Im Dezember machte die National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) weltweit Schlagzeilen. Wissenschaftler des NIF führten das erste Kernfusionsexperiment durch, bei dem die durch die Fusion erzeugte Energie die Energiemenge überstieg, die direkt auf den Brennstoff angewendet wurde, um ihn zu zünden. Dieses einzigartige Ergebnis wird einen unschätzbaren Einblick in das Potenzial für saubere Energie aus der Fusion liefern.
Aber die wissenschaftliche Wirkung des NIF endet hier nicht. Mit dem Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science im Argonne National Laboratory des DOE, untersucht ein Team von Wissenschaftlern die extreme, sternähnliche Umgebung, die während Laserschüsse am NIF entsteht, um ihr Potenzial besser zu verstehen als Testbed für die nukleare Astrophysik. Die Arbeit könnte auch Einblicke in die Natur der Sterne und den Ursprung der Elemente geben.
Den Himmel auf Erden simulieren
Die schweren Elemente – darunter Gold, Platin und Uran – entstehen bei Sternexplosionen wie Supernovae und Neutronensternverschmelzungen. Bei NIF-Laserschüssen konzentrieren sich 192 Laserstrahlen, um eine winzige Kapsel aus Fusionsbrennstoff zu zünden, wodurch Drücke und Temperaturen erzeugt werden, die in extremen Sternereignissen zu finden sind. Dies macht die Anlage zu einem leistungsstarken Werkzeug zur Erforschung der Kernphysik, die an der Bildung schwerer Elemente beteiligt ist, und zur Verbesserung von Modellen von Sternexplosionen und dem frühen Universum.
„Die während der NIF-Experimente geschaffene Umgebung ist winzig und sehr kurzlebig, also nicht gerade ein Stern“, scherzte ATLAS-Benutzer Michael Paul, Wissenschaftler an der Hebräischen Universität Jerusalem und leitender Wissenschaftler der Zusammenarbeit. „Aber die Thermodynamik, die in der Umgebung abläuft, kommt der von Sternen sehr nahe – insbesondere von explodierenden Sternen. Wenn wir diese astrophysikalischen Bedingungen auf der Erde in einem Labor reproduzieren können, können wir Sternprozesse in einer gut charakterisierten Umgebung in der Nähe unseres Zuhauses im Detail untersuchen. “
Insbesondere sucht das Team nach Beweisen für den schnellen Neutroneneinfangprozess oder r-Prozess, der für die Produktion von etwa der Hälfte der schweren Elemente in der Natur verantwortlich ist.
Neutronen sind Teilchen, die zusammen mit Protonen den Kern im Zentrum eines Atoms bilden. Neutroneneinfang ist, wenn ein Atomkern ein Neutron absorbiert. Der Ausgangskern und der Produktkern sind Isotope oder Formen desselben Elements. Einige Isotope sind stabiler und andere radioaktiver, was bedeutet, dass sie schneller in ein anderes Isotop zerfallen.
Unter extremen Sternbedingungen ist die Neutronendichte unglaublich hoch. Diese neutronenreichen Umgebungen ermöglichen das Wachstum von Kernen, indem sie sehr schnell viele Neutronen einfangen und Atome neuer und schwererer Elemente produzieren, bevor sie zerfallen können.
Analysieren von Argon bei Argonne
Bei den NIF-ATLAS-Experimenten führen die Wissenschaftler eine kleine Menge Argongas in die Fusionsbrennstoffkapsel ein, bevor der Brennstoff von den NIF-Lasern gezündet wird. Wie Atomspione auf einer Mission für die Wissenschaftler werden die Argonatome in die Kapsel geschickt, um während des Schusses Informationen über ihr Inneres abzurufen und zu speichern.
Nach dem Laserschuss wird das Argon zu ATLAS in Argonne transportiert, wo die Wissenschaftler nach Beweisen suchen, dass ein Argon-40-Kern (ein Argon-Isotop mit 40 subatomaren Teilchen in seinem Kern – 18 Protonen und 22 Neutronen) zwei Neutronen gleichzeitig eingefangen hat der Laserschuss, der zu Argon-42 wird. „Wenn wir dies sehen, ist es das erste Mal, dass ein r-Prozess-ähnliches Ereignis in einer reproduzierbaren Laborumgebung nachgewiesen wurde“, sagte Paul.
Argon-42 ist radioaktiv, zerfällt aber langsam, sodass es lange genug bestehen bleibt, damit das Team es zu ATLAS transportieren und analysieren kann, bevor es zerfällt. Das Gas wird mit einer einzigartigen, bei Argonne entwickelten Methode namens Noble Gas Accelerator Mass Spectrometry (NOGAMS) analysiert. NOGAMS ist eine hochempfindliche Methode zum Zählen der Anzahl einzelner Atome eines bestimmten Isotops in einer Probe.
Die Wissenschaftler entschieden sich für Argon, weil es ein Edelgas ist, was bedeutet, dass es nicht chemisch mit anderen Substanzen reagiert oder den Fusionsbrennstoff in der Kapsel stört. Diese Trägheit erschwert auch die Beschleunigung und den Nachweis mit herkömmlichen Methoden der Beschleuniger-Massenspektroskopie. Der einzigartige Ansatz der NOGAMS-Technik macht ATLAS zur einzigen Einrichtung, die Edelgasatome zählen kann.
„Die Fähigkeiten von ATLAS machen diese Untersuchung möglich“, sagte die Argonne-Physikerin Melina Avila Coronado. „Es ist spannend, sich vorzustellen, welche Einblicke in stellare Prozesse sich daraus ergeben könnten.“
Avila Coronado hilft Anwendern wie Paul und seinem Team bei der Bedienung und Messung mit dem Magnetspektrometer bei ATLAS. Vorläufige Experimente fanden 2022 statt und zeigten Kernreaktionen von Argon-40 in der Fusionsumgebung. Das Team wird seine Suche nach Beweisen für den r-Prozess und andere astrophysikalische Prozesse von Interesse im Jahr 2023 fortsetzen.