fyyd: : FG100 Stellerator

00:42 tim-pritlove

Hallo und herzlich willkommen zu Forschergeist, dem Podcast über Forschung und Bildung.

00:48

Und ja, mein Name ist Tim Brittlaff und ich begrüße alle hier zur,

00:52

man mag es nicht glauben, 100.

00:54

Ausgabe dieser Reihe, die eine Weile auf sich hat warten lassen, weil es eine Pause gab.

01:02

Ich betreibe jetzt diesen Podcast alleine weiter. Ja, hat eine Weile gedauert,

01:07

bis ich hier mir darüber im Klaren war, wie ich das jetzt hier fortsetzen möchte.

01:13

Und ja, eigentlich möchte ich es so fortsetzen, wie ich es auch bisher gemacht habe.

01:16

Das heißt, es geht hier auch weiterhin um Wissenschaft, es geht um Forschung,

01:19

es geht um Bildung und all diese Themen werde mich allerdings,

01:25

denke ich mal, in der nächsten Zeit vor allem nicht nur, aber auch um viel,

01:30

was um Energie sich dreht, hier thematisieren.

01:33

Und da dachte ich mir, zur hundertsten Folge, die jetzt so eine Weile hat auf

01:37

sich warten lassen, nehme ich mir mal ein ganz besonderes Thema heraus und bin

01:40

nach Greifswald gefahren zum Max-Planck-Institut für Plasmaphysik,

01:45

einem der beiden Standorte dieses Instituts.

01:49

Und ja, da bin ich jetzt und begrüße erstmal meinen Gesprächspartner,

01:52

nämlich Thomas Klinger. Schönen guten Tag.

01:54 thomas-klingner

Ja, schönen guten Tag.

01:55 tim-pritlove

Ja, Sie sind ja hier der Leiter der, jetzt habe ich die Formulierung natürlich

02:01

wieder mal nicht parat, Stelleratordynamik und Transport. Das klingt ja ein bisschen speziell.

02:10 thomas-klingner

Wie Wissenschaft so ist, das ist der Name meines wissenschaftlichen Bereichs.

02:14

Das ist eine Aufgabe. Die andere Aufgabe ist, dass ich mich mit meinem ganzen

02:19

Team um den Wendelstein 7X Stellarator selber als solches technisch und vom

02:24

Betrieblichen her kümmere.

02:26

Also ich habe da zwei Hüte auf.

02:29 tim-pritlove

Ja, dieser Standort, das ist der Ort, wo der große Prototyp steht für Fusionsenergie

02:36

und nach der Stellarator-Technik, deswegen halt auch der Name.

02:43

Vielleicht schauen wir erstmal, was macht eigentlich das Max-Planck-Institut

02:48

für Plasmaphysik und speziell, was macht dieser Standort, worauf konzentriert man sich hier?

02:56 thomas-klingner

Naja, wir konzentrieren uns wirklich komplett auf den Stellarator.

03:00

Also wir haben nur dieses eine Thema.

03:03

Nur, das ist eine große, sehr komplexe Maschine, die auch unsere gesamte Aufmerksamkeit

03:11

sowohl technisch wie organisatorisch wie auch von der Wissenschaft her beansprucht.

03:17

Insofern brauchen wir da gar nicht groß drüber philosophieren,

03:20

was unser Schwerpunkt ist. Unser Schwerpunkt ist alles, was den technischen

03:26

und wissenschaftlichen Betrieb dieser wissenschaftlichen Großanlage betrifft.

03:32 tim-pritlove

Und groß ist sie ja auch, also ich glaube der Standort hier hat in etwa genauso

03:35

viele forschende Mitarbeiter wie in Garching an dem Hauptstandort,

03:40

größtenordnungsmäßig, ein bisschen weniger Verwaltung.

03:45 thomas-klingner

Nein, also es gibt auch in Garching noch etwas mehr technische Infrastruktur

03:49

und noch ein paar andere Aktivitäten, die für die Fusion wichtig sind,

03:54

die aber nicht direkt an die Maschinen gebunden sind.

03:57

Das sind so technologische Entwicklungen, sehr große Materialforschung,

04:00

die wir in Garching haben.

04:01

Also das ist einfach etwas anders aufgestellt, aber wir haben eben dort Themen,

04:06

die für uns hier in Greifswald mindestens genauso wichtig sind wie in Garching.

04:11

Aber die in Garching aus Strukturgründen angesiedelt sind.

04:15 tim-pritlove

Genau, aber dafür ist also sozusagen Greifswald dann im Wesentlichen gegründet

04:18

worden, um dieses Thema voranzubringen.

