Forscher entwickeln den stärksten Magneten, der jemals auf der Erde hergestellt wurde: 20 Teslas

Am 5. September 2021 wird ein Team von MIT-Forschern erfolgreich getestet ein Hochtemperatur-Supraleitermagnet, der den Weltrekord für die stärkste jemals erzeugte magnetische Feldstärke bricht. Dieser Magnet erreicht 20 Tesla (ein Maß für die Feldstärke) und könnte sich als Schlüssel zur Erschließung der Kernfusion erweisen und der Welt saubere, kohlenstofffreie Energie liefern.

Die Kernfusion ist seit Jahrzehnten der heilige Gral der sauberen Energie, aber sie ist eine schwer zu knackende Nuss. Aktuelle Kernkraftwerke nutzen die Kernspaltung – die Spaltung von Atomen – zur Stromerzeugung. Es ist effektiv, kann aber gefährlich sein und hinterlässt langlebigen Atommüll, der schwer und teuer sicher zu lagern ist. Die Kernfusion hingegen beruht darauf, zwei Atome zu einem größeren zusammenzufügen. Dies ist die Art von Reaktion, die in der Sonne und in den Sternen auftritt. Wenn es auf der Erde künstlich reproduziert wird, ist es weit weniger anfällig für katastrophale Explosionen als die Kernspaltung, und es produziert viel weniger radioaktiven Abfall. Wenn ein kommerziell tragfähiger Fusionsreaktor Wirklichkeit werden könnte, könnte er schnell zur Energiequelle der Zukunft werden.

Der stärkste Magnet der Welt. Entworfen und gebaut von Commonwealth Fusion Systems und dem Plasma Science and Fusion Center (PSFC) des MIT. Bildnachweis: Gretchen Ertl, CFS/MIT-PSFC, 2021

Hier kommt der leistungsstarke neue Magnet des MIT ins Spiel. Kernfusion findet nur bei immens hohen Temperaturen statt – das Plasma muss Temperaturen erreichen, die jedes Material schmelzen oder zerstören würden, aus dem Menschen einen Reaktor bauen könnten. Die bereits in den 1950er Jahren vorgeschlagene Lösung besteht darin, das Plasma einzudämmen, ohne es berühren zu lassen. Ein starkes Magnetfeld kann genau das tun und eine künstliche „Flasche“ erzeugen, in der die Kernfusion stattfinden kann.

Die häufigste Form für eine dieser magnetischen Flaschen ist ein Donut-ähnlicher Gegenstand, der als Tokamak bekannt ist. MIT-Wissenschaftler hoffen, ihre leistungsstarken neuen Magneten in einem Tokamak-Reaktor anordnen zu können und dabei bis 2025 eine Netto-positive Kernfusion (Fusion, die mehr Energie produziert als sie verbraucht) zu produzieren.

Die wirklich bahnbrechende Arbeit ist hier nicht die Fusion selbst. Künstliche Fusionsreaktionen wurden schon früher erzeugt. Das Problem ist, dass sie bisher immer mehr Energie benötigen, um zu laufen, als sie produzieren (das Halten dieser Magnetfelder zur Eindämmung des Plasmas verbraucht viel Energie). Durch die Arbeit an der Verbesserung der Magnete hofft das MIT-Team, das erste zu sein, das endlich einen Reaktor produziert, der mehr Energie produziert als er verbraucht.

Frühere Versuche an einem Netto-Positiv-Reaktor haben herkömmliche Kupfer-Elektromagneten und neuerdings Niedertemperatur-Supraleiter verwendet, um die Fusionsreaktion einzudämmen. Das MIT-Team und ihr kommerzieller Partner, ein Startup namens Commonwealth Fusion Systems (CFS), übertrafen ihre Konkurrenten, indem sie ein neues supraleitendes Material auf die Magnete aufbrachten: einen Hochtemperatur-Supraleiter. Dieses Material wird als bandförmiges Band aufgetragen und ermöglicht es ihnen, auf viel kleinerem Raum ein viel stärkeres Magnetfeld zu erzeugen. Ein Tieftemperatur-Supraleiter würde ein 40-mal größeres Volumen benötigen, um die gleiche Feldstärke zu erreichen.

Der Magnet wird im Prüfstand bearbeitet. Bildnachweis: Gretchen Ertl, CFS/MIT-PSFC, 2021

Martin Greenwald, stellvertretender Direktor und leitender Forscher am MIT Plasmaforschungs- und Fusionszentrum , erklärte: „Die Nische, die wir füllten, bestand darin, konventionelle Plasmaphysik und konventionelle Tokamak-Designs und -Techniken zu verwenden, aber diese neue Magnettechnologie einzubringen. Wir brauchten also keine Innovation in einem halben Dutzend verschiedener Bereiche. Wir würden einfach am Magneten innovativ sein und dann die Wissensbasis aus dem, was wir in den letzten Jahrzehnten gelernt haben, anwenden.“

Mit dem erfolgreichen Test des Magneten letzte Woche scheint sich diese Strategie auszuzahlen. Letztes Jahr nutzte eine Reihe wissenschaftlicher Arbeiten Simulationen, um vorherzusagen, dass der Fusionsreaktor tatsächlich in der Lage sein sollte, positive Fusionsenergie zu erzeugen, wenn der Magnet richtig funktioniert. Nachdem der erfolgreiche Magnettest nun abgeschlossen ist, muss nur noch das gesamte System (bekannt als SPARC) hergestellt werden, was etwa drei Jahre dauern sollte.

Wenn sie erfolgreich sind, könnte es die Welt verändern. Wie Maria Zuber, Vizepräsidentin für Forschung am MIT, erklärt: „Fusion ist in vielerlei Hinsicht die ultimative saubere Energiequelle … Die verfügbare Energiemenge ist wirklich bahnbrechend.“ Ihr ultimatives Ziel ist es, das Stromnetz zu dekarbonisieren, den Klimawandel zu verlangsamen und den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren. Wenn ihnen das gelingt, hat es sich gelohnt. 'Keiner von uns versucht derzeit, Trophäen zu gewinnen.' Zuber sagte: 'Wir versuchen, den Planeten lebenswert zu halten.' Ihr rekordverdächtiges Magnetfeld von 20 Tesla könnte nur der Schlüssel zur Erschließung der Kernfusion und zur Wende im Kampf gegen den Klimawandel sein.

Erfahren Sie mehr: David Chandler “ Vom MIT entworfenes Projekt erzielt große Fortschritte in Richtung Fusionsenergie. 'MIT News.

Vorgestelltes Bild: Rendering von SPARC, einem kompakten Hochfeld-Tokamak, der derzeit von einem Team des Massachusetts Institute of Technology and Commonwealth Fusion Systems entwickelt wird. Seine Mission ist es, ein Plasma zu erzeugen und einzuschließen, das Nettofusionsenergie erzeugt. Bildnachweis: T. Henderson, CFS/MIT-PSFC, 2020