Scherrer Institut (PSI) hervorging. Es ist das ETH-Hochenergie-Forschungszentrum der deutschen Schweiz und beherbergt heute modernste und leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger, namentlich:
  • ein Zyklotron bis 590 MeV mit dem weltweit höchsten Strahlstrom 2.4 mA
  • ein Synchrotron bis 2.4 GeV, für verschiedenste internationale Anwendungen
  • ein neues kompaktes Zyklotron bis 250 MeV für die Protonenbestrahlung von Tumoren. 
Am PSI  wurde 1996 Pencil-Beam-Bestrahlungstechnik entwickelt, womit tiefliegende Tumore an kritischen Stellen punktgenau bestrahlt werden können bei fast totaler Schonung der umliegenden Organe. Heute gibt es dort drei Bestrahlungstische (Gantry 1-3), wovon hauptsächlich Kinder profitieren. Die schnellen Protonen entladen ihre Energie im Gewebe erst nach einer definierten Tiefe (im Bragg Peak). Dort kann der Brennpunkt auch einen kompliziert geformten Tumor zielgenau und randscharf abtasten. Mit gegen 10‘000 Bestrahlungspatienten seit 1984 ist das gut vernetzte PSI international führend in der onkologischen Protonenbestrahlung (Link).
Die Kombination mit der physikalischen und industriellen Hochenergie-Forschung bewirkt eine einzigartige Kompetenzenerweiterung. Allerdings: Hybris ist nicht am Platz, wenn der Tod sich nähert. Und dennoch, Hoffnung darf immer sein, dank Digitalisierung mehr denn je!
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Quellen:
  1. Zimmermann F, Negretti L, Zwahlen DR: Dank moderner Strahlentherapie: Ein besseres und längeres Leben! Schweizerische Ärztezeitung, 2018;99(38):1256-1259
  2. Christiansen H, Bremer M (Hrsg.): Strahlentherapie und Radioonkologie aus interdisziplinärer Sicht, 6. völlig überarbeitete Auflage. Lehmanns Media, Berlin, 2018, 531 S.
  3. Paganetti H (Ed.): Proton Therapy Physics, 2nd. Edition. CRC Press London, 2018, 746 S.
  4. Wäffler H: Kernphysik an der ETH Zürich zu Zeiten Paul Scherrers. Vierteljahrsschrift der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich (1992) 137/3: 143-176 (Link)
  5. Pritzker A: The Swiss Institute for Nuclear Research SIN. Books on Demand, 2014, 188 S.
  6. B. Vonarburg: Millimetergenau bestrahlen, NZZ, 15.10.2018 (Link)



Sonntag, 6. Januar 2019

KI und Wikipedia

Die Teilnehmenden der WikiCon 5.-7.10.2018 in St. Gallen

Wie erschaffen tausend betuchte oder berentete Arbeitslose, Schüler und Studenten freiwillig die fünft meistbesuchte Webseite? Wikipedia ist mit 6000 Zugriffen pro Sekunde das meist gelesene Universallexikon aller Zeiten. Um täglich an Dutzenden Artikeln zu feilen oder neue zu redigieren, brauchst du viel Zeit. Früher haben gut bezahlte Redaktoren die Lexika gemacht. Der unrentable Druck wurde längst eingestellt. Bei jedem Wikipedia-Artikel lädt eine Griffel-Ikone ein, sein Wissen beizutragen, man braucht sich nicht anzumelden. Jeden Monat folgen 100‘000+ dieser Aufforderung. Allerdings gibt es bei Wikipedia keine Redaktion. Ist Chaos vorprogrammiert? 2005 verglich die Zeitschrift Nature die Qualität der Online-Ausgabe der Encyclopedia Britannica mit der englischen Wikipedia. Nature kam zum Ergebnis, dass es bei der Qualität kaum Unterschiede gibt. Wie kann die deutsche Wikipedia zweieinhalb Millionen Artikel in hoher Güte liefern? Wikipedia ist eine Meritokratie. Die Editoren sind zwar alle gleich, wenn sie sich an die Regeln der Plattform halten. Aber sie werden unbarmherzig überwacht durch lauernde Füchse, die Verdienste durch tausende Artikel haben. Du musst dich auf einen eisigen Wind gefasst machen, wenn du dich auf das Text-Eingeben einlässt. Dein Text wird oft nicht freundlich korrigiert, sondern unbarmherzig gestrichen. Zwar kannst du die Streichung zur Diskussion stellen. Aber dann läufst du Gefahr, dass sie dir einen Edit-War unterstellen und dich als Vandalen bezeichnen. Das ist ewig protokolliert und öffentlich einsehbar. Es gibt Filter, die dein Sündenregister auflisten; KI schlägt Alarm, wenn du Mist eintippst. Klar, dass die erfahrenen Admins längere Spiesse haben. Sie liefern sich selber den Streit um den richtigen Satz und stimmen ab. Kurzum, wenn du dich aufs Texten einlässt, darfst du keine Mimose sein. Bist du zu forsch, riskierst du eine Sperrung. Heute wirst du bei der Eingabe von Begriffen bei Google fast immer ganz oben auf Wikipedia verwiesen. Seitens Google ist kein Mensch beteiligt, nur Relevanz beurteilende KI. So kann sich KI mit Arbeitslosen verbinden, um unseren Wissensdurst zu stillen.
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[1] Günter Schuler: Wikipedia inside. Die Online-Enzyklopädie und ihre Community. Unrast-Verlag, Münster 2007, 280 S.
[2] Björn Hoffmann: Wikipedia reloaded. Kritik und Zukunft als Encyclopedia Europeana. Epubli-Verlag, Berlin 2016, 214 S.
[3] Michael Brückner: Die Akte Wikipedia. Falsche Informationen und Propaganda in der Online-Enzyklopädie. Kopp-Verlag, D-72108 Rottenburg 2014, 128 S.
Bild: Martin KraftMJK 29970 Gruppenbild WikiCon2018CC BY-SA 3.0