04:22

Da wird ja auch schon eine ganze Weile dran gearbeitet. Ich glaube,

04:24

den Standort gibt es hier seit 2010 ungefähr. Stimmt das?

04:28 thomas-klingner

Nein.

04:29 tim-pritlove

Nein? Bisschen länger noch?

04:30 thomas-klingner

Die Gründung des Standortes ist 1996 erfolgt, der Gründungsbeschluss.

04:37

Dann ist das Gebäude, in dem wir hier sitzen,

04:40

2000 in Betrieb genommen worden und seit

04:47

1996 aufwärts ist die Realisierung dieser Maschine die Hauptaufgabe gewesen

04:57

und jetzt der Betrieb und Weiterentwicklung, Weiterausbau der Maschine.

05:01 tim-pritlove

Ja, wie sind Sie denn selber so zur Physik gekommen?

05:05

Wird mich ja mal interessieren, wie nimmt man denn da Fahrt auf in die Richtung?

05:11 thomas-klingner

Also in der Schule habe ich schon ganz gerne Physik gemacht.

05:16

Es war jetzt nicht so, dass das meine einzige Leidenschaft war.

05:20

Es war so ein bisschen undefiniert, wie das immer so ist. Ein bisschen die Berufsentscheidung,

05:25

das ist dann auch so ein mehrandreierender Prozess.

05:28

Eigentlich wollte ich mal zur See fahren, bin dann auch anderthalb Jahre zur See gefahren.

05:33 tim-pritlove

Ach echt?

05:33 thomas-klingner

Und da hatte ich die Nase voll.

05:35 tim-pritlove

Seekrank geworden?

05:36 thomas-klingner

Nee, ich werde nicht seekrank.

05:38 tim-pritlove

Okay, was war da nicht so schön?

05:40 thomas-klingner

Es war sehr kalt.

05:43

Und habe mich dann entschieden, doch zu studieren. Also das heißt,

05:47

ja, tatsächlich etwas zu studieren und habe mich dann für Physik entschieden.

05:52

In dem Sinne etwas zufällig.

05:54 tim-pritlove

Und dann war das einfach so?

05:56 thomas-klingner

Ja, ich hätte auch Ingenieurwissenschaften machen können, aber mein Bruder ist

05:59

Ingenieur und man macht niemals das, was der ältere Bruder macht.

06:03 tim-pritlove

Okay, aber wie kommt man dann so zur Plasmaphysik im Speziellen?

06:07 thomas-klingner

Da bin ich auch so reingeschlittert.

06:08 tim-pritlove

Einfach Zufall?

06:09 thomas-klingner

Ja, ich hätte auch elementarteilig ein Physiker werden können,

06:13

war ich fast, also durch schlichte Zufälle, auf die ich jetzt gar nicht eingehen will.

06:18 tim-pritlove

Okay.

06:19 thomas-klingner

Bin ich dann einmal umgeschwenkt und dann in der Plasmaphysik erstmal gelandet

06:23

und über die Plasmaphysik dann in die Fusionsforschung so hinein geglitten.

06:30 tim-pritlove

Und wann sind Sie dann hier dazugekommen?

06:34 thomas-klingner

Nach Greifswald bin ich 1999 gekommen. Da hatte ich eine Professur an der Universität

06:39

bekommen für Plasmaphysik.

06:41

Plasmaphysik ist ja größer als Fusionsforschung. Das ist ja ein ganzes Gebiet.

06:46

Und habe dann hier angefangen, eine Arbeitsgruppe aufzubauen,

06:50

die sich mit Grundlagenaspekten der Plasmaphysik beschäftigt hat.

06:55

Und kurz danach, also schon kurz danach, ich hatte sowieso schon von früher

07:00

her Kontakte zum Max-Planck-Institut und nach zwei Jahren wurde ich da einfach

07:05

vom Max-Planck-Institut gefragt, ob ich hier nicht mitmachen will.

07:09 tim-pritlove

Und so kam es dann einfach.

07:10 thomas-klingner

Ja.

07:12 tim-pritlove

Ich will jetzt mal so ein bisschen auf die Kernfusion selbst gehen.

07:18

Das ist ja, ich weiß nicht, ob man davon reden kann, dass es ein relativ neues Feld der Physik ist.

07:24

Also seit wann...

07:28

Weiß man denn, wie Kernfusion abläuft?

07:34

Also wodurch hat sich sozusagen das Wissen gebildet, dass Kernfusion stattfindet,

07:42

möglich ist und wie es in der Sonne abläuft?

