Sorlox Beschleuniger und HBM Genesis in Aktion

Messung von Fusionsreaktionen in Echtzeit – ein wichtiger Beitrag zur Konstruktion eines einzigartigen Beschleunigers in Spiralform

Wissenschaftler und Forscher versuchen seit Langem, Kernfusionsvorrrichtungen zu entwickeln, um auf der Erde die gleiche saubere Energie zu erzeugen, die auch unsere Sonne und die Sterne versorgt.

Bei einer neuen Konstruktion des Forschungs- und Entwicklungsunternehmens Sorlox kommt eine einzigartige spiralförmige Kammer zum Einsatz, um den Brennstoff so zu komprimieren, dass er den Plasmazustand erreicht, in dem er dann zündet und große Energieimpulse erzeugt.

Um das optimale Design zu entwickeln, musste das Unternehmen Daten wie die Ströme und Spannungen des elektromagnetischen "Käfigs" messen, der das Plasma auf seinem Fluss entlang der Beschleunigerwände einschließt – und zwar in Echtzeit.

Damit stellte sich ein Konstruktionsproblem, weil das extrem heiße und elektrisch aufgeladene Plasma so schnell reagiert, dass es möglicherweise nur sehr schwer zu messen wäre. Bei der Entwicklung der Fusionsvorrichtung arbeitete das Unternehmen mit dem Datenerfassungssystem (DAQ) "Genesis HighSpeed" von HBM, einem Hersteller von DAQs, Analyse- und Kalibrierungs-Software, Dehnungsmessstreifen sowie Messwertaufnehmern und Sensoren.

Zur Erinnerung: Die Kernfusion funktioniert anders als die Kernspaltung, der atomare Prozess, der in Kernkraftwerken zur Energieerzeugung genutzt wird. Im Grunde setzt die Kernspaltung Energie durch die Spaltung von Atomen frei, während bei der Fusion große Energien durch die Verbindungsreaktion auf der unfassbar kleinen atomaren Ebene entstehen. Im Sonnenkern laufen die thermonuklearen Reaktionen bei Temperaturen von fünfzehn Millionen Grad Celsius ab – das reicht, damit Protonen sich vereinigen, wenn sie aufeinanderprallen. Dabei geht jedes Mal ein geringer Anteil an Masse verloren.

Wie Einsteins berühmte Gleichung E=mc²postuliert, wird die Masse in Form von Energie freigesetzt. Diese freigesetzte Energie ist explosiv und ungeheuer groß – das Vieltausendfache der Energie, die aufgewendet werden muss, um die Atome miteinander zu fusionieren.

Die Grundlagen der Physik

Techniker, Naturwissenschaftler und Physiker haben lange versucht, einen Fusionsreaktor bzw. Beschleuniger zu entwickeln, in dem dieser Prozess hier auf der Erde funktioniert. Viele meinen, dass solche Vorrichtungen dabei helfen könnten, die Umweltzerstörung zu beenden, die auf die schädlichen Nebenprodukte herkömmlicher Energiequellen zurückzuführen ist. Die Befürchtungen bezüglich dieser schädlichen Folgen werden von kürzlich veröffentlichten Statistiken gestützt, die davon ausgehen, dass die Atmosphäre zur Mitte des Jahrhunderts 500 ppm CO₂ enthalten wird und dadurch zum Ende dieses Jahrhunderts enorme Schäden an der Umwelt bewirkt werden. Erneuerbare Energien wie Solar- und Windenergie werden bei der Lösung des Problems keine bedeutende Rolle spielen, da sie zu stark schwanken und schwierig zu speichern sind. Die Hoffnung liegt darauf, die immense Energie zu bändigen, die bei Fusionsreaktionen entsteht.

Forscher haben bereits Vorrichtungen im Labormaßstab gebaut, in denen es durch die Komprimierung eines Brennstoffpellets aus Deuterium (D), einem Wasserstoff-Isotop, das sich leicht aus Meerwasser extrahieren lässt, und Tritium (T), das aus dem ebenfalls aus Meerwasser extrahierbaren Lithium produziert wird, zu Fusionsreaktionen kommt.

Ähnlich wie bei der Reaktion in der Sonne (und anderen Sternen), wo Deuterium- und Tritium-Kerne bei hohen Temperaturen und Drücken fusionieren, bilden sie einen Heliumkern, ein Neutron – und riesige Mengen an Energie.

Bei solch hohen Temperaturen liegt die Materie in einem Plasmazustand vor, in dem elektrisch neutrale Atome bzw. Moleküle in elektrisch geladene Atome bzw. Moleküle (Ionen) übergegangen sind. Das heiße Plasma muss lang genug eingeschlossen bleiben, um nicht abzukühlen, damit es zur Fusion kommen kann und Energie erzeugt wird.

Weil das Plasma elektrisch aufgeladen und extrem heiß ist, kam man zu dem Schluss, dass ein starkes Magnetfeld in Form eines Torus die beste Methode ist, einen solchen "Käfig" zu bilden.

Wissenschaftler haben Vorrichtungen gebaut, in denen Temperaturen erzeugt werden, die zehnmal so hoch wie in der Sonne sind und Fusionsreaktionen in Gang setzen, die wenige Sekunden lang viele Megawatt an Energie erzeugen.

