Vova Krasen
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Anmerkung des Herausgebers: Diese Geschichte wurde um 13:35 Uhr aktualisiert. E.T..
Mysteriöse, geisterhafte "Pfeiferwellen", die normalerweise durch Blitze erzeugt werden, könnten Kernfusionsreaktoren vor außer Kontrolle geratenen Elektronen schützen, so neue Forschungsergebnisse.
Diese Pfeiferwellen befinden sich natürlich hoch über der Erde in der Ionosphäre - einer Schicht der Erdatmosphäre etwa 80 bis 1000 Kilometer über der Planetenoberfläche. Diese gespenstischen Pfeiferwellen bilden sich, wenn Blitze Impulse elektromagnetischer Wellen erzeugen, die sich zwischen der nördlichen und der südlichen Hemisphäre bewegen. Diese Wellen ändern ihre Frequenz, wenn sie den Globus durchqueren, und wenn diese Lichtsignale in Audiosignale umgewandelt werden, klingen sie wie Pfeifen.
Jetzt wurden diese Pfeiferwellen im heißen Plasma in einem Tokamak entdeckt - der Donut-förmigen Maschine, in der Kernfusionsreaktionen stattfinden -, wie eine kürzlich am 11. April in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Studie ergab.
Da Pfeifer Hochgeschwindigkeitselektronen streuen und behindern können, könnten sie einen neuen Weg bieten, um zu verhindern, dass außer Kontrolle geratene Elektronen das Innere eines Tokamaks beschädigen.
Fusionskraft
Bei Kernfusionsreaktionen, die Sonne und Sterne antreiben, schlagen Atome zusammen und verschmelzen zu größeren Atomen, während sie Energie freisetzen. Seit Jahrzehnten versuchen Forscher, die Fusionsenergie auf der Erde zu nutzen, indem sie starke Magnetfelder in Tokamaks nutzen, um Donut-förmige Wolken aus heißem Plasma zu korrigieren - eine seltsame Phase der Materie, die aus elektrisch geladenem Gas besteht.
Im Tokamak können elektrische Felder Elektronen immer schneller antreiben. Da diese Hochgeschwindigkeitselektronen jedoch durch das Plasma fliegen, können sie nicht langsamer werden. Normalerweise spüren Objekte, die sich durch ein Gas oder eine Flüssigkeit bewegen, eine Widerstandskraft, die mit der Geschwindigkeit zunimmt. Je schneller Sie beispielsweise mit Ihrem Auto fahren, desto mehr Windwiderstand haben Sie. Im Plasma nimmt die Widerstandskraft jedoch mit der Geschwindigkeit ab, sodass Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und den Tokamak beschädigen können.
Forscher haben bereits einige Techniken, um Ausreißer zu mildern, sagte Don Spong, Physiker am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee und Mitautor der neuen Studie. Sie können Algorithmen für künstliche Intelligenz verwenden, um die Dichte des Plasmas zu überwachen und anzupassen, um zu verhindern, dass Elektronen zu schnell beschleunigen. Wenn es immer noch Ausreißer gibt, können sie Pellets aus gefrorenem Neon in das Plasma injizieren, was die Plasmadichte erhöht und außer Kontrolle geratene Elektronen verlangsamt.
Aber Pfeiferwellen könnten noch eine andere Möglichkeit sein, außer Kontrolle geratene Elektronen einzudämmen. "Wir wollen im Idealfall Störungen und Ausreißer vermeiden", sagte Spong. "Aber wenn sie auftreten, möchten wir, dass mehrere Tools zur Verfügung stehen, um mit ihnen umzugehen."
Ausreißer stoppen
Im Tokamak der DIII-D National Fusion Facility in San Diego entdeckte das Forschungsteam von Spong zum ersten Mal Pfeiferwellen, die von außer Kontrolle geratenen Elektronen erzeugt wurden.
Plasma, erklärte er, sei wie ein Stück Wackelpudding mit vielen Schwingungsarten. Wenn einige außer Kontrolle geratene Elektronen genau die richtige Geschwindigkeit haben, regen sie einen dieser Modi an und lösen Pfeiferwellen aus - ähnlich wie das Fahren eines alten Autos mit genau der richtigen Geschwindigkeit dazu führen kann, dass das Armaturenbrett vibriert.
"Wir möchten diesen Prozess rückentwickeln und diese Wellen auf die Außenseite [des Plasmas] legen, um die Ausreißer zu zerstreuen", sagte Spong.
Durch ein besseres Verständnis, wie Ausreißer Pfeifer erzeugen, hoffen die Forscher, dass sie den Prozess umkehren können - indem sie eine externe Antenne verwenden, um Pfeifer zu erzeugen, die die Elektronen streuen und verhindern können, dass sie zu schnell werden.
Die Forscher müssen die Beziehung zwischen Ausreißern und Pfeifern noch weiter untersuchen, sagte Spong, indem sie beispielsweise herausfinden, welche Frequenzen und Wellenlängen am besten zur Hemmung von Ausreißern geeignet sind, und untersuchen, was in dem dichteren Plasma passiert, das für Fusionsreaktoren benötigt wird.
Natürlich ist die Unterdrückung außer Kontrolle geratener Elektronen nur eine Hürde für die Erzeugung sauberer Energie aus der Kernfusion. Derzeit benötigen Fusionsreaktoren mehr Energie, um Plasma zu erwärmen, als durch die Fusion erzeugt wird. Um die Gewinnschwelle zu erreichen, müssen die Forscher noch herausfinden, wie Plasma heiß bleiben kann, ohne Wärme hinzufügen zu müssen.
Aber Spong ist optimistisch in Bezug auf die Fusionsenergie. "Ich bin davon überzeugt, dass es erreichbar ist."
Im Jahr 2025 soll das ITER-Projekt in Südfrankreich mit Experimenten beginnen. und Wissenschaftler hoffen, dass es die erste Fusionsmaschine sein wird, die mehr Energie produziert als zum Erhitzen des Plasmas verwendet wird. Mehrere Gruppen haben sich zum Ziel gesetzt, bis 2050 eine positive Nettofusionsenergie zu erreichen. Eine neue Zusammenarbeit zwischen dem MIT und einem Unternehmen namens Commonwealth Fusion Systems gab bekannt, dass die Partner hoffen, die Kernfusion in 15 Jahren ans Netz zu bringen.
Anmerkung des Herausgebers: Diese Geschichte wurde aktualisiert, um festzustellen, dass Lichtsignale anstelle von Lichtfrequenzen in Audiosignale umgewandelt werden.