Muse Stellarator: Kostengünstiger "Fusionsreaktor" mit Teilen aus dem 3D-Drucker
Der Stellarator Muse des Princeton Plasma Physics Laboratory kommt mit Permanentmagneten, preisgünstigen Teilen von der Stange und aus dem 3D-Drucker aus.
Der Muse-Stellarator des Princeton Plasma Physics Laboratory kommt mit Permanentmagneten aus.
(Bild: Michael Livingston / PPPL Communications Department)
Ein US-Forschungsteam des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) hat im Projekt Muse einen Stellarator, einen "verdrehten" experimentalen "Fusionsreaktor" entwickelt, der mit Permanentmagneten arbeitet. Einige Teile stammen aus dem 3D-Drucker. Zudem hat das PPPL weitgehend handelsübliche Teile zum Aufbau des Stellarators verwendet. Damit sollen sich später besonders kostengünstige Reaktoren bauen lassen.
Stellaratoren nutzen in der Regel komplizierte Elektromagneten mit komplexen Formen, die ihre Magnetfelder durch fließenden Strom erzeugen. Solche Elektromagneten müssen dazu äußerst präzise arbeiten und dürfen nur wenig Spielraum für Fehler zulassen. Die genaue Fertigung macht solche Elektromagneten teuer und treibt die Kosten für Stellaratoren in die Höhe.
Permanentmagnete, Standard-Teile und Komponenten aus dem 3D-Drucker
Die Wissenschaftler des PPPL haben daher einen anderen Weg eingeschlagen. Sie verwenden in Muse kostengünstige Permanentmagneten, wie sie in der wissenschaftlichen Studie "Design and construction of the MUSE permanent magnet stellarator" ausführen, die in Journal of Plasma Physics erschienen ist. Diese Magneten benötigen keinen Strom, um Magnetfelder zu erzeugen. Sie sind auch einfacher herzustellen, sodass die Wissenschaftler auf Dauermagneten von der Stange zurückgegriffen haben.
"Die Verwendung von Permanentmagneten ist eine völlig neue Art, Stellaratoren zu entwerfen", sagt Tony Qian. Doktorand des Princeton Program in Plasma Physics, der zugleich Hauptautor der Studie ist. "Diese Technik ermöglicht es uns, neue Ideen zum Plasmaeinschluss schnell zu testen und neue Geräte einfach zu bauen."
Die Idee dazu, Permanentmagneten zu verwenden, kam Michael Zarnstorff, leitender Physiker am PPPL, bereits 2014. Er erkannte, dass Permanentmagnete aus Seltenen Erden neben anderen Permanentmagneten solche Magnetfelder erzeugen und aufrechterhalten können, wie sie nötig sind, um das Plasma so einzuschließen, dass damit Fusionsreaktionen erzeugt werden können.
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Die Forscher griffen zusätzlich auf handelsübliche Teile zurück. So können sie Komponenten einkaufen, die die erforderliche Qualität und Präzision haben, ohne die Teile selbst herstellen zu müssen. Zudem nutzen die Wissenschaftler Komponenten, die sie mit dem 3D-Drucker erstellt haben. Darunter fällt beispielsweise eine 3D-gedruckte Hülle, in der das Vakuumgefäß von Muse eingebettet ist, das das Plasma enthält.
Neben dem Konzept der Stellaratoren gibt es noch die Tokamaks, Fusionsanlagen in Form eines Donuts. In ihnen muss jedoch das Plasma eindämmende Magnetfeld elektrisch erzeugt werden. Kleine Abweichungen bei den Strömen reichen bereits aus, um Instabilitäten zu erzeugen. Fusionsreaktionen können dadurch beeinträchtigt werden. Stellaratoren kommen nun ohne diese elektrisch erzeugten Magnetfelder aus und sind dadurch einfacher und wirtschaftlicher zu bauen. Das war bisher nicht der Fall.
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Verbesserte Quasisymmetrie
Der neue Stellarator des PPPL weist auch noch eine theoretische Eigenschaft auf, die als Quasisymmetrie bekannt ist und bei ihm deutlich ausgeprägter ist als bei anderen Stellaratoren. Die Theorie der Quasisymmetrie, in den frühen 1980er-Jahren von Allen Boozer am PPPL entwickelt, sagt aus, dass das Magnetfeld im Inneren des Stellarators nicht die gleiche Form haben muss, wie die physische Form des Stellarators, um ein gleichmäßig starkes Magnetfeld um das Gerät herum zu erzeugen. Das ist aber nötig, um einen guten Plasmaeinschluss zu gewährleisten. Nur so ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass eine Fusionsreaktion stattfindet. Die Quasisymmetrie-Optimierung bei Muse sei "mindestens 100-mal besser als bei jedem existierenden Stellarator", sagen die Wissenschaftler des PPPL.
Die Forscher wollen nun ihre Forschungsarbeit ausweiten und die genaue Beschaffenheit der Quasissymmetrie von Muse bestimmen. So wollen sie herausfinden, wie gut Muse in der Lage ist, zu verhindern, dass sich heiße Teilchen vom Kern des Plasmas zum Rand bewegen und damit Fusionsreaktionen erschweren. Dazu wollen sie eine genaue Kartierung der Magnetfelder durchführen und die Verlangsamung des rotierenden Plasmas messen.
(olb)