07:46 thomas-klingner

Ja, ich bin nur kein Kernphysiker, insofern bleibe ich da mal ein bisschen an

07:54

der Oberfläche, so in der Physikhistorie.

07:57

Das Ganze geht ja zurück auf das Verständnis der Struktur der Atomkerne überhaupt.

08:08

Kann man so hier Namen wie Ernest Rutherford nennen, der erstmal festgestellt

08:13

hat, dass so ein Atomkern super klein ist und dass furchtbar viel Platz ist zwischen der Materie.

08:19

Das war so der erste Schritt, die Rutherfordischen Streuversuche,

08:23

damit fing das so langsam an.

08:25

Natürlich war ein großer Schritt, als festgestellt wurde, dass man,

08:29

also rein aus Zufall festgestellt wurde, dass man Kerne durch Beschuss,

08:34

durch Neutronenbeschuss spalten kann.

08:37

Und da war der Umkehrschluss natürlich sehr naheliegend. Alles,

08:41

was man spalten kann, kann man auch wieder zusammenfügen.

08:44

Und man hat dann relativ schnell dann schon vermutet, dass da auch der umgekehrte

08:47

Prozess geht. Warum nicht?

08:49

Also da gibt es überhaupt kein physikalisches Argument, dass der Rückwärtsgang nicht geht.

08:55

Und hat sich diese Sache auch angeschaut, erstmal so rein spekulativ,

09:00

das war erstmal ein bisschen schwieriger zu erkunden.

09:04

Das Ganze war auch verbunden mit der großen offenen Frage, wie eigentlich die Sterne funktionieren.

09:11

Denn Kernspaltung fiel aus, dass die über Kernspaltung ihre Energie erzeugen.

09:17

Das konnte man einfach durch ein paar quantitative Rechnungen,

09:21

durch ein paar Zahlen konnte man das relativ schnell ausschließen,

09:23

dass das der Fall ist, chemische Verbrennung auch, kommt viel zu wenig bei rum.

09:29

Und dann blieb bloß noch die Fusion übrig. Das war dann so die Hypothese.

09:35

Und ich denke, das war Hans Beete, der der Sache dann wirklich auf die Spur

09:38

gekommen ist. Dann gab es noch etliche, die dann verwickelt waren,

09:40

später auch Weizsäcker.

09:43

George Gamow hat auch eine wichtige Rolle gespielt. Der russisch-amerikanische

09:48

Wissenschaftler, der oft schon vergessen ist.

09:50

Und da mussten eben viele Puzzlesteine zusammengesetzt werden,

09:53

bis man dann diese Zyklen,

09:58

diese Prozesse, diese Prozessketten, die im Inneren der Sterne stattfinden,

10:02

bis man die mal so hypothetisch aufstellen konnte und auf der Basis dieser Hypothese

10:07

dann eben Rechnungen durchführt, die wie üblich in der Physik mit Beobachtungen abgleicht.

10:15

Mit Plausibilitäten, mit Stabilität, mit Massebetrachtung und so weiter und

10:18

so weiter, ob das alles zusammenpasst.

10:20

Und das war im Prinzip dann überhaupt erstmal die Realisierung,

10:24

dass es eben diesen Elementarprozess gibt, also eben analog zur Kernspaltung,

10:29

entlang der Elemente, dass man eben die schweren Elemente spalten kann,

10:31

dass man eben leichtere Elemente auch miteinander fusionieren kann.

10:34

Und man kann alle möglichen Elemente miteinander fusionieren.

10:37

Das ist völlig beliebig, also nicht völlig beliebig, Aber man hat ein weites

10:41

Feld von leichten Elementen, die man miteinander fusionieren kann.

10:44

Und das hängt eben sehr von den Bedingungen

10:46

ab und von den entsprechenden Wahrscheinlichkeiten für die Fusion ab.

10:50

Gut, und damit war das einfach erstmal ein Gesamtbild, was man sich da von den

10:54

Kernkonstituenten gesetzt hat.

10:55

Dann kam später noch die ganze Elementarteilchengeschichte dazu,

10:58

wo man eben festgestellt hatte, dass diese Konstituenten, Protonen und Neutronen,

11:01

dass die dann nochmal weitere Konstituenten haben, also nochmal weiter innerlich

11:05

zusammengesetzt werden.

11:07

Das war dann wieder eine ganz andere Thematik.

11:10

Die damit nicht so direkt verbunden ist, indirekt natürlich schon.

