Wissenschaftler entdecken eine Abkürzung, die den Entwurf kurvenreicher Fusionsanlagen unterstützt

Wissenschaftler haben eine mathematische Abkürzung gefunden, die dazu beitragen könnte, Fusionsenergie zu nutzen, eine potenzielle Quelle sauberer Elektrizität, die Überschwemmungen, Hitzewellen und andere zunehmende Auswirkungen des Klimawandels abmildern könnte. Die Methode ermöglicht es Forschern, einfacher vorherzusagen, wie gut ein Stellarator – ein gewundenes Gerät, das die Fusionsenergie reproduzieren soll, die Sonne und Sterne antreibt – die für Fusionsreaktionen entscheidende Wärme speichern kann.

Die Technik misst, wie gut das Magnetfeld eines Stellarators die sich am schnellsten bewegenden Atomkerne im Plasma festhalten kann, wodurch die Gesamtwärme erhöht und die Fusionsreaktionen unterstützt werden. Doch wie können Wissenschaftler eine Form finden, die möglichst viel Wärme speichert?

Suche nach magnetischen Käfigen, die Wärme speichern

„Wir können nicht die Bewegungen aller einzelnen Teilchen in allen möglichen Magnetfeldern simulieren – das würde nahezu unendliche Rechenleistung erfordern“, sagte Alexandra LeViness, eine Doktorandin der Plasmaphysik am Princeton Plasma des US-Energieministeriums (DOE). Physiklabor (PPPL). „Stattdessen müssen wir eine Abkürzung verwenden“, sagte LeViness, Hauptautor des Artikels, der in der Zeitschrift über die Ergebnisse berichtet Kernfusion.

„Diese Forschung zeigt, dass wir die beste Magnetfeldform zum Einschließen von Wärme finden können, indem wir etwas einfacheres berechnen – wie weit die schnellen Teilchen von den gekrümmten Magnetfeldoberflächen im Zentrum des Plasmas wegdriften“, sagte LeViness. „Dieses Verhalten wird durch eine Zahl beschrieben, die als Gamma C bekannt ist und die, wie wir herausgefunden haben, konsistent mit dem Plasmaeinschluss korrespondiert.“

Tatsächlich bringt die Abkürzung die künftige Stellaratorforschung voran, sagte LeViness, „denn je mehr sich schnell bewegende Teilchen im Zentrum des Plasmas bleiben, desto heißer ist der Brennstoff und desto effizienter wird der Stellarator sein.“

Die Geschichte und Zukunft der Fusion

Bei der Fusion werden große Energiemengen freigesetzt, indem leichte Elemente in Form von Plasma kombiniert werden – dem heißen, geladenen Zustand der Materie, der aus freien Elektronen und Atomkernen besteht und 99 % des sichtbaren Universums ausmacht. Wissenschaftler auf der ganzen Welt versuchen, Fusionsreaktionen zu nutzen, um einen nahezu unerschöpflichen Vorrat an sicherer und sauberer Energie zur Stromerzeugung zu schaffen.

PPPL verfügt über mehr als ein halbes Jahrhundert Erfahrung in der Entwicklung theoretischer wissenschaftlicher Erkenntnisse und fortschrittlicher Technik, um die Kernfusion für die Stromversorgung der USA und der Welt zu ermöglichen. Gleichzeitig hat das Labor das grundlegende wissenschaftliche Verständnis des Plasmauniversums seit langem vom Labor auf astrophysikalische Maßstäbe weiterentwickelt.

Stellaratoren, die in den 1950er Jahren vom PPPL-Gründer Lyman Spitzer entwickelt wurden, funktionieren ohne das Risiko schädlicher Störungen, denen Donut-förmige Fusionsgeräte, sogenannte Tokamaks, ausgesetzt sind. Doch Stellaratoren konnten die Hitze lange nicht so gut halten wie Tokamaks, die über ähnliche Magnetfelder verfügen.

„Aber mit Techniken wie der von LeViness untersuchten konnten wir magnetische Konfigurationen für Stellaratoren finden, die Wärme genauso gut speichern wie Tokamaks“, sagte Elizabeth Paul, Assistenzprofessorin für angewandte Physik an der Columbia University. „Für Stellaratoren ist es eine größere Herausforderung, aber LeViness hat gezeigt, dass es möglich ist“, sagte Paul, ein ehemaliger Präsidentschaftsstipendiat der Princeton University.