Die Trägheitsfusion ist eine Möglichkeit, Energie durch Kernfusion zu erzeugen, obwohl sie (trotz der erzielten Fortschritte) mit allerlei wissenschaftlichen Herausforderungen behaftet ist. Forscher der Lehigh University versuchen mit diesem Ansatz ein besonderes Problem zu lösen, indem sie Experimente mit Mayonnaise durchführen, die in einem rotierenden Gerät in Form einer Acht platziert wird. Sie beschrieben ihre neuesten Erkenntnisse in einem Artikel, der im New England Journal of Science veröffentlicht wurde. Neues Papier Diese in der Fachzeitschrift Physical Review E veröffentlichte Studie zielt darauf ab, die Energieproduktion durch Fusion zu steigern.
Diese Arbeit baut auf früheren Forschungen im Lehigh Laboratory des Maschinenbauingenieurs Arindam Banerjee auf, die sich auf die Untersuchung der Dynamik von Flüssigkeiten und anderen Materialien als Reaktion auf extrem hohe Beschleunigung und Zentrifugalkraft konzentrieren. In diesem Fall untersuchte sein Team die sogenannte „Instabilitätsschwelle“ elastischer/plastischer Materialien. Laut Banerjee haben Wissenschaftler darüber diskutiert, ob dies durch Anfangsbedingungen verursacht wird oder ob es das Ergebnis „lokalerer katastrophaler Prozesse“ ist. Die Frage ist für eine Vielzahl von Bereichen relevant, darunter Geophysik, Astrophysik, Sprengschweißen und ja, Trägheitsfusion.
Wie genau funktioniert die Inertial-Detention-Fusion? Wie Chris Lee Ars im Jahr 2016 erklärte:
Die Idee hinter der Trägheitsfusion ist einfach. Damit zwei Atome miteinander verschmelzen können, müssen ihre Kerne miteinander in Kontakt gebracht werden. Da beide Kerne positiv geladen sind, stoßen sie sich gegenseitig ab, was bedeutet, dass Kraft erforderlich ist, um die beiden Wasserstoffkerne in Kontakt zu bringen. Bei einer Wasserstoffbombe entsteht die Kraft, wenn eine kleine Spaltbombe explodiert und dabei einen Wasserstoffkern komprimiert. Diese verschmelzen zu schwereren Elementen und setzen dabei eine enorme Energiemenge frei.
Da Wissenschaftler den Spaß gerne ruinieren, ziehen sie es vor, keine Atomwaffen zu zünden, wenn sie die Kernfusion untersuchen oder sie zur Stromerzeugung nutzen wollen. Dies bringt uns zur Trägheitskernfusion. Bei der Trägheitskernfusion besteht der Wasserstoffkern aus kugelförmigen Wasserstoffeiskörnern in einer Schwermetallhülle. Die Abdeckung wird mit leistungsstarken Laserstrahlen beleuchtet, die einen großen Teil des Materials verbrennen. Die durch die Explosion des verdampften Materials nach außen verursachte Reaktionskraft führt dazu, dass das verbleibende Gehäuse explodiert. Die resultierende Stoßwelle komprimiert den Kern der Wasserstoffkörner, bis sie zu verschmelzen beginnen.
Würde die Fusion an diesem Punkt enden, wäre die freigesetzte Energiemenge vernachlässigbar. Doch die durch die anfängliche Fusionsverbrennung im Zentrum freigesetzte Energie erzeugt genug Wärme, damit der Wasserstoff an der Außenseite des Pellets die gewünschte Temperatur und den gewünschten Druck erreichen kann. Letztendlich wird also (zumindest in Computermodellen) der gesamte Wasserstoff in einem Feuertod verbraucht und große Mengen an Energie freigesetzt.
Das ist jedenfalls die Idee. Das Problem besteht darin, dass sich im Plasmazustand tendenziell hydrodynamische Instabilität aufbaut – Banerjee vergleicht es mit „zwei Substanzen“. [that] Materialien „dringen wie Finger ineinander ein“, wenn die Schwerkraft oder ein Beschleunigungsfeld vorhanden ist – was wiederum die Energieproduktion verringert. Der Fachbegriff ist Rayleigh-Taylor-Instabilität, die zwischen zwei Materialien unterschiedlicher Dichte auftritt, wobei sich Dichte- und Druckgradienten in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Es stellt sich heraus, dass Mayonnaise ein hervorragendes Analogon zur Untersuchung dieser Instabilität bei der Beschleunigung von Feststoffen ist, ohne dass ein Laboraufbau mit hohen Temperatur- und Druckbedingungen erforderlich ist, da es sich um eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit handelt.
„Wir verwenden Mayonnaise, weil sie sich wie ein Feststoff verhält, aber wenn sie einem Druckgefälle ausgesetzt wird, beginnt sie zu fließen.“ sagte Banerjee„Wie bei herkömmlicher Metallschmelze beginnt sich die Mayonnaise zu verformen, wenn man den Druck wegnimmt, kehrt sie in ihre ursprüngliche Form zurück. Es gibt also eine elastische Phase, auf die eine stabile plastische Phase folgt ist, wenn es zu fließen beginnt, und hier beginnt die Instabilität.“
Bitte mehr Mayonnaise
Ein Video aus dem Jahr 2019, das Riley Taylors Spinnrad-Instabilitätsexperiment an der Lehigh University zeigt.
Die Experimente seines Teams im Jahr 2019 bestanden darin, echte Hellmanns-Mayonnaise – die diesem Team nicht zur Verfügung stand – in eine Plexiglasschüssel zu gießen und dann wellenartige Turbulenzen in der Mayonnaise zu erzeugen. Bei einem Experiment wurde die Schüssel auf ein rotierendes Achterrad gestellt und das Material mit einer Hochgeschwindigkeitskamera verfolgt, wobei ein Bildverarbeitungsalgorithmus zur Analyse des Filmmaterials verwendet wurde. Ihre Ergebnisse stützten die Behauptung, dass die Instabilitätsschwelle von den Anfangsbedingungen, nämlich Amplitude und Wellenlänge, abhängt.
Dieses neueste Papier wirft mehr Licht auf die strukturelle Integrität von Fusionskapseln, die bei der Trägheitseinschlussfusion verwendet werden, und wirft einen genaueren Blick auf die Materialeigenschaften, Amplituden- und Wellenlängenbedingungen sowie die Beschleunigungsrate dieser Materialien, wenn sie die Rayleigh-Taylor-Instabilitätsschwelle erreichen. Je mehr Wissenschaftler über den Phasenübergang von der flexiblen zur stabilen Phase wissen, desto besser können sie die Bedingungen kontrollieren und die flexible oder plastische Phase aufrechterhalten und so Instabilität vermeiden. Banerjee et al. konnten die Bedingungen zur Aufrechterhaltung der elastischen Phase bestimmen, was bei der Entwicklung zukünftiger Trägheitsfusionspellets hilfreich sein könnte.
Allerdings sind die Mayonnaise-Experimente weit von den realen Bedingungen der Kernfusion entfernt, wie Banerjee ohne weiteres zugibt. Er ist jedoch optimistisch, dass zukünftige Forschungen die Fähigkeit verbessern werden, vorherzusagen, was im Inneren von Körnern in ihren Hochtemperatur- und Hochdruckumgebungen geschieht. „Wir sind ein weiterer Teil dieses riesigen Forscherrads.“ Er sagte„Und wir alle arbeiten daran, die Trägheitsfusion kostengünstiger und damit machbar zu machen.“
DOI: Physical Review E, 2024. 10.1103/Physics Review.109.055103 (Über DOIs).
