Mit Wasserstoffbrennen wird die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium im Inneren von Sternen (oder im Fall einer Nova, auf der Oberfläche eines weißen Zwergs) bezeichnet. Diese Reaktion stellt in normalen Sternen während des Großteils ihres Lebenszyklus die wesentliche Energiequelle dar. Sie hat trotz ihres historisch bedingten Namens nichts mit einer chemischen Verbrennung zu tun.
Der Prozess der Kernfusion kann beim Wasserstoffbrennen auf zwei Arten ablaufen, bei denen auf verschiedenen Wegen jeweils vier Protonen, die Atomkerne des Wasserstoffs, in einen Heliumkern 4He umgewandelt werden:
- die relativ direkte Proton-Proton-Reaktion
- der schwere Elemente (Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff) nutzende Bethe-Weizsäcker-Zyklus (CNO-Zyklus)
Ein Proton hat eine Masse von 1,007276 u, ein Neutron von 1,008665 u. Zusammen haben zwei Protonen und zwei Neutronen also eine Masse von 4,031882 u. Ein Heliumkern besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen, hat aber nur eine Atommasse von 4,002602 u, es wird bei seiner Bildung also etwa 0,726 % der Masse in Energie umgewandelt, was man als Massendefekt bezeichnet. Die aus der Massendifferenz erzeugte Energie ergibt sich aus der einsteinschen Beziehung E = mc². Sie entspricht der Kernbindungsenergie der Nukleonen, der Kernbausteine.
Die Fusion von Wasserstoff zu Helium ist am ergiebigsten; die nächste Stufe stellarer Fusionsreaktionen, das Heliumbrennen, setzt massenspezifisch nur noch 9,26 % der Energie frei (je entstehendem Atomkern: 26,8 %).
Bethe-Weizsäcker-Zyklus oder Proton-Proton-Reaktion
Die aus der Reaktion mit Chlor-37 über den Zerfall von Argon-37 nachgewiesenen Neutrinos belegen, dass es neben dem Hauptzweig der Proton-Proton-Reaktion weitere Reaktionen in der Sonne, die Neutrinos höherer Energie freisetzen, geben muss.
Für die Zahl der freigesetzten Neutrinos und die freigesetzte Energie spielt es keine Rolle in welchen Zwischenschritten Helium-4 aus Wasserstoff gebildet wird. Insgesamt werden vier Protonen in zwei Protonen und zwei Neutronen in einem Heliumkern umgewandelt, wobei zwei Neutrinos freigesetzt werden. Neben der Proton-Proton-Reaktion ist der Bethe-Weizsäcker-Zyklus
in der Literatur beschrieben. Der Anteil der Energie, die maximal (verteilt sich auf Neutrino und Positron) in Form von Neutrinos freigesetzt wird, ist beim Bethe-Weizsäcker-Zyklus mit 2,754 MeV beim Zerfall von Sauerstoff-15 und 2,220 MeV beim Zerfall von Stickstoff-13 wesentlich größer. Die Energien liegen hier jeweils weit über der Schwellenenergie des GALLEX und des Chlor-Experiments. Die Behauptung es gäbe ein Defizit von einem Faktor zwei oder drei an nachgewiesener Neutrinos, die durch Neutrinooszillationen erklärt werden können, erscheint vor diesem Hintergrund fraglich. Dies gilt in doppelter Hinsicht, da neben den Neutrinooszillationen auch alternative Erklärungen für ein Defizit denkbar wären.
Die Energie, die uns auf der Erde von der Sonne erreicht, stammt überwiegend aus mehreren Kernreaktionen, die in Summe aus 4 Wasserstoffkernen oder Protonen einen Helium-4-Kern bilden. Bei diesen Reaktionen werden unabhängig von weiteren Details des Reaktionsablaufs zwei Neutrinos und insgesamt etwa 27 MeV Energie freigesetzt. Die Menge des gebildeten Heliums und die Zahl der freigesetzten Neutrinos ist daher über die elektromagnetische Strahlung wie Licht und Wärmestrahlung, die die Erde erreicht, relativ genau bekannt. Die Energie der Neutrinos kann dabei allerdings nur geschätzt werden. Die Neutrinos verlassen die Sonne und erreichen die Erde mit verschiedenen Detektoren nahezu ungehindert. Der Anteil der Neutrinos, die in der Sonne, auf dem Weg zur Erde oder in Erde mit Materie wechselwirken ist vernachlässigbar. Die Energie der Neutrinos hängt aber stark davon ab, auf welchen Weg, mit welchen Zwischenprodukten, Helium gebildet wird. Die in den beiden Abbildungen gezeigten Reaktionen tragen nach überwiegender Überzeugung in der Wissenschaft zur Produktion von Helium in der Sonne bei. Viele Wissenschaftler sind der Überzeugung, dass die Proton-Proton-Reaktion aus der ersten Abbildung vorherrschend sei. Die Neutrinos, die aus den im ersten Bild dargestellten Reaktion stammen, können jedoch nicht mit dem Chlor-Experiment, für das der Nobelpreis in Physik vergeben wurde, nachgewiesen werden. Die Neutrinos haben nur etwa die Hälfte der dazu notwendigen Energie. Es folgt zwingend, dass zumindest einige weitere Reaktionen, wie der im unteren Bild dargestellte CNO-Zyklus oder andere Zweig-Reaktionen der Proton-Proton-Reaktion in der Sonne stattfinden, die zur Freisetzung von Neutrinos höherer Energie führen. Es wird überwiegend vermutet, dass die Neutrinos auf ungeklärte Weise ohne mit anderen Teilchen in irgend einer Weise zu wechselwirken, durch Neutrinooszillationen, auf ihrem Flug zur Erde und in der Sonne in Neutrinos mit einem anderen Flavor verwandelt werden und daher teilweise nicht nachweisbar sind. Ein Grund für diese Vermutung ist nicht bekannt.
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