Ein innovativer neuer Magnet könnte die Entwicklung von Fusions- und medizinischen Geräten erleichtern

Wissenschaftler des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) haben einen neuen Magnettyp entwickelt, der Geräten helfen könnte, die von ringförmigen Fusionsanlagen, den sogenannten Tokamaks, bis hin zu medizinischen Maschinen reichen, die detaillierte Bilder des menschlichen Körpers erstellen.

Tokamaks verlassen sich auf einen zentralen Elektromagneten, der als Solenoid bekannt ist, um elektrische Ströme und Magnetfelder zu erzeugen, die das Plasma – den heißen, geladenen Zustand der Materie, der aus freien Elektronen und Atomkernen besteht – einschließen, damit Fusionsreaktionen stattfinden können. Aber nachdem sie im Laufe der Zeit energiereichen subatomaren Teilchen, die als Neutronen bekannt sind und aus dem Plasma austreten, ausgesetzt sind, kann sich die Isolierung um die Drähte des Elektromagneten verschlechtern. Andernfalls könnte der Magnet versagen und die Fähigkeit eines Tokamaks, die Fusionsenergie zu nutzen, verringern.

Bei diesem neuartigen Magneten wirkt Metall als Isolierung und würde daher nicht durch Partikel beschädigt werden. Darüber hinaus würde es bei höheren Temperaturen arbeiten als derzeitige supraleitende Elektromagnete, wodurch es einfacher zu warten wäre.

Fusion, die Kraft, die Sonne und Sterne antreibt, kombiniert Lichtelemente in Form von Plasma, um riesige Mengen an Energie zu erzeugen. Wissenschaftler versuchen, die Fusion auf der Erde zu replizieren, um eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle zur Stromerzeugung zu erhalten.

„Unsere Innovation vereinfacht sowohl den Herstellungsprozess als auch macht den Magneten toleranter gegenüber der Strahlung, die durch die Fusionsreaktionen erzeugt wird“, sagte Yuhu Zhai, leitender Ingenieur bei PPPL und Hauptautor eines Artikels, in dem über die Ergebnisse berichtet wird Supraleiterwissenschaft und -technologie.

„Wenn wir ein Kraftwerk entwerfen, das stunden- oder tagelang ununterbrochen läuft, können wir keine Strommagnete verwenden“, sagte Zhai. „Diese Anlagen werden mehr hochenergetische Teilchen produzieren als aktuelle Versuchsanlagen. Die heute produzierten Magnete würden für zukünftige Anlagen wie kommerzielle Fusionskraftwerke nicht lange genug halten.“

Elektromagnete unterscheiden sich von den einfachen Permanentmagneten, die Kunstwerke an Kühlschranktüren halten. Elektromagnete bestehen aus einer Spule aus isoliertem Draht, die einen elektrischen Strom durchfließt, der beim Fließen ein Magnetfeld erzeugt. Elektromagnete werden in Geräten verwendet, die von Tokamaks bis zu Kränen reichen, die zertrümmerte Autos auf Müllhalden heben, und Magnetresonanz-Bildgebungsgeräten, die das Innere menschlicher Körper scannen.

Zhai und andere haben einen Prototyp-Magneten gebaut und ermutigende Ergebnisse erzielt. „Während unserer Tests erzeugte unser Magnet etwa 83 Prozent der maximalen Menge an elektrischem Strom, die die Drähte führen können, eine sehr gute Menge“, sagte er. „Wissenschaftler verwenden normalerweise nur 70 Prozent der elektrischen Stromkapazität des supraleitenden Drahts, wenn sie Hochleistungsmagnete entwerfen und bauen. Und große Magnete wie die in ITER, der internationalen Fusionsanlage, die in Frankreich gebaut wird, verwenden oft nur 50 Prozent.“

Die neuen Magnete haben Drähte aus den Elementen Niob, das manchmal in Düsentriebwerken verwendet wird, und Zinn. Durch eine spezielle Erwärmung bilden diese Elemente einen Supraleiter, der elektrischen Strom bei extrem niedrigen Temperaturen widerstandslos durchfließen lässt. Es ist also viel weniger Isolierung erforderlich, um Kriechströme zu verhindern.

„Dieses neue Konzept ist interessant, weil es dem Magneten ermöglicht, viel elektrischen Strom auf wenig Raum zu transportieren, wodurch das Volumen reduziert wird, das der Magnet in einem Tokamak einnimmt“, sagte PPPL-Chefingenieur Robert Ellis. „Dieser Magnet könnte auch bei höheren Stromdichten und stärkeren Magnetfeldern arbeiten als heutige Magnete. Beide Eigenschaften sind wichtig und könnten zu geringeren Kosten führen.“

Alles in allem könnte die neue Entwicklung der Entwicklung der Fusionsenergie zugute kommen. „Dies ist eine revolutionäre Veränderung bei der Herstellung von Elektromagneten“, sagte Michael Zarnstorff, Chief Science Officer von PPPL. „Indem Sie einen Magneten nur aus Metall herstellen und keine Isolierung mehr benötigen, sparen Sie sich viele kostspielige Schritte und reduzieren die Anzahl der Fehlfunktionen der Spule. Das ist wirklich wichtig.“

Zhai und Mitarbeiter im ganzen Land und auf der ganzen Welt arbeiten jetzt mit der Privatindustrie zusammen, um einen isolierungsfreien Prototyp weiterzuentwickeln. Dieser neue Typ von Hochtemperatur-Supraleiter-basiertem Elektromagneten könnte eine grundlegende Komponente eines Pilot-Fusionskraftwerks sein.