Seit mehr als sieben Jahrzehnten versuchen Fusionsforscher, einen Stern in einer Kiste zu bauen, und seit mehr als sieben Jahrzehnten weigert sich der Stern, zu kooperieren. Jetzt behaupten Wissenschaftler am Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums, einen potenziell viel effizienteren Weg zur Fusionszündung gefunden zu haben – indem sie einfach die Reihenfolge ändern, in der Plasma erhitzt und komprimiert wird. Was das physikalische Äquivalent zu der Entdeckung ist, dass man die ganze Zeit IKEA-Möbel in der falschen Reihenfolge zusammengebaut hat.

Das seit Langem gültige mathematische Regelwerk hierfür ist das Lawson-Kriterium, das bestimmt, ob Plasma heiß und dicht genug bleiben kann, um Fusion ohne externe Heizung aufrechtzuerhalten. Es sagt einem die Bedingungen, die für eine Zündung erforderlich sind. Es sagt einem jedoch nicht, wie man am effizientesten dorthin gelangt – ein bisschen wie eine Landkarte, die einem das Ziel zeigt, aber darauf besteht, dass man die Bergkette selbst herausfindet.

Die PPPL-Physiker Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono und Jonathan Menard haben nun eine umfassendere Version des Kriteriums entwickelt, die vier zusätzliche Faktoren berücksichtigt, die die Fusionsleistung beeinflussen. Ihre Ergebnisse wurden in Physical Review Letters veröffentlicht. Die vier zusätzlichen Faktoren wurden in der Ankündigung nicht genannt, vermutlich weil es sich um die Art von Details handelt, für die man die Arbeit lesen muss.

Die Forschung konzentriert sich auf Plasma, den vierten Aggregatzustand, der entsteht, wenn Gas so energiereich wird, dass seine Teilchen elektrische Ladungen tragen. In Fusionsreaktoren enthält dieses extrem heiße Material die Atomkerne, von denen Forscher hoffen, dass sie sich vereinigen und Energie durch Kernfusion freisetzen. Das ultimative Ziel ist ein brennendes Plasma – eines, in dem Fusionsreaktionen genug Wärme erzeugen, um den Prozess ohne kontinuierliche externe Heizung aufrechtzuerhalten. Dies effizient zu erreichen, bleibt eine der wichtigsten Herausforderungen der Fusionsenergieforschung, neben der Erinnerung daran, wo man den Inbusschlüssel gelassen hat.

Delgado-Aparicio vergleicht die Entdeckung mit dem Finden einer effizienteren Route durch eine Bergkette. Stellen Sie sich den Energiebedarf für die Fusionszündung als eine Landschaft vor, die von einem hoch aufragenden Berg dominiert wird. Das Ziel liegt auf der anderen Seite, aber es gibt mehrere mögliche Routen. Viele vorgeschlagene Strategien versuchen im Wesentlichen, direkt über den Berg zu klettern – zuerst die Plasmadichte zu erhöhen und dann enorme Hitze zuzuführen, um die Zündung zu erreichen. Die neuen Berechnungen legen nahe, dass das Erhitzen des Plasmas vor der Verdichtung deutlich effizienter sein könnte, wodurch die höchsten Energieanforderungen vermieden werden, während die gewünschten Bedingungen dennoch erreicht werden.

„Viele Unternehmen wollen den Berg direkt besteigen und enorme Energie aufwenden, um dorthin zu gelangen“, sagte Delgado-Aparicio. „Gehen Sie stattdessen um den Gipfel herum. Sie erreichen denselben Ort auf viel klügere Weise und verbrauchen weit weniger Energie.“ Ein Gefühl, das jedem bekannt vorkommen dürfte, der schon einmal zugesehen hat, wie ein GPS in Echtzeit neu berechnet.

Die Forscher identifizierten eine besonders wichtige Region dieser mathematischen Landschaft, den sogenannten Cordey-Sattel. Geografisch gesehen ist ein Sattel ein niedriger Durchgang zwischen höheren Erhebungen. In der Fusionsphysik stellt er einen relativ zugänglichen Punkt entlang der Grenze dar, die Plasma, das noch externe Heizung benötigt, von Plasma trennt, das seine eigenen Fusionsreaktionen aufrechterhalten kann – das Fusionsäquivalent eines Gebirgspasses, der keine Sauerstoffflaschen erfordert.

Um verschiedene Routen zu bewerten, verwendeten die Wissenschaftler ein Maß namens Q, das die von Fusionsreaktionen erzeugte Leistung mit der dem Plasma zugeführten externen Heizleistung vergleicht. Ein Q-Wert von 5 bedeutet, dass die Fusionsreaktionen fünfmal so viel Leistung erzeugen wie das externe Heizsystem liefert. In einem idealisierten Plasma, das nur reinen Fusionsbrennstoff enthält, tritt der Cordey-Sattel bei etwa Q = 5 auf. Tatsächliche Fusionssysteme sind jedoch viel komplizierter. Verunreinigungen im Plasma und extrem starke Magnetfelder können die Lage dieses Durchgangs verschieben und den Q-Wert erhöhen, der benötigt wird, um ihn zu erreichen. Un