Schwebender Magnet bringt Kernfusion voran

Den Prozess der Kernfusion auf der Erde zur Energiegewinnung zu nutzen, ist eine der größten Herausforderungen dieses Jahrhunderts.
Doch auf dem Weg zum ersten kommerziellen Fusionsreaktor sind noch einige Hindernisse zu überwinden. Eins davon ist der Einschluss eines mehr als 100 Millionen Grad heißen Plasmas über einen ausreichend langen Zeitraum, damit Kernfusion überhaupt stattfinden kann und bei dem Prozess mehr Energie produziert wird, als zum Zünden des Plasmas hineingesteckt wurde.
Bei derart hohen Temperaturen bewegen sich die Atome der Wasserstoffisotope, die die Grundlage des Brennstoffs bilden, so schnell, dass sie vielfach mit anderen Atomen zusammenstoßen, die Elektronen werden aus ihren Atomhüllen herausgerissen. Übrig bleiben die Atomkerne und freien Elektronen, die das Plasma bilden. Ein Behältnis zu entwickeln, welches dieses extrem heiße Gemisch aus positiv geladenen Atomkernen und freien Elektronen ausreichend lange einschließt, ohne dass sich das Plasma abkühlt oder sich das Behältnismaterial auflöst und das Plasma verunreinigt wird, ist jedoch ein äußerst schwieriges Unterfangen.

Daher versucht man sich bestimmte Eigenschaften des Plasmas zunutze zu machen, um das Problem zu lösen. Eine und derzeit die wohl gängigste Methode nutzt die Tatsache, dass geladene Teilchen, wie sie im Plasma vorhanden sind, von Magnetfeldern abgelenkt werden. Sehr starke Magnetfelder können so dazu dienen, das Plasma in einem begrenzten Volumenbereich quasi einzuschließen. Doch auch bei den am weitesten entwickelten Reaktormodellen, dem Tokamak und dem Stellarator, entstehen immer wieder Lecks im magnetischen Einschluss durch Turbulenzen im Plasma.

Forscher um Jay Kesner vom MIT und Michael Mauel von der Columbia Universität in den USA nutzen nun im Rahmen eines neuartigen Experiments, dem Levitated Dipole eXperiment (LDX) gerade diese auftretenden Plasmaturbulenzen, um das Plasma besser einschließen zu können. Dabei machen sie sich einen Effekt zunutze, der in der Magnetosphäre der Erde und anderer Planeten beobachtet wurde und „turbulent inward pinch“ (turbulente nach innen gerichtete Einschnürung) genannt wird.
Die Erde und ihre Planeten können mit ihrem magnetischen Dipolfeld heiße ionisierte Materie, also Plasma, auch bei hohem Druck in ihrer Nähe konzentrieren.
Durch Fluktuationen in der Sonnenaktivität werden die ionisierten Teilchen Richtung Erde getrieben, wo sich die Teilchendichte erhöht.

Für die Verdichtung macht man Turbulenzen verantwortlich, die von den Schwankungen im Sonnenwind erzeugt werden und in einem magnetischen Dipolfeld nicht zu einer diffusen Ausbreitung, sondern zu einem Einfang der Teilchen führt, zu einem Maximum der Teilchendichte.
Im Rahmen der Voyager II Mission wurde in den späten 1980er Jahren entdeckt, dass Plasma durch Jupiters Magnetosphäre eingeschlossen wird.
Dies inspirierte den damals an den Bell Laboratories in den USA beschäftigten Physiker Akira Hasegawa, diesen Effekt für die Kernfusion zu nutzen und ein Fusionsplasma mit dem Feld eines magnetischen Dipols einzuschließen.
Dipolmagnete könnten Plasmen effizienter und mit schwächeren Magnetfeldern einschließen als dies in Tokamaks oder anderen Fusionsvorrichtungen der Fall ist.

Im Fachmagazin “Nature Physics” berichten nun Forscher um Michael Mauel von der Columbia Universität in einem Artikel vom 24.01.2010 über die ersten Laborexperimente, bei denen ein starker schwebender supraleitender Magnet dazu verwandt wird, ein extrem heißes Plasma einzuschließen.