Braucht die Sonne Sauerstoff? Kernfusion erklärt

„Angeblich brennt sie seit Millionen von Jahren durch Kernfusion, kein Sauerstoff im Weltall, aber glüht und glüht und brennt und brennt – klingt sehr logisch.“ So lautet, leicht ironisch vorgetragen, der Einwand in einem Facebook-Video. Und ganz ehrlich: Die Frage dahinter ist nicht dumm. Eine Kerze geht ohne Sauerstoff aus, ein Lagerfeuer auch, ein Automotor braucht Luft. Warum sollte ausgerechnet der größte Feuerball, den wir kennen, im luftleeren Raum seit Ewigkeiten weiterbrennen?

Die Antwort ist kürzer als die Frage. Die Sonne brennt nicht im chemischen Sinn. Sie hat auch nie wie ein Feuer gebrannt. Was in ihrem Inneren passiert, hat mit Feuer so viel zu tun wie eine Herdplatte mit einem Kamin – und der ganze vermeintliche Widerspruch steckt in einem einzigen Wort.

Warum eine Herdplatte die bessere Erklärung ist als ein Lagerfeuer

Was bei einer Kerze, im Kamin oder im Motor passiert, ist eine Verbrennung: Ein Brennstoff reagiert chemisch mit einem Oxidationsmittel, auf der Erde fast immer mit dem Sauerstoff der Luft. Dabei werden Moleküle umgebaut, Wärme und Licht entstehen, und wenn der Sauerstoff ausgeht, ist Schluss. Das ist die Alltagserfahrung, auf der der Einwand aus dem Video aufbaut. Sie stimmt – nur gilt sie eben für Feuer.

Dass etwas leuchtet und heiß ist, heißt aber noch lange nicht, dass etwas verbrennt. Eine elektrische Herdplatte glüht rot, ohne dass darin irgendetwas brennt. Der Glühdraht einer alten Glühbirne wurde absichtlich im Vakuum oder in Schutzgas betrieben, damit er gerade nicht mit Sauerstoff reagiert – und leuchtete trotzdem jahrelang. Heiße Materie sendet Strahlung aus, ganz gleich, woher die Hitze kommt. Bei der Sonne ist es die Photosphäre, jene Schicht, aus der der Großteil des sichtbaren Lichts stammt, mit rund 5.500 Grad Celsius laut NASA und ESA. Sie leuchtet, weil sie so heiß ist. Nicht, weil dort etwas verbrennt.

Was im Kern tatsächlich passiert

Die Hitze kommt aus dem Zentrum. Dort herrschen laut NASA etwa 15 Millionen Grad Celsius, dazu ein gewaltiger Druck, den die eigene Masse des Sterns erzeugt. Unter diesen Bedingungen passiert etwas, das auf der Erde nur mit enormem technischen Aufwand gelingt: Wasserstoffkerne werden über mehrere Zwischenschritte zu Helium verschmolzen. Das ist Kernfusion. Vereinfacht ergeben vier Wasserstoffkerne am Ende einen Heliumkern, und dabei wird ein winziger Teil der Masse in Energie umgewandelt – nach Einsteins bekannter Formel E = mc².

Sauerstoff als Oxidationsmittel wird für die Kernfusion nicht benötigt. Die Proton-Proton-Kette, die rund 99 Prozent der Sonnenenergie liefert, kommt ohne Sauerstoff aus. Der Vollständigkeit halber: Daneben läuft in der Sonne der sogenannte CNO-Zyklus, bei dem Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff als Katalysatoren mitwirken – er trägt nur etwa ein Prozent zur Energie bei, und auch dort verbrennt nichts. Die Frage „Woher nimmt die Sonne ihren Sauerstoff?“ geht deshalb nicht ins Leere, weil die Antwort schwierig wäre, sondern weil sie eine Voraussetzung unterstellt, die es nicht gibt. Es ist, als würde man fragen, wo die Herdplatte ihr Holz lagert.

„Angeblich“ – woher man das überhaupt weiß

Das Video setzt ein kleines, aber wirksames Wort vor die Kernfusion: „angeblich“. Der Verdacht dahinter ist nachvollziehbar. In den Sonnenkern kann niemand hineinschauen, kein Teleskop reicht dorthin. Wie will man also wissen, was dort passiert?