Freitag, 12. Oktober 2018

Künstliche Intelligenz II


Bild: Pixabay JanneG

Hier gebe ich ein klingendes Beispiel, wie KI (sprich „kaa-ii“) schon vor 20 oder 30 Jahren Arbeitsplätze eliminiert hat. Wir hatten damals ein intelligentes Schallmessgerät mit einem Künstlichen Neuronalen Netz (KNN) im Angebot. Das war ein Computer, wie andere auch, aber er rechnete nach einem Algorithmus (Rechenrezept), der den Nervenzellen im Hirn abgeschaut ist. Der Fluss der Information sickert dabei durch Schichten, wie bei einem Sandwich. Das Messgerät besteht nicht nur aus Mikrofon und Zeigerinstrument für die Schallstärke. Dazwischen errechnet das KNN aus dem Schall eine bestimmte Qualität heraus, nämlich den Wohlklang eines Ziegels. Wenn du mit dem Hämmerchen einen frisch gebackenen Ziegel anschlägst, hat dieser einen bestimmten Ton, der ist Musik in den Ohren des Ziegeleidirektors. Er will nur wohlklingende Ziegel verkaufen. Der Klang ist ein Qualitätsmerkmal. (Vgl. Siegfried Lenz: Die Klangprobe. „…horch auf den Ton, und du wirst wissen, wie es innen aussieht, der Ton machte den Stein durchsichtig...“). Er bestimmte zwei Arbeiter, die abwechselnd am Frischziegel-Laufband sassen, schlugen und horchten. Die Arbeiter mussten lernen: Sobald ein Ziegel nicht wohl klingt, sondern klirrt, landet er im Abfall, denn er hatte unsichtbare „Lehmnester, Sandnester oder Preller“ (Lenz). Auch ein KNN kann das, vermöge seines Aufbaus in lernende Schichten. Wie die Arbeiter ihr Gehör schulen, kann auch das KNN trainiert werden, auf dass es ohne Unterlass und Ermüdung die schlechten Ziegel entsorgt. Ein solches künstliches „Nerven“-Netz verschiebt, wie das plastische Gehirn, zahlreiche Schwellenwerte (kleinste Entscheidungsschritte) selbsttätig, um immer treffender semantisch entscheiden zu können. Wie es das macht, weiss sein Programmierer nur im grossen Ganzen. Wie es im Detail rechnet, das interessiert niemanden. Der Direktor ist hoch erfreut: Mit einer einzigen Auslage von 30‘000 Franken für ein KNN, das nie krank ist und ständig dazu lernt, kann er zwei Mann einsparen. - Die Arbeiter indessen fühlen sich wie schlechte Ziegel: geprellt.
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Siegfried Lenz: Die Klangprobe. Hoffmann und Campe, 1999, 463 S.
Theodor H. Erismann: Grundprobleme der Kybernetik. Springer, 1972, 203 S.
Patrick Hamilton: Künstliche neuronale Netze. vde verlag, 1993, 231 S.
Heinrich Braun: Neuronale Netze. Optimierung durch Lernen und Evolution. Springer, 1997, 279 S.
Andreas Scherer: Neuronale Netze. Grundlagen und Anwendungen. Vieweg, 1997, 249 S.


Montag, 27. August 2018