Bei einem Projekt werden Laser auf ein kleines Brennstoffpellet mit den Wasserstoff-Isotopen Deuterium und Tritium gelenkt. Der Druck der Laser komprimiert das Brennstoffpellet, das sich in einem Zylinder befindet, bis Deuterium und Tritium fusionieren und einen großen Energiestoß freisetzen.

Die permanente Herausforderung liegt darin, ein Gerät zu konstruieren, in dem die durch die Fusion freigesetzte Energie größer ist als die Energie, die zur Erzeugung des Brennstoffpellets aufgewendet wurde. Der nächste Schritt ist eine Fusionsreaktion, die – wie die Reaktion in der Sonne und den Sternen – selbsterhaltend ist. Dabei geht es um den sogennanten Punkt der "Zündung". Anders gesagt, ist die Herausforderung die Erschaffung eines selbsterhaltenden, künstlichen Sterns.

Bei der Entwicklung seines Beschleunigers ging Sorlox das Problem aus einer anderen Richtung an. Die erste Innovation war die Entwicklung eines spiralförmigen Kompressors aus Gussmetall, den das Unternehmen"Nautilus" taufte. Damit sollte eine kompaktere Vorrichtung ungefähr in der Größe eines Kühlschranks ermöglicht werden.

Sorlox stellt ein Plasma her, indem Deuteriumgas, eingeschlossen in ein starkes Magnetfeld, ionisiert wird. Das Plasma liegt als ringförmige Strömung in Form eines kompakten Torus vor. Das magnetisierte Plasma wird in den Nautilus-Kompressor eingeschossen und von 10¹⁵ Ionen/cm³ auf 10¹⁸ Ions/cm³ komprimiert. Die so entstehende Hitze und Dichte reicht aus, um die Zündung in Gang zu setzen.

Messen des Prozesses

Bei den Berechnungen im Zusammenhang mit der Entwicklung des Geräts erkannten die Wissenschaftler, dass sie ein DAQ benötigten, das ca. 100 Millionen Messungen pro Sekunde durchführen kann. Der Genesis HighSpeed arbeitet mit einer schnellen Karte, die derart hohe Abtastraten bewältigen kann. In der ersten Version des Nuklearbeschleunigers war der Einsatz eines DAQs mit vier Kanälen erforderlich, das Gerät der nächsten Generation erforderte dann ein System mit 12 Kanälen.

Projektleiter Brent Freeze erklärt, dass Sorlox das DAQ zur Messung der elektromagnetischen Felder einsetzte, die das Plasma einschließen. Ein spezieller Magnetsensor im Datenrekorder liest Ströme über einen Abstand hinweg ab – was aufgrund der hohen Drücke und Temperaturen von besonderer Bedeutung ist.

Der induktive Sensor ist um einen elektrischen Leiter herum gewickelt. Er gibt eine geringe Spannung aus, die für den durch das vorbeifließende Plasma induzierten Strom steht. Die Wissenschaftler setzten das DAQ auch zur Messung der Dichte des Plasmas und seiner Geschwindigkeit beim Einschießen in den Kompressor ein. Ein separates Highspeed-Kamerasystem ermöglichte die Visualisierung der Ausbreitung des Plasmas – wie es sich bildet und wie es komprimiert wird.

Anwendungs Implikationen

Sorlox Beschleuniger Screenshot von HBM Software Perception mit RF-Treiberlauf Pickup und Timer.

Die Datenerfassung durch das DAQ erfolgte kontinuierlich – besonders wichtig, da jeder gegebene Impuls kontrolliert werden muss und dafür eine Feedbackfunktion erforderlich ist. Auf Grundlage der umfangreichen Messergebnisse konnten die Erregungs- und Reaktionswerte der verschiedenen Sensoren bestimmt und dadurch alle Daten in Korrelation zueinander gesetzt werden.

"Das DAQ hat alles aufgezeichnet", berichtet Freeze. "Das System hat nicht nur die Daten von den Sensoren erfasst, sondern auch die eingehenden Daten von den Kameras digital in verlinkte Dateien dupliziert. Das DAQ arbeitet hier sozusagen im doppelten Einsatz. Einerseits erfasst es die Daten bei unseren Durchläufen und andererseits sichert es die gesamten Bilddaten auf einer Festplatte. Mit diesem Datenerfassungssystem können wir auswerten, was geschieht, wenn wir ein Plasma in einem solch starken Magnetfeld auf diese extremen Temperaturen bringen."

Laut Sorlox ist das potenziell größte Einsatzgebiet für den Fusionsbeschleuniger der neuesten Generation die Stromerzeugung. Wenn man die jährlichen Brennstoffkosten eines Kohlekraftwerks mit 1 GW Leistung zum Vergleich heranzieht, könnte mithilfe der neuen Technik laut Schätzungen eine Einsparung von 90 % bei den Brennstoffkosten machbar sein.

Die Technik ist außerdem umweltfreundlich, weil keine Treibhausgase freigesetzt werden. Andere, neuere Modelle der "Pulsed Plasma"-Vorrichtung können für Anwendungen wie die Erzeugung von Isotopen für medizinische Zwecke und von Helium-3 eingesetzt werden.

Das DAQ leistet Sorlox bei der Entwicklung von Maschinen der nächsten Generation auch weiter gute Dienste, indem es den Technikern dabei hilft, bessere Modelle der Fusionsreaktionen und ihrer Wirkungsweise zu entwickeln.