Auf dem Weg zum Fusionsreaktor: Superheiße Materie mit Röntgenlupe durchleuchtet
Forscher aus Sachsen und Hamburg hoffen auf neue Erkenntnisse zur Trägheitsfusion
Hamburg/Görlitz/Dresden, 11. Juli 2024. Auf der Suche nach einer fast unerschöpflichen Energiequelle jenseits der Kernspaltung haben Russen und Westeuropäer lange auf riesige Tokamak-Reaktoren gesetzt: Die sollen Wasserstoff extrem erhitzen, in Magnetfelder einzwängen und dann zur Kernfusion bringen. Doch die milliardenteuren Tokamaks sind trotz jahrzehntelanger Entwicklung bis heute nicht einsatzbereit. Daher schwenken viele nun auf alternative Wege zur Bändigung der Sonnenenergie auf Erden ein: einerseits auf seltsam verdrehte Stellarator-Reaktoren, anderseits auf Trägheits-Fusion, wie sie die USA inzwischen schon recht erfolgreich im Labormaßstab schafft.
USA kommen mit Laser-Methode schneller voran als Europäer mit ihrem Tokamak
Dort beschießen starke Laser kleine Kugeln mit schwerem Wasserstoff, um die Kernverschmelzung in Gang zu bringen. Dabei entsteht ein exotischer Materiezustand jenseits von „fest“, „flüssig“ oder „gasförmig“: „warme dichte Materie“, wie sie sonst nur im Innern von braunen Zwergsternen oder Riesenplaneten entsteht. Üblich sind dabei Temperaturen von bis mehreren 100.000 Kelvin und Drücke, die mehrere Hunderttausend Mal höher sind als der auf der Erdoberfläche.
XFEL-Beschleuniger hilft bei Analyse eines extremen Materie-Zustandes
Forschern aus Hamburg, Görlitz und Dresden ist es nun gelingen, diesen extremen Materie-Zustand mit Röntgenstrahlen extrem genau zu durchleuchten. Dabei haben sie am europäischen Teilchenbeschleuniger „XFEL“ nahe Hamburg erzeugte „Röntgen-Thomson-Streuung“ durch ihre Proben dichter warmer Materie geschickt. Dabei haben sogenannte Plasmonen – gleichschwingende Elektronen-Gruppen im Material – die Strahlen leicht verändert. Diese kleinen Änderungen konnten die Forscher dann mit Spektrometern messen und auswerten – zehnmal genauer, als es bisher in Experimenten möglich war. Die Befunde verglich ein Team um Tobias Dornheim vom Görlitzer „Casus“-Zentrum für interdisziplinäre Systemforschung dann mit Simulationen von warmer dichter Materie, die sie an Supercomputern hatten durchlaufen lassen.
Diese Kombination aus Simulationen und der neuen Analyse-Methode erlaube „noch nie dagewesene Einblicke in das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen“, meint Thomas Gawne von der Casus-Nachwuchsforschungsgruppe „Grenzbereiche der computergestützten Quanten-Vielteilchentheorie“. Das Wechselspiel von Messung und Simulation ist entscheidend, um zukunftsweisende Experimente durchführen zu können.“
„Wechselspiel von Messung und Simulation ist entscheidend“
Auch XFEL-Forscher Thomas Preston verspricht sich noch viel von der Kooperation mit den Kollegen aus Sachsen. „Die einzigartige Kombination aus modernster Theorie am Casus und am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf sowie den hochmodernen Experimenten an der High-Energy-Density-Experimentierstation am European XFEL eröffnet der Wissenschaft ungeahnte Möglichkeiten“, prognostiziert er. „Das Wechselspiel von Messung und Simulation ist entscheidend, um zukunftsweisende Experimente durchführen zu können.“ Er ist der Überzeugung, dass sich damit künftig viele Fragen zur Trägheitsfusion und der Erforschung astrophysikalischer Objekte beantworten lassen.
Autor: Oiger
Quellen: XFEL, Casus
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