11:14

Gut, also das heißt, die Moral von der Geschichte hat eigentlich angefangen

11:18

mit dem Elementarprozess,

11:20

aber dann direkt auch die Übertragung auf den Prozess der Sterne und damit eben

11:25

stellvertretend für die Sterne unserer Sonne abgebildet, weil das war bis dahin

11:30

noch, wusste man einfach nicht, wie es geht.

11:33 tim-pritlove

Und wodurch wird klar, dass dabei bei einer Kernfusion Energie freigesetzt wird?

11:42 thomas-klingner

Das ist eben halt ein kernphysikalischer Aspekt dabei.

11:45

Das ist der sogenannte Massendefekt, also indem man die Erkenntnis,

11:50

dass Masse und Energie letztlich das gleiche ist, das ist eben halt auch wieder

11:53

verbunden mit Einsteins Relativitätstheorie, das ist die berühmte E gleich mc²,

11:57

also Masse und Energie ist einfach das gleiche und Energie lässt sich in Masse

12:00

und Masse in Energie umwandeln.

12:02

Das hat dabei eine Rolle gespielt und die Differenz der Bindungsenergie der

12:07

Kerne, die sich dann letztlich in Masse manifestiert,

12:12

die wird einfach in kinetische Energie umgesetzt. Das ergibt sich einfach aus der Logik des Ganzen.

12:20 tim-pritlove

Okay. Und seit wann gibt es jetzt die Überlegung, das zur Energiegewinnung zu nutzen?

12:28 thomas-klingner

Das ging letztlich in den 50er Jahren los.

12:33

Also die Kernspaltung ist ja relativ früh schon erkannt worden als eine Energiequelle

12:41

und zwar letztlich in zwei Richtungen.

12:44

Also einerseits natürlich sehr prominent als Bombe.

12:49

Das heißt, da gab es ja diese ganze Oppenheimer-Geschichte, das Wettrennen um die Bombe.

12:55

Das ist ja letztlich auch einfach eine Freisetzung von sehr großen Mengen Energie, eine Vulgo-Bombe.

13:02

Aber gleich parallel dazu hat man sich auch sofort dafür interessiert aus der Kernspaltung,

13:09

Antriebsaggregate für U-Boote etwa zu entwickeln U-Boote müssen einfach lange tauchen können,

13:16

und Elektromotoren da ist die Batterie schnell alle also das hat die Tauchdauer

13:20

dann beschränkt deshalb war es eben halt sehr attraktiv einfach eine ja nicht ja also nicht.

13:29

Einen Nicht-Verbrennermotor zu haben, der aber sehr lange läuft.

13:33

Also deshalb ist das sehr früh schon vorangetrieben worden.

13:36

Also sozusagen das Atom-U-Boot war so der Motivator dafür, den Leichtwasserreaktor zu entwickeln.

13:44

Und das lief dann so letztlich auch parallel mit der Bombenentwicklung, also Reaktor und Bombe.

13:53

Das ist am Ende vom Prozess her bei der Spaltung nicht so gut voneinander zu trennen.

13:58

Und das war aber sehr stark getrieben eben von diesem Rüstungsaspekt und von

14:02

diesem militärischen Aspekt.

14:03

Deshalb waren da einfach sehr viele Ressourcen, auch sehr viel Dringlichkeit,

14:08

denn wir kennen ja alle diese Geschichte.

14:10

Die war bei der Fusion erstmal nicht. Trotzdem war klar, dass es auch ein Prozess

14:15

ist, der Energieüberschuss, sogar noch effizienter Energieüberschuss produziert.

14:21

Hatte aber eben erstmal nicht diesen militärischen Aspekt, als später mit der

14:26

Wasserstoffbombe ist der so reingekommen, weil es ja sozusagen so ein Nachzünder,

14:29

den man dann noch auf die Atombombe raufsetzt.

14:32

Die funktioniert ja nicht super für sich.

14:35

Aber auch so im Rahmen dessen ist dann so klargekommen, naja,

14:39

jetzt muss man sich das auch mal angucken, ob man daraus nicht ein Kraftwerk

14:42

bauen kann. Und das fing so in den 50er Jahren an.

14:46

Und also so nach dem zweiten Weltkrieg eigentlich ernsthaft.

14:50

Und da hat anfänglich hat es da viel Euphorie gegeben.

14:55

So in dem Sinne, das dürfte ja eigentlich gar nicht so schwer sein.

15:00

Und aus der Zeit kommen auch noch sehr optimistische Vorhersagen.

