Neue Bildgebung liefert wichtige Erkenntnisse für die Kernfusion

Ein internationales Forschungsteam hat erstmals eine hochauflösende Filmsequenz von Schockwellen aufgenommen, die sich durch einen mikroskopisch feinen Wasserstrahl bewegen. Das Verfahren soll nun die Kernfusions-Forschung deutlich voranbringen.

Dünner Wasserstrahl im Visier

Mit Hilfe einer neuartigen "Multi-Messenger"-Bildgebung gelang es, den Ablauf der Materialverdichtung in Zeitintervallen von wenigen Billionstel Sekunden sichtbar zu machen. Die Ergebnisse bieten damit einen Blick auf die Prozesse, die auch in der sogenannten Trägheitsfusion (Inertial Confinement Fusion, ICF) von Bedeutung sind, in bislang unerreichter Präzision.

Die Trägheitsfusion versucht, die Energiegewinnung der Sonne auf der Erde nachzustellen. Laut Hai-En Tsai vom Berkeley Lab, der an der aktuellen Arbeit beteiligt war, sei das Experiment äußerst anspruchsvoll gewesen, habe aber "sehr lohnende Resultate" hervorgebracht.


Der wichtigste Befund stammt aus der kombinierten Sicht zweier unterschiedlicher Messmethoden. Während frühere Untersuchungen ausschließlich mit Röntgenstrahlen arbeiteten und letztlich kein umfassendes Bild lieferten, drang man nun deutlich tiefer vor. So zeigte sich beispielsweise, dass sich um den Wasserstrahl eine hauchdünne Schicht aus Wasserdampf bildet. Diese unscheinbare Hülle wirkt wie ein schützendes Polster und sorgt dafür, dass eine auftreffende Schockwelle den Wasserstrahl gleichmäßig komprimiert. Eine symmetrische Verdichtung gilt auch als entscheidende Voraussetzung für erfolgreiche Fusionsreaktionen, kleinste Instabilitäten können bereits verhindern, dass ein Fusionsplasma zündet und Energie freisetzt.

Kombinierte Bildquellen

Um die extrem schnellen Vorgänge festzuhalten, nutzten die Wissenschaftler am BELLA-Zentrum des Berkeley Lab eine Kombination aus ultrakurzen Röntgenpulsen und hochenergetischen Elektronenstrahlen. Während die Röntgenstrahlen die Struktur und Dichteveränderungen der Schockwelle abbildeten, lieferten die Elektronen Informationen über die zeitliche Entwicklung elektrischer und magnetischer Felder. Zusammengesetzt ergaben beide Perspektiven eine Art Zeitlupenfilm, der Plasma-Dynamiken sichtbar machte, die bisherigen Diagnosesystemen verborgen geblieben waren.

Als Versuchsobjekt diente ein kontinuierlich fließender Wasserstrahl, dünn wie ein menschliches Haar. Im Gegensatz zu festen Targets, die bei jedem Laserschuss zerstört werden, erneuert sich der Wasserstrahl selbst und erlaubte so Messreihen mit einer Aufnahmefrequenz von einem Schuss pro Sekunde. Die technische Herausforderung bestand darin, den Wasserfluss im Vakuum stabil zu halten und ein Gefrieren zu verhindern.

Obwohl im Experiment Wasser eingesetzt wurde, lassen sich die Erkenntnisse direkt auf reale Fusionskapseln übertragen. Forschende hoffen zudem, dass sich die Laser-Plasma-Beschleunigertechnologie künftig so weit miniaturisieren lässt, dass sie direkt in großen Fusionsanlagen eingesetzt werden kann.


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