Ein besseres Verständnis der Bildung wirbelnder, ringförmiger Störungen – sogenannte Wirbelringe – könnte Kernfusionsforschern dabei helfen, Brennstoff effizienter zu komprimieren und ihn so einer brauchbaren Energiequelle näher zu bringen.
Das von Forschern der University of Michigan entwickelte Modell könnte bei der Konstruktion der Treibstoffkapsel hilfreich sein und den Energieverlust minimieren, der beim Versuch entsteht, die Reaktion auszulösen, die Sterne zum Leuchten bringt. Darüber hinaus könnte das Modell anderen Ingenieuren helfen, die die Vermischung von Flüssigkeiten nach dem Durchtritt einer Stoßwelle bewältigen müssen, beispielsweise denen, die Überschalltriebwerke entwickeln, sowie Physikern, die Supernovae verstehen wollen.
„Diese Wirbelringe bewegen sich vom kollabierenden Stern nach außen und bevölkern das Universum mit Materialien, die schließlich zu Nebeln, Planeten und sogar neuen Sternen werden – und bei Fusionsimplosionen nach innen, wodurch die Stabilität des brennenden Fusionsbrennstoffs gestört und die Effizienz der Reaktion verringert wird.“ „, sagte Michael Wadas, Doktorand im Maschinenbau an der UM und korrespondierender Autor der Studie.
„Unsere Forschung, die aufklärt, wie solche Wirbelringe entstehen, kann Wissenschaftlern helfen, einige der extremsten Ereignisse im Universum zu verstehen und die Menschheit der Nutzung der Kraft der Kernfusion als Energiequelle einen Schritt näher zu bringen“, sagte er.
Die Kernfusion drückt Atome zusammen, bis sie verschmelzen. Bei diesem Prozess wird um ein Vielfaches mehr Energie freigesetzt als bei der Spaltung oder Spaltung von Atomen, die die heutigen Kernkraftwerke antreibt. Forscher können diese Reaktion herbeiführen, indem sie Formen von Wasserstoff zu Helium verschmelzen, aber derzeit wird ein Großteil der bei diesem Prozess verbrauchten Energie verschwendet.
Ein Teil des Problems besteht darin, dass der Kraftstoff nicht sauber komprimiert werden kann. Instabilitäten verursachen die Bildung von Strahlen, die in den Hotspot eindringen und zwischen denen der Treibstoff herausspritzt – Wadas verglich es mit dem Versuch, eine Orange mit den Händen zu zerquetschen, als würde Saft zwischen den Fingern austreten.
Wirbelringe, die sich an der Vorderkante dieser Jets bilden, haben, wie die Forscher gezeigt haben, mathematisch Ähnlichkeit mit Rauchringen, den Wirbeln hinter Quallen und den Plasmaringen, die von der Oberfläche einer Supernova fliegen.
Der vielleicht berühmteste Fusionsansatz ist eine kugelförmige Anordnung von Lasern, die alle auf eine kugelförmige Brennstoffkapsel gerichtet sind. So werden Experimente in der National Ignition Facility aufgebaut, die in den letzten Jahren immer wieder Rekorde bei der Energieausbeute gebrochen hat.
Die Energie der Laser verdampft die Materialschicht um den Treibstoff – eine nahezu perfekte, im Labor gezüchtete Hülle aus Diamant beim jüngsten Rekordhalter im Dezember 2022. Wenn diese Hülle verdampft, treibt sie den Treibstoff nach innen, während die Kohlenstoffatome nach außen fliegen . Dadurch entsteht eine Stoßwelle, die den Kraftstoff so stark antreibt, dass der Wasserstoff schmilzt.
Während die kugelförmigen Brennstoffpellets zu den vollkommensten runden Objekten gehören, die jemals von Menschen hergestellt wurden, weisen sie alle einen absichtlichen Fehler auf: ein Einfüllrohr, durch das der Brennstoff eintritt. Wie ein Strohhalm, der in einer zerdrückten Orange steckt, ist dies der wahrscheinlichste Ort für die Bildung eines von einem Wirbelring geführten Strahls, wenn die Kompression beginnt, erklärten die Forscher.
„Fusionsexperimente laufen so schnell ab, dass wir die Bildung des Strahls eigentlich nur um ein paar Nanosekunden verzögern müssen“, sagte Eric Johnsen, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der UM, der die Studie betreute.
Die Studie vereinte die Strömungsmechanik-Expertise von Wadas und Johnsen sowie das Wissen über Kern- und Plasmaphysik im Labor von Carolyn Kuranz, einer außerordentlichen Professorin für Nukleartechnik und radiologische Wissenschaften.
„In der Physik hoher Energiedichte weisen viele Studien auf diese Strukturen hin, haben sie jedoch nicht eindeutig als Wirbelringe identifiziert“, sagte Wadas.
Da Wadas und Johnsen über die umfassende Forschung zu den in Fusionsexperimenten und astrophysikalischen Beobachtungen beobachteten Strukturen Bescheid wussten, konnten sie auf dieses vorhandene Wissen zurückgreifen und es erweitern, anstatt zu versuchen, sie als völlig neue Merkmale zu beschreiben.
Johnsen ist besonders an der Möglichkeit interessiert, dass Wirbelringe dazu beitragen könnten, die Vermischung zwischen schweren und leichteren Elementen voranzutreiben, wenn Sterne explodieren, da ein gewisser Vermischungsprozess stattgefunden haben muss, um die Zusammensetzung von Planeten wie der Erde zu erzeugen.
Das Modell kann Forschern auch dabei helfen, die Grenzen der Energie zu verstehen, die ein Wirbelring tragen kann, und wie viel Flüssigkeit gedrückt werden kann, bevor die Strömung turbulent und dadurch schwieriger zu modellieren ist. In der laufenden Arbeit validiert das Team das Wirbelringmodell mit Experimenten.
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Mehr Informationen:
Michael J. Wadas et al., Sättigung von Wirbelringen, die aus stoßbeschleunigten Grenzflächen ausgestoßen werden, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.194001