Über Teilchen, die von dort kommen. Bei der Fusion im Sonnenkern entstehen Neutrinos, extrem leichte Teilchen, die Materie fast ungehindert durchdringen und die Sonne innerhalb weniger Sekunden verlassen. Genau deshalb lassen sie sich auf der Erde messen, in unterirdischen Detektoren, die von der übrigen Strahlung abgeschirmt sind. Das Borexino-Experiment im italienischen Gran-Sasso-Labor veröffentlichte 2018 in der Fachzeitschrift Nature eine umfassende Untersuchung der sogenannten Proton-Proton-Kette. Dabei wurden Neutrinos aus vier ihrer Reaktionen gemessen und für eine weitere Reaktion ein Grenzwert bestimmt; über diese Reaktionskette entstehen laut der Studie rund 99 Prozent der Sonnenenergie. 2020 folgte, ebenfalls in Nature, der Nachweis von Neutrinos aus dem viel schwächeren CNO-Zyklus. Auch die NASA beschreibt in einem Bericht, dass Detektoren auf der Erde inzwischen zuverlässig Neutrinos aus den Fusionsreaktionen im Sonneninneren nachweisen. Die Fusion ist also keine Vermutung, die man mangels Alternative glaubt. Ihre Abfallprodukte kommen bei uns an und lassen sich zählen.

Millionen Jahre? Milliarden.

Auch beim Alter greift das Video zu kurz, allerdings in die andere Richtung. Von „Millionen von Jahren“ ist die Rede; tatsächlich entstand die Sonne laut ESA vor rund 4,6 Milliarden Jahren. Die NASA nennt an einer Stelle 4,5, an anderer 4,6 Milliarden – für die Größenordnung ist das einerlei. Seither liefert die Fusion in ihrem Inneren ununterbrochen Energie, und beide Raumfahrtorganisationen rechnen damit, dass sie das noch etwa fünf Milliarden Jahre lang tut, bevor sie sich zu einem Roten Riesen aufbläht.

Wie kann ein Vorrat so lange reichen? Die Zahlen dazu klingen zunächst nach dem Gegenteil. Laut NASA werden im Sonneninneren pro Sekunde rund 600 Millionen Tonnen Wasserstoff fusioniert, und rund vier Millionen Tonnen Masse werden dabei pro Sekunde in Energie umgewandelt. Nur ist die Sonne unvorstellbar groß und verfügt in ihrem Kern über einen gewaltigen Wasserstoffvorrat. Ihre Gesamtmasse beträgt knapp zwei Quintillionen Kilogramm – rund 333.000 Erdmassen. Trotz der gewaltigen Fusionsrate reicht der Wasserstoff im Kern deshalb für Milliarden Jahre. Und die Energie braucht selbst ihre Zeit – laut ESA allein für die Strahlungszone unterhalb der Oberfläche rund 170.000 Jahre, bevor sie schließlich als Licht ins All abgestrahlt wird.

Die Sonne in Zahlen – laut NASA und ESA

Alter

rund 4,6 Milliarden Jahre

Im Video: „Millionen von Jahren“

Temperatur im Kern

etwa 15 Millionen °C

heiß genug für Kernfusion

Fusioniert pro Sekunde

rund 600 Millionen Tonnen Wasserstoff

davon etwa 4 Millionen Tonnen Masse in Energie umgewandelt

Masse

rund 333.000 Erdmassen

knapp 2 × 10³⁰ Kilogramm

Verbleibende Lebensdauer

etwa 5 Milliarden Jahre

bis zur Phase als Roter Riese

Sauerstoff als Oxidationsmittel

nicht nötig

Die Proton-Proton-Kette liefert rund 99 Prozent der Energie und kommt ohne Sauerstoff aus

Gibt es im Weltraum wirklich keinen Sauerstoff?

Auch dieser Teil der Aussage ist zu grob. Sauerstoff als Element gibt es im Weltraum sehr wohl: in Gaswolken, in Staub, in Planeten und in Sternen. Selbst die Sonne besteht nicht nur aus Wasserstoff und Helium. Nach Angaben der NASA-Solarphysiker in Huntsville entfallen an der Oberfläche rund zwei Prozent der Masse auf schwerere Elemente, darunter Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Was im Weltraum fehlt, ist eine dichte, sauerstoffreiche Atmosphäre wie auf der Erde, in der eine Kerze weiterbrennen könnte.

