Durch die Fusionsreaktionen der Sonne erreichen ihre Temperaturen Tausende von Grad Celsius. Heute versuchen Wissenschaftler, diese Prozesse, die die Sterne antreiben, im Labor nachzubilden, um eine alternative, saubere Energiequelle zu schaffen.
Ein Ansatz sind Experimente mit Trägheitsfusionsenergie, doch damit diese funktionieren, muss der Fusionsbrennstoff in genau der richtigen Konfiguration gehalten werden. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung eines porösen Schaums. Das Problem ist, dass niemand ganz sicher ist, wie gut diese Nanoschäume funktionieren, da die vorhandenen Techniken sie entweder zerstören oder nicht über die Auflösung verfügen, um sie im Detail zu untersuchen.
Nun berichten Forscher von der Entwicklung einer Röntgenbildgebungstechnik, die die einzigartigen Eigenschaften der Linac Coherent Light Source (LCLS) am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums nutzt, um die 3D-Nanostruktur eines Kupferschaums mit einer Präzision aufzulösen, die für Fusionsexperimente relevant ist.
„Diese Art der 3D-Volumentechnik an einem Freie-Elektronen-Laser ist die erste Messung ihrer Art“, sagte Adra Carr, Wissenschaftlerin am Los Alamos National Laboratory und Hauptautorin der Arbeit. veröffentlicht In Nano-Buchstaben am 1. August.
Die Technik basiert auf ptychografischer Bildgebung, die Bilder durch die Verarbeitung der Muster von Photonen erzeugt, die von einer Probe gestreut werden. Die Forscher streuten den Röntgen-Freie-Elektronen-Laser von LCLS an Kupferschaumproben und verwendeten dann Computeralgorithmen, um die ursprüngliche Probe zu „rekonstruieren“. Diese Algorithmen gaben die gesammelten Photonenstreumuster ein und rekonstruierten schließlich den Kupferschaum mit einer Auflösung im Nanobereich. Durch Drehen der Proben konnten sie ihre Struktur in 3D darstellen.
„Diese neue Technik nutzt die Kohärenz und Brillanz des Röntgen-Freie-Elektronen-Lasers“, sagte Arianna Gleason, leitende Wissenschaftlerin am SLAC und korrespondierende Autorin der neuen Studie. „Wir konnten den Schaum auf eine Weise untersuchen, die nur wenige andere Methoden erreichen konnten.“
Die erzeugten Bilder zeigten, dass der Kupferschaum nicht so gleichmäßig ist wie erwartet. Viele der dünnen Schaumschalen waren verzerrt, verschmolzen oder offen – Abweichungen, die ihre Leistung bei Trägheitsfusionsexperimenten beeinträchtigen könnten. Diese Art von Informationen könnte verwendet werden, um Schaumherstellungsmethoden zu optimieren und diese Materialien für Fusionsexperimente maßzuschneidern.
Diese Gemeinschaftsarbeit stützte sich auf die Materialkompetenz des Lawrence Livermore National Laboratory, wo Forscher in der National Ignition Facility Experimente zur Trägheitsfusion durchführen, auf die Expertise von Los Alamos und der Brigham Young University im Bereich kohärente Bildgebung sowie auf experimentelle Designbemühungen mit der Expertise des SLAC in der Beschleunigerwissenschaft.
„Ich denke, diese Arbeit ist ein wirklich wunderbares Beispiel dafür, dass diese Art von Experimenten nur mit vielfältiger Expertise in mehreren Bereichen und an einzigartigen Orten wie dem SLAC möglich sind“, sagte Carr.
Die Forscher hoffen, dass ihre Arbeit als Sprungbrett für zukünftige Bildgebungsexperimente dienen wird. Sie planen, diese Technik auf andere fusionsbezogene Materialien anzuwenden, und Gleason sagte, sie könne auch auf andere Multimaterial-, Nanostrukturen oder sogar fragile Proben ausgeweitet werden. Informationen von zusätzlichen Sensoren könnten einbezogen werden, um die 3D-Nanostrukturen von Proben im Zeitverlauf zu untersuchen oder ihre Verteilung verschiedener chemischer Spezies abzubilden.
Mehr Informationen:
Adra Carr et al, Morphologie von Kupfer-Nanoschäumen für Strahlungshydrodynamik und Fusionsanwendungen untersucht mittels 3D-Ptychotomographie, Nano-Buchstaben (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02289