US-Forschende entwickelten Stellarator und setzten dabei auch auf 3D-Druck

Forschende am U.S. Department of Energy Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) haben einen Stellarator gebaut. Dabei handelt es sich um eine torusförmige Anlage zum magnetischen Einschluss eines heißen Plasmas mit dem Ziel der Energiegewinnung durch Kernfusion. Bei ihrer Arbeit setzte das Team auch auf 3D-Druck.

“Die Verwendung von Permanentmagneten ist eine völlig neue Art, Stellaratoren zu konstruieren”, sagte Tony Qian, ein Doktorand des Princeton Program in Plasma Physics, das am PPPL angesiedelt ist. Qian war der Hauptautor einer Arbeit, die im Journal of Plasma Physics and Nuclear Fusion veröffentlicht wurde und die Theorie und Technik des MUSE genannten Geräts im Detail beschreibt. “Diese Technik ermöglicht es uns, neue Ideen zum Plasmaeinschluss schnell zu testen und neue Geräte einfach zu bauen.”

Im Gegensatz zu herkömmlichen Stellaratoren, die auf komplexe Elektromagnete angewiesen sind, benötigen Permanentmagnete keine elektrischen Ströme, um ihre Felder zu erzeugen. Sie können kommerziell erworben und dann in eine 3D-gedruckte Hülle um das Vakuumgefäß des Geräts eingebettet werden, das das Plasma enthält.

“MUSE wird größtenteils mit handelsüblichen Teilen gebaut”, so Michael Zarnstorff, leitender Forschungsphysiker am PPPL und Leiter des Projekts. “Durch die Zusammenarbeit mit 3D-Druckern und Magnetlieferanten können wir die Präzision, die wir benötigen, einkaufen, anstatt sie selbst herzustellen.”

Die Idee, Permanentmagnete als Grundlage für eine neue, kostengünstigere Art von Stellaratoren zu nutzen, kam Zarnstorff bereits 2014. “Ich erkannte, dass Seltene-Erden-Permanentmagnete, selbst wenn sie neben anderen Magneten platziert sind, die Magnetfelder erzeugen und aufrechterhalten können, die notwendig sind, um das Plasma einzuschließen, damit Fusionsreaktionen stattfinden können”, sagte Zarnstorff, “und das ist die Eigenschaft, die diese Technik funktionieren lässt.”

“Typische Stellaratormagnete sind sehr schwierig zu bearbeiten, da sie sehr präzise sein müssen”, sagte Amelia Chambliss, eine Studentin am Institut für Angewandte Physik und Angewandte Mathematik der Columbia University, die vor einigen Jahren im Rahmen eines DOE Science Undergraduate Laboratory Internship am PPPL an der Entwicklung von MUSE mitwirkte. “Die Idee, dass wir stattdessen viele einzelne Magnete verwenden können, ist sehr aufregend. Es ist ein viel einfacheres technisches Problem.”

Zusätzlich zu diesem ingenieurtechnischen Durchbruch weist MUSE auch eine theoretische Eigenschaft, die Quasisymmetrie, in einem höheren Grad auf als jeder andere bisherige Stellarator. Es ist zudem das weltweit erste Gerät, das speziell für eine Art von Quasisymmetrie, die Quasiaxialsymmetrie, konzipiert wurde. “Tatsächlich ist die Quasisymmetrie-Optimierung von MUSE mindestens 100-mal besser als jeder existierende Stellarator”, so Zarnstorff.

Das PPPL-Team plant zukünftige Experimente, um die genaue Natur von MUSEs Quasisymmetrie zu bestimmen und somit herauszufinden, wie gut das Gerät verhindert, dass heiße Partikel vom Kern des Plasmas an den Rand wandern, was die Fusionsreaktionen erschwert.

“Für mich ist das Wichtigste an MUSE, dass es einen kreativen Weg zur Lösung eines schwierigen Problems darstellt”, sagte Chambliss. “Es werden viele aufgeschlossene und innovative Ansätze verwendet, um seit langem bestehende Stellarator-Probleme zu lösen. Solange die Gemeinschaft weiterhin auf diese flexible Weise denkt, werden wir gut dastehen.”

Die Forschung wurde vom DOE unter dem Vertragsnummer DE-AC02-09CH11466, dem PPPL Laboratory Directed Research and Development Program und dem National Science Foundation’s Graduate Research Fellowship Program unter der Zuschussnummer DGE-2039656 unterstützt.