Der 192-Strahl-Laser der National Ignition Facility in Kalifornien wurde am Montag, dem 5. Dezember, um 1:03 Uhr auf einen Zylinder gerichtet, der eine winzige Diamantbrennstoffkapsel enthielt.
Die Energiequelle der Sonne, die Fusionsreaktion, wurde durch diesen intensiven Laserlichtausbruch ausgelöst, der auch extrem hohe Temperaturen und Drücke erzeugte.
Die National Ignition Facility (NIF), eine Abteilung des Lawrence Livermore National Laboratory, hatte bereits in der Vergangenheit ähnliche Experimente durchgeführt, doch dieses Mal überstieg die Energieleistung der Reaktion die Laserleistung, mit der sie ausgelöst wurde.
Ziel ist es, eines Tages Kraftwerke zu bauen, die eine Fusionsreaktion nutzen, um einen Überschuss an kohlenstofffreier Elektrizität zu erzeugen. Wissenschaftler arbeiten seit Jahrzehnten auf dieses Ziel hin.
Das ist noch eine Weile hin. In der Zwischenzeit muss noch viel an der Technologie gearbeitet werden.
Ein wichtiger Teil von NIF ist eine pfefferkorngroße Kapsel aus synthetischem Diamant, die den Brennstoff enthält. Um ein erfolgreiches Fusionsexperiment durchzuführen, sind die Eigenschaften dieser kugelförmigen Kapsel von entscheidender Bedeutung.
Jede Unvollkommenheit in der Kugel könnte die Reaktion sabotieren, daher muss sie makellos glatt und frei von Verunreinigungen sein.
Diese kompliziert konstruierten Kugeln werden jedoch nicht in Kalifornien hergestellt. Sie sind das Ergebnis jahrelanger Arbeit von Diamond Materials, einem Unternehmen mit Sitz in Freiburg, Deutschland.
Neben Eckhard Wörner ist Christoph Wild Geschäftsführer von Diamond Materials. Er erklärt, dass "die Anforderungen an die [Kugel-]Kapseln sehr hoch sind".
Um Fehler wie Verunreinigungen, Hohlräume oder unebene Wände zu minimieren, arbeiten wir eng mit Lawrence Livermore zusammen. "
Das 25-köpfige Team von Diamond Materials verwendet die Methode der chemischen Gasphasenabscheidung, um synthetischen Diamant herzustellen.
Die Herstellung einer Charge von 20-40 Kapseln dauert etwa zwei Monate, und sie werden in mühevoller Kleinarbeit zusammengesetzt, indem winzige Diamantkristalle um einen Siliziumkarbidkern geschichtet und dann wiederholt poliert werden.
Während des Entwicklungsprozesses stellte sich heraus, dass selbst das sorgfältigste Polieren nicht ausreichte, weil die Oberfläche auf mikroskopischer Ebene entsteint und uneben war.
Zusammen mit Teams des LLNL lernten sie schließlich, wie man eine polierte Kapsel mit einer brandneuen Schicht von Diamantkristallen glasiert, um die gewünschte klare, spiegelähnliche Oberfläche zu erzeugen.
Wenn die Diamantkapseln an das LLNL geliefert werden, wird der Siliziumkern herausgenommen und die Hohlkugel mit Deuterium und Tritium gefüllt, zwei schweren Formen von Wasserstoff, die die Fusionsreaktion antreiben.
Mike Farrell, Vizepräsident für Trägheitsfusionstechnologie bei General Atomics, dem größten Industriepartner des LLNL, erklärt, dass das Brennstoffpellet von einem Zylinder aus Gold und abgereichertem Uran umgeben ist.
Ein Aluminiumzylinder dient als dritte und letzte Schicht der Kapsel und wird zur Kühlung des Inneren vor der Reaktion verwendet.
Optik - alles, was die Übertragung, Erkennung oder Nutzung von Licht unterstützt - stellt einen weiteren entscheidenden Technologiebereich für NIF dar.
Da NIF einen Großteil dieser Technologie nutzt, um den stärksten Laser der Welt zu betreiben, werden optische Komponenten bei jedem Einschalten der Maschine beschädigt.
Zur Perfektionierung und Bereitstellung von Ersatzteilen sowie von Trümmer- und Explosionsschutzschilden arbeitet das NIF seit den frühen 1970er Jahren eng mit Optikherstellern zusammen, darunter die Zygo Corporation und der Spezialglashersteller SCHOTT.
Ziel des NIF und seiner Partner ist es, die Technologie weiterzuentwickeln, um das erfolgreiche Experiment vom Dezember zu wiederholen und zu verbessern.
Mike Farrell hofft, dass diese Entwicklung die Unterstützung für weitere Forschungen fördern wird. Durch das Experiment hat sich die wissenschaftliche Wahrnehmung verändert. Die Zündung galt immer als nahezu unerreichbar und wurde erst in 40 Jahren für möglich gehalten. Das Ergebnis im Dezember war verblüffend. "
Diamond Materials rechnet damit, mehr Zeit für die Forschung zu haben, sobald es wieder in Freiburg ist. Etwa 20 Prozent unseres Teams sind in der Forschung tätig, und wir beide Geschäftsführer sind auch Physiker", so Wild.
"Forschung auf dem Niveau, das wir produzieren, erfordert viele Ressourcen, so dass die Produktion nicht vernachlässigt werden darf. Deshalb wird sich das Team wahrscheinlich weiter vergrößern. Schließlich sind die Produkte von morgen das Ergebnis der Forschung von heute. "
Teams aus der ganzen Welt versuchen verzweifelt, ein funktionsfähiges Fusionskraftwerk zu bauen, wobei sie eine Vielzahl von Strategien anwenden. Es wird jedoch viele Jahre dauern und zahlreiche Milliarden-Investitionen erfordern.
Der NIF-Meilenstein vom letzten Jahr wird laut Farrell die Industrie wahrscheinlich ankurbeln:
"Die Finanzierung durch Regierungen und Unternehmen könnte einfacher werden, da die Machbarkeit der Zündung nun bewiesen ist. "
Diese Investitionen sind erforderlich, um die beträchtlichen technischen Herausforderungen zu bewältigen, die mit dem Bau eines funktionierenden Kraftwerks verbunden sind, nicht zuletzt die Suche nach Materialien, die der hohen Energie standhalten, die während des Fusionsprozesses freigesetzt wird.
Farrell weist jedoch darauf hin, wie schnell die Fortschritte nach dem ersten Durchbruch an Fahrt gewinnen können.
"Sobald die ersten Prinzipien demonstriert sind, wie wir es gerade getan haben, übernehmen Ingenieure das Ruder, um herauszufinden, wie man das in einer wiederholbaren Weise erreichen kann.
"Denken Sie daran, dass der erste Flug der Gebrüder Wright im Jahr 1903 stattfand und der erste Überschallflug in den 1950er Jahren. In 40 Jahren kann sich eine Menge ändern.
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