Raketenschnelle Turbulenz sagt Wärmeverlust im Plasma voraus

Eine Forscher­gruppe des japanischen National Institute for Fusion Science (NIFS) hat an dem Fusions­experiment Large Helical Device (LHD) erstmals beobachtet, dass beim Ent­weichen von Wärme aus dem Plasma, dieser Turbu­lenzen mit hoher Geschwindigkeit voraus­eilen. Die Ergebnisse dieser Arbeit, in deren Ver­lauf in Zusammen­arbeit mit dem Wis­con­sin Plasma Physics Laboratory (WiPPL) auch ein neues Mess­gerät ent­wickelt wurde, wecken die Erwartung, dass zukünftig die Plasma­temperatur über die Beobachtung der Turbu­lenzen in Echtzeit kontrol­liert werden kann.

Um ein Fusions­kraftwerk zu betreiben, muss ein Plasma mit einer Tempe­ratur von mehr als 100 Millionen Grad Celsius stabil in einem Magnet­feld ein­ge­schlossen und über einen langen Zeit­raum auf­recht­erhalten werden. Dabei entstehen Turbu­lenzen, also Strömungen mit Wirbeln unter­schied­licher Größe, die das Plasma stören und die Wärme aus dem ein­ge­schlossenen Plasma nach außen fließen lassen. Das führt dann zu einem un­er­wünschten Absinken der Plasma­temperatur. Um dieses Problem zu lösen, muss man die Besonder­heiten von Wärme und Turbu­lenzen im Plasma erfassen. Die Turbu­lenz in Plasmen ist jedoch so komplex, dass sie noch nicht voll­ständig ver­standen ist. Möchte man ins­besondere die Art und Weise, wie sich die erzeugte Turbulenz im Plasma bewegt, begreifen, sind Instrumente er­forder­lich, die die zeitliche Entwick­lung der winzigen Turbu­lenzen mit hoher Empfind­lichkeit und extrem hoher räumlich-zeit­licher Auflösung messen können.

Im Plasma kann sich eine Barriere bilden, die den Wärme­transport vom Zentrum nach außen zwar blockiert, aller­dings auch ein starkes Druck­gefälle erzeugt und damit zu Turbu­lenzen führt. Naoki Kenmochi und seine Forschungs­gruppe haben eine Magnetfeld­struktur aufgebaut, um die Barriere gezielt zu durchbrechen. „Mit dieser Methode können wir uns auf die Wärme und die Turbulenzen konzen­trieren, die beim Durch­brechen der Barrieren fließen, und ihre Beziehung zueinander im Detail unter­suchen“, beschreibt der Wissen­schaftler. „Anschließend haben wir mit elektro­magnetischen Wellen verschiedener Wellen­längen die sich verändernde Temperatur und den Wärme­fluss der Elektronen sowie feine, nur wenige Milli­meter große Turbulenzen mit bisher unerreichter Genauigkeit gemessen. Bis dahin war nur bekannt, dass sich Wärme und Turbu­lenz fast gleich­zeitig mit einer Geschwin­digkeit von 5.000 Kilo­metern pro Stunde – also in etwa so schnell wie ein Flugzeug⁽¹⁾ – bewegen. Unser Experiment hat nun die Existenz von Turbu­lenzen auf­gedeckt, die sich mit einer Geschwin­digkeit von 40.000 Kilo­metern pro Stunde vor der Wärme her bewegen – das entspricht in etwa der Geschwin­digkeit einer Rakete⁽²⁾.“

„Diese Forschung hat unser Ver­ständnis von Turbu­lenzen in Fusions­plasmen dramatisch erweitert“, so Kenmochi. „Die neu aufgedeckte Eigen­schaft der Turbu­lenz, sich viel schneller als die Wärme im Plasma zu bewegen, eröffnet die Möglich­keit, Temperatur­änderungen im Plasma vorher­zusagen, indem wir vor­aus­schauend die Turbu­lenzen beob­achten. Wir erwarten, dass wir auf dieser Grund­lage in Zukunft Methoden zur Kontrolle der Plasma­temperaturen in Echt­zeit entwickeln können.“

NIFS / LK

Vergleichsgrößen einordnende Ergänzung vom 27.5.2022 (auf Anregung eines aufmerksamen Lesers):

¹⁾ Das ent­spricht ung­efähr dem für zu­künftige Über­­schall­flugzeuge ge­planten Mach 4 und ist damit um einiges schneller als der bis dato schnellste Flieger Lock­heed SR-71. (Anm. d. Red.)

²⁾ Das ist in etwa die zweite kos­mische Geschwin­dig­keit, mit der eine Rakete die Erde ver­lassen müsste, um sich in einem Schwung voll­ständig aus ihrem Gravi­tationsfeld zu befreien – aufgrund der luft­reibungs­beding­ten Wärme­ent­wicklung ein nicht­ereich­barer theo­reti­scher Wert. (Anm. d. Red.)