Ein Team aus Physikern und Ingenieuren am Princeton Plasma Physics Laboratory baute einen als Stellarator bekannten Fusionsreaktor mit Permanentmagneten und stellte damit eine potenziell kostengünstige Möglichkeit zum Bau dieser leistungsstarken Maschinen vor. Ihr Experiment mit dem Namen MUSE basiert auf 3D-gedruckten und handelsüblichen Teilen.
Die Kernfusion, die Reaktion, die Sterne wie unsere Sonne antreibt, erzeugt durch die Verschmelzung von Atomen enorme Mengen an Energie (nicht zu verwechseln mit der Kernspaltung, bei der durch die Spaltung von Atomen weniger Energie erzeugt wird). Die Kernspaltung ist die Reaktion, die im Kern moderner Kernreaktoren stattfindet, die Stromnetze mit Strom versorgen. Die Wissenschaftler haben den Code der Kernfusion als Energiequelle noch nicht geknackt. Selbst wenn dieses lang ersehnte Ziel erreicht ist, wird die Skalierung der Technologie und die es kommerziell rentabel zu machen, ist eine ganz eigene Herausforderung.
Stellaratoren sind kreuzförmige Vorrichtungen, die Hochtemperaturplasmen enthalten, die so eingestellt werden können, dass sie die Bedingungen für Fusionsreaktionen schaffen. Sie ähneln Tokamaks. Donutförmige Geräte, die Fusionsreaktionen durchführen. Tokamaks verlassen auf Solenoide, das sind Magnete, die elektrischen Strom leiten. MUSE ist anders.
„Der Einsatz von Permanentmagneten ist eine völlig neue Art, Stellaratoren zu konstruieren“, sagte Tony Qian, ein Doktorand am Princeton Plasma Physics Laboratory und Hauptautor von zwei Artikeln, die im Zeitschrift für Plasmaphysik und Kernfusion die das Design des MUSE-Experiments beschreiben. „Diese Technik ermöglicht es uns, schnell neue Ideen zur Plasmaeinschluss zu testen und einfach neue Geräte zu bauen.“
Permanentmagnete benötigen keinen elektrischen Strom zur Erzeugung ihrer Magnetfelder und können handelsüblich gekauft werden. Beim MUSE-Experiment wurden solche Magnete auf eine 3D-gedruckte Schale geklebt.
„Mir wurde klar, dass Permanentmagnete aus Seltenen Erden, auch wenn sie neben anderen Magneten platziert würden, die notwendigen Magnetfelder erzeugen und aufrechterhalten könnten, um das Plasma einzuschließen, sodass Fusionsreaktionen stattfinden können“, so Michael Zarnstorff, ein Forscher im Labor und Hauptforscher des MUSE-Projekts, in einer Pressemitteilung. „Das ist die Eigenschaft, die diese Technik so funktionieren lässt.“
Letztes Jahr haben Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) des Energieministeriums erreichte die Gewinnschwelle bei einer Fusionsreaktion; das ist die Reaktion erzeugte mehr Energie als zu ihrem Betrieb brauchte. Allerdings vernachlässigt diese Auszeichnung die „Wandleistung“, die erforderlich ist, um die Reaktion hervorzurufen. Mit anderen Worten: Es liegt noch ein langer, langer Weg vor uns.
Der Durchbruch bei LLNL wurde erreicht, indem ein Atompellet mit leistungsstarken Lasern bestrahlt wurde. Dies ist ein anderer Prozess als die plasmabasierten Fusionsreaktionen, die in Tokamaks und Stellaratoren stattfinden. Kleinere Änderungen an den Geräten, wie die Implementierung von Permanentmagneten in MUSE oder ein verbesserter Wolfram-Diverter im KSTAR-Tokamak, erleichtert es Wissenschaftlern die Replikation der Versuchsaufbauten und die Durchführung von Experimenten bei hohen Temperaturen über längere Zeiten.
Zusammengenommen ermöglichen diese Innovationen den Wissenschaftlern Folgendes: mehr mit den Plasmen in Knochenspitze und vielleicht – nur vielleicht –das gepriesene Ziel einer nutzbaren und skalierbaren Fusionsenergie erreichen.
Korrektur: In einer früheren Version dieses Artikels wurde das Princeton Plasma Physics Laboratory fälschlicherweise als Teil der Princeton University bezeichnet. Obwohl die Universität das Labor für das Department of Energy verwaltet, ist es nicht Teil der Universität.