Für die Energieproduktion der Sonne spielt das allerdings keine Rolle. Ob im Weltraum viel, wenig oder gar kein Sauerstoff vorhanden ist, ändert nichts an einer Reaktion, die ihn nicht braucht.

Warum selbst die NASA „brennen“ in Anführungszeichen setzt

Ein Teil der Verwirrung ist hausgemacht, und zwar von der Wissenschaft selbst. Auch Fachleute sprechen von „Brennstoff“, die ESA nennt den Wasserstoff auf ihrer Übersichtsseite „hydrogen fuel“, und in den Antworten der NASA-Physiker auf Leserfragen steht sinngemäß, die Sonne „verbrenne“ Wasserstoff zu Helium – das Wort steht dort allerdings in Anführungszeichen, direkt daneben die Erklärung: Fusion. Die Sprache des Feuers ist schlicht die älteste, die wir für Hitze und Licht haben, und sie wurde beibehalten, als längst klar war, dass im Sonnenkern etwas ganz anderes passiert.

Genau hier hakt das Video ein. Es nimmt das Alltagswort beim Wort und schließt aus „brennen“ auf „braucht Sauerstoff“. Das ist kein Rechenfehler und keine erfundene Zahl, sondern ein Kurzschluss zwischen zwei Bedeutungen desselben Begriffs. Man kann ihn niemandem übel nehmen. Man sollte nur wissen, dass er einer ist.

Der Widerspruch löst sich auf, sobald man das Wort austauscht

Der Einwand funktioniert nur so lange, wie man sich die Sonne als überdimensionales Lagerfeuer vorstellt. Ein Lagerfeuer braucht Brennholz und Luft, im Weltraum gibt es keine Luft, also kann dort kein Lagerfeuer brennen – alles richtig. Nur ist die Sonne kein Lagerfeuer. In ihrem Kern verschmelzen Atomkerne, angetrieben von Hitze und Druck, und die dabei freigesetzte Energie hält den Stern seit Milliarden Jahren heiß und seine äußeren Schichten am Leuchten.

Kein Sauerstoff für ein Feuer? Stimmt. Aber auf der Sonne gibt es kein Feuer, das welchen bräuchte. Physikalisch präziser wäre deshalb ein Satz, der im Video nicht vorkommt: Die Sonne leuchtet, weil in ihrem Inneren Kernfusion stattfindet. Ohne Anführungszeichen.

Quellen

• Der geprüfte Facebook-Beitrag (Archivversion)
• NASA Science: Sun: Facts – Alter, Aufbau, Kerntemperatur, Photosphäre, Fusion von Wasserstoff zu Helium, verbleibende Lebensdauer
• European Space Agency (ESA): The Sun – Alter, Oberflächen- und Kerntemperatur, Masse in Erdmassen
• European Space Agency (ESA): Anatomy of the Sun – Aufbau der Sonne, vier Millionen Tonnen Masse pro Sekunde, Energietransport durch die Strahlungszone
• NASA Goddard Space Flight Center, Cosmicopia: Ask Us: Sun – Masse der Sonne, 600 Millionen Tonnen Wasserstoff pro Sekunde, Zusammensetzung, „burning“ in Anführungszeichen
• NASA Marshall Space Flight Center: Solar Physics – Zusammensetzung der Sonnenoberfläche (rund 2 Prozent schwerere Elemente wie C, N, O)
• Borexino Collaboration: Comprehensive measurement of pp-chain solar neutrinos, Nature 562, 2018 – Messung der Neutrinos aus der Proton-Proton-Kette im Sonnenkern
• Borexino Collaboration: Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun, Nature 587, 2020 – Nachweis der CNO-Neutrinos, rund ein Prozent der Sonnenenergie
• NASA Technical Reports Server: Solar Neutrino Spacecraft Detector (NIAC Phase-2 Report) – Nachweis solarer Neutrinos aus Fusionsreaktionen durch Detektoren auf der Erde