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Plasmaeinschluss durch Magnetfelder

Werden Gase extrem erhitzt oder starken elektrischen Feldern ausgesetzt, so zerfallen die Atome (teilweise) in positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen. So entstehen Plasmen aus freien Ladungsträgern. Das Plasma gilt als der vierte Aggregatzustand der Materie: Alle Stoffe gehen mit steigender Temperatur vom festen in den flüssigen und dann in den gasförmigen Zustand über, wird weiter Energie zugeführt, zerlegen sich die Atome bzw. Molekülstrukturen. Wie feste, flüssige oder gasförmige Stoffe weisen auch Plasmen spezielle physikalische Eigenschaften auf: Sie sind aufgrund ihrer freien Ladungsträger elektrisch leitend, lassen sich durch elektromagnetische Felder beeinflussen und strahlen Lichtwellen ab.

Man unterscheidet unter anderem nichtthermische (kalte) Plasmen und thermische (heiße) Plasmen sowie Niederdruck-, Atmosphärendruck- und Hochdruckplasmen. In der Natur sehen wir Plasmen als Quelle von Sternen- und Sonnenlicht, aber auch in Form von Blitzen oder Nordlichtern. In der Alltagstechnik kommen Plasmen etwa in Energiesparlampen, Leuchtstoffröhren oder Bildschirmen zum Einsatz. In der Industrie finden sie beispielsweise in der Schalttechnik, der Schweißtechnik und bei bestimmten Beschichtungsprozessen Verwendung.

Im Inneren von Sternen wie der Sonne existieren Plasmen mit einer Elektronenenergie von mehreren hundert Elektronenvolt (eV). Ein eV entspricht einer Temperatur von 11600 °C. Bei Temperaturen dieser Größenordnung kommt es zu einer ständigen Energieerzeugung durch Kernfusion. In der Sonne werden durch Kernfusion pro Sekunde 600 Millionen Tonnen Wasserstoff in 596 Millionen Helium umgewandelt. 4 Millionen Tonnen Materie zerstrahlen bei diesem Prozess und werden als Energie freigesetzt. Diesen Vorgang beschreibt Einsteins berühmte Formel: E = mc² (E = Energie; m = Masse; c = Lichtgeschwindigkeit).

Selbst wenn entsprechende Materialien zur Verfügung stünden, könnten Plasmen mit extrem hohen Temperaturen nicht in materielle Gefäße eingeschlossen werden, da sie an den Gefäßwänden sofort abkühlen würden. Mit supraleitenden Spulen lassen sich aber Magnetfelder erzeugen, die ausreichend stark sind, um heiße Plasmen einzuschließen. Dies ist möglich, weil elektrisch geladene Teilchen (aus denen das Plasma besteht) in einem Magnetfeld der Lorentzkraft ausgesetzt sind und sich deshalb auf Kreis- bzw. Spiralbahnen entlang der magnetischen Feldlinien bewegen. Durch die Lorentzkraft ändert sich zwar die Richtung der Teilchen, nicht aber ihre Geschwindigkeit, bzw. ihre Energie. Durch komplexe Anordnungen supraleitender Magnetspulen werden für Forschungszwecke Felder erzeugt, die als „magnetische Flaschen“ Plasmaeinschlüsse ermöglichen.

Supraleitende Magnete spielen in der Kernfusionstechnologie zur Energieerzeugung, die seit Mitte der 1930er Jahre erforscht wird, eine wichtige Rolle. Als erfolgversprechendste Option gilt hier die Fusion mittels magnetischen Plasmaeinschlusses – verkürzt „magnetische Fusionsenergie“ (MFE) genannt. Bei diesem Verfahren wird Plasma in einem ringförmigen (toroidalen) Magnetfeld eingeschlossen, dessen Feldlinien auf ineinander verschraubten Bahnen verlaufen. So lässt sich verhindern, dass Konzentrationen geladener Teilchen in der äußeren Zone der toroidalen Kammer entstehen. Die Verschraubung der Feldlinien kann durch zwei unterschiedliche physikalische Anordnungen erreicht werden:

  • Im Tokomak (Abkürzung der russischen Bezeichnung für „Toroidale Kammer in Magnetspulen“) wird das Plasma in einem einfachen toroidalen Magnetfeld eingeschlossen. Dieses Feld wird durch einen induzierten Ringstrom überlagert, wodurch es zu einer geeigneten Verschraubung des Gesamtfeldes kommt. Die Magnetsysteme basieren auf supraleitenden Materialien. ITER, das größte Projekt dieses Typs, ist zugleich das größte internationale Forschungsvorhaben. Der Fusionsreaktor soll nach heutigen Prognosen 2050 zum ersten Mal Strom produzieren.
  • In modernen Stellaratoren (der Name ist angelehnt an das lateinische „Stella“ – Stern) werden in sich verwundene supraleitende Spulen verwendet, um die Verschraubung des Magnetfelds zu erzielen. Die beiden größten Stellarator-Projekte sind das Large Helical Device, das seit 1998 in Japan in Betrieb ist und die Wendelstein Anlage in Greifswald, Deutschland, die 2014 fertiggestellt worden ist.

Beide Systeme dienen ausschließlich der Erforschung der Kernfusion und werden keine Netto-Energie liefern.