Der Fusionsreaktor gilt als die ultimative Energieerzeugung der Zukunft. Daher werden Milliarden von Euro in die Fusionsforschung investiert.

Maschine 3: Die Vakuumkammer, umgeben von 192 Kondensatoren.

Maschine 3: Die Vakuumkammer, umgeben von 192 Kondensatoren. First Light Fusion

Die extremen Temperatur- und Druckbedingungen der Sonne auf der Erde nachzustellen ist jedoch extrem schwierig. Das britische Unternehmen First Light Fusion (FLF) hat einen neuen Ansatz entwickelt und will bis zum Jahr 2024 mit dem erfolgreichen Fusionsprozess mehr Energie gewinnen als einsetzen. Dafür wird ein Projektil mit höchster Energie und Präzision in einem Vakuum abgefeuert, überwacht von einem 256-Kanal-Digitizersystem von Spectrum Instrumentation.

In dieser Vakuumkammer findet der Abschuss statt.

In dieser Vakuumkammer findet der Abschuss statt. First Light Fusion

Vakuumkammer umgeben von 192 Kondensatoren

Maschine 3 wurde zum elektromagnetischen Abschießen der Projektile konstruiert und besteht aus sechs Kondensatorbänken, die radial um eine zentrale Vakuumkammer angeordnet sind, in der das Experiment stattfindet. Die Kondensatoren werden innerhalb einer Minute auf 200.000 V aufgeladen, die gespeicherte Energie wird dann in weniger als zwei Mikrosekunden entladen: Mit 14 Mio. A wird ein intensives Magnetfeld erzeugt, welches das Projektil auf 20 km pro Sekunde beschleunigt und 200 KJ kinetische Energie liefert. FLF hat letztes Jahr den Abschuss mittels dreier Kondensatorbänke getestet und nun die Maschine mit allen sechs Bänken erfolgreich in Betrieb genommen. Jede Entladung entspricht 500 Gewitterblitzen, es werden insgesamt 2,5 MJ verwendet. Die bisher erzielten Fortschritte bestätigen den Zeitplan des Unternehmens, bis 2024 eine Fusion mit Energiegewinn zu erzielen – dies wäre der Beginn des Fusionszeitalters.

Paul Holligan, Leiter der Abschusseinrichtung bei FLF, erklärt: „Wir haben einen anderen Ansatz als die übrigen Organisationen, die einen Fusionsreaktor entwickeln wollen. Wir verwenden keine Laser oder Magnetfelder, denn dies ist sehr kompliziert und kostspielig. Durch die Wahl eines elektromagnetisch beschleunigten Projektils haben wir Kosten und Komplexität in diesem Bereich deutlich reduziert. In der Praxis besteht die Herausforderung darin, Form und Design des getroffenen Ziels zu perfektionieren. Hier arbeiten wir an neuartigen IP-Lösungen und entwickeln unsere Simulationsmodelle weiter, dies ist die wissenschaftliche Herausforderung. Wir sehen einen eindeutigen Weg, saubere Energie einfach und kostengünstig zu erzeugen, innerhalb eines realistischen Zeitrahmens. Unsere Motivation ist es, unseren Kindern eine Welt zu hinterlassen, die es wert ist vererbt zu werden.“

Das 256-Kanal-System  mit 32 Digitizerkarten in zwei 19“ PCs. Spectrum

Das 256-Kanal-System mit 32 Digitizerkarten in zwei 19-Zoll-PCs. Spectrum

Synchronisations-Funktion wichtig

Eine der Herausforderungen beim Konzept von FLF ist das synchrone Aktivieren aller sechs Kondensatorbänke, deren Genauigkeit im Nanosekundenbereich liegen muss. Die elektrische Energie wird in 192 Kondensatoren gespeichert, die paarweise angeordnet sind. Jedes der 96 Paare wird durch einen eigenen Schalter gesteuert, der in der Lage sein muss, die Spannung zu halten und die großen Ströme zu übertragen. Nach dem Abfeuern erfassen M2i.4912-EXP genannten Digitizerkarten hunderte Messwerte jedes Kondensators und die Strom- und Spannungswerte von zahllosen Sensoren in den Kondensatorbänken mit einer Abtastrate von 10 MS/s (100 ns Zeitintervall). Mit den Star Hub-Modulen von Spectrum werden die 32 Digitizerkarten in zwei Bänken zu je 16 miteinander verbunden, um die Synchronität aller 256 Eingangskanäle zu gewährleisten. Diese Konfiguration bietet die Flexibilität, bei Bedarf weitere Kanäle hinzuzufügen.

Der Verkabelungsaufwand für Maschine 3, die zur elektromagnetischen Abschießen der Projektile konstruiert wurde, ist erheblich.

Der Verkabelungsaufwand für Maschine 3, die zur elektromagnetischen Abschießen der Projektile konstruiert wurde, ist erheblich. First Light Fusion

„Diese Synchronisations-Funktion war ein wesentlicher Grund, warum wir uns für Spectrum entschieden haben,“ fügt Paul Holligan hinzu. „Alle Vorgänge geschehen innerhalb von Nanosekunden, daher ist die Genauigkeit des Abfeuerns und der Datenerfassung von größter Bedeutung. Das System darf keinerlei Toleranzen oder Fehler haben, da wir bei jedem Abfeuern des Projektils wertvolle Erkenntnisse gewinnen und uns daher auf die Qualität der Daten verlassen müssen. Wir haben uns Angebote von anderen Anbietern angesehen, und deren Messkarten waren entweder überdimensioniert für unsere Zwecke, und dabei auch viel zu hochpreisig, oder sie konnten unsere Anforderungen gar nicht erst erfüllen.“

Universitätsprojekt

First Light Fusion wurde von Professor Yiannis Ventikos und Dr. Nicholas Hawker gegründet. Das Unternehmen wurde im Juli 2011 aus der University of Oxford ausgegliedert und hat sich von einem forschungsorientierten Universitätsprojekt zu einem vollwertigen Unternehmen entwickelt, das nicht nur eine Strategie entwickelt hat, wie ein Fusionsreaktor funktionieren kann, sondern auch ein darauf aufbauendes, nachhaltiges Geschäftsmodell vorweisen kann. Das Unternehmen konnte zusätzlich ein erstklassiges Gremium aus Beratern gewinnen, um von deren jahrzehntelanger Erfahrung zu profitieren und die Vision eines Fusionsreaktors zu realisieren.

Inspiration von einer Garnele

Einer der Gründer von FLF wurde von der Pistolengarnele inspiriert, die eine ihrer Scheren so schnell zuschnappen lässt, dass sich im Wasser Hohlräume bilden, die sich erwärmen und Plasma bilden, wenn sie implodieren. Die entstehende Schockwelle betäubt die Beute. Dies ist das einzige natürlich vorkommende Beispiel für das Phänomen der Trägheitsfusion.

FLF nutzt dieses physikalische Phänomen, um auf komplexe Eindämmungsmechanismen beispielsweise durch Magnetfelder verzichten zu können. Stattdessen konzentriert sich FLF auf die Implosion, um mit deren Hilfe die Hitze und den Druck wie im Inneren der Sonne nachzuahmen. Trägheitsfusion bedeutet, dass das Plasma durch seine eigene Trägheit statt durch Magnetfelder oder Laser zusammengehalten wird. Gerade die großen Energiemengen, die die Magnetfelder und Laser erfordern, machen es so schwierig, den Fusionsgewinn zu erreichen. Das Konzept benötigt nur einen Bruchteil der Energie, somit ist die Schwelle deutlich leichter zu überschreiten, bei der mehr Energie gewonnen als eingesetzt wird.