15:05

Das war sowieso so eine Euphorie, wenn Sie da in die 50er Jahre gehen.

15:08 tim-pritlove

In allen Feldern eigentlich.

15:10 thomas-klingner

Ja, auch eine große nukleare Euphorie. Sowohl Spaltung wie auch Fusion.

15:15

Also das heißt, das war so die Zukunft. Und das war auch fast wie ein Heilsbringer.

15:23

Das Ganze wurde so behandelt.

15:25 tim-pritlove

Unendliche Energie.

15:27 thomas-klingner

Ja, und keine Nachteile, nur Vorteile und Energie für jeden.

15:32

Also wie gesagt, das war eine euphorische Zeit.

15:34

Aus solchen Euphorien heraus kommen natürlich auch manchmal etwas überoptimistische Vorhersagen.

15:41

Und das ist dann auch der Geburtsort für den ältesten Fusionswitz.

15:48

Das ist eine Energie, die immer 50 Jahre entfernt ist.

15:53

Denn man hat sich ja damals schon zu solchen recht optimistischen Vorhersagen

15:58

treiben lassen, dass man sagt, innerhalb dieses Jahrtausends schaffen wir es auf jeden Fall.

16:02

Also 1950, das heißt innerhalb des 20. Jahrhunderts.

16:07

Da gab es eben einige Warne, die gesagt haben, das sieht nicht so einfach aus.

16:12

Und dieses Jahrhundert können wir irgendwie vergessen, das wird nichts.

16:15

Aber auf die hat keiner gehört.

16:17

Die Presse hat nur die Optimisten zitiert. Und damit ist dann dieses Etikett

16:21

dann gleich kleben geblieben, denn wir haben es ja immer noch nicht.

16:24

Das Jahrtausend ist vorbei, wir haben es immer noch nicht und da müssen wir

16:27

uns immer wieder anhören, was ist denn das für eine traurige Geschichte.

16:33

Und wenn man uns jetzt fragt, sagen wir auch zweite Hälfte dieses Jahrhunderts

16:38

und dann hört sich das halt nach so einem Moving Target an,

16:40

wie nach der berühmten Möhre, der der Esel die ganze Zeit hinterherläuft,

16:44

obwohl sie eben halt an einer Angel vorhin gehalten wird und der Esel realisiert

16:48

das nicht, so eselig sind wir gar nicht.

16:51

Aber inzwischen hat man einfach besser verstanden, was das für eine harte Nuss ist.

16:56

Die da geknackt werden muss und auch, was die Bedingungen sind,

16:59

die man schaffen muss, um diesen Elementarprozess wirklich effizient auf die Beine zu stellen.

17:05

Denn Fusion an sich zu machen, ist ein Elementarprozess. Das ist total einfach.

17:08

Das kann jeder im Keller machen.

17:09

Da gibt es Wikipedia-Artikel, wie man Fusion macht, braucht man echt nicht viel.

17:13

Braucht man ein Hochspannungsnetzgerät, eine Pumpe, fertig. Das ist wirklich nicht viel.

17:18 tim-pritlove

Und was hat man dann fusioniert im Keller?

17:20 thomas-klingner

Da hat man dort fusioniert.

17:22 tim-pritlove

Okay.

17:22 thomas-klingner

Dann kommen ein paar Neutronen raus, kann man zählen. 3, 4, 5, 10,

17:26

100, paar tausend, nützt aber nichts nicht, weil das, was man in Energie reinsteckt,

17:31

um das zu machen, ist eben halt mehrere Größenordnungen über dem,

17:36

was man aus den Neutronen rausholen könnte.

17:39 tim-pritlove

Und das ist ja nicht so ganz die Idee dabei.

17:42 thomas-klingner

Nee, also negative Energieverluste erzeugen, das ist ja nicht so schwierig.

17:47

Aber einen Energieüberschuss zu erzeugen, dafür braucht man eben viele Fusionsprozesse.

17:51

Und einer hohen Dichte, das heißt viel pro Sekunde und Kubikmeter.

17:58 tim-pritlove

Okay, jetzt stellt sich natürlich dann die Frage, wie hat man sich auf den Weg

18:04

begeben, darüber nachzudenken, wie man dieses Missverhältnis aufheben kann?

18:09

Also wie baut man dann ein Fusionssystem, wo dann am Ende mehr Energie bei rauskommt,

18:14

als man reingesteckt hat? Weil das ja dann letzten Endes ist das Ziel.

18:18

Wo fängt man da an?

18:21 thomas-klingner

Also wenn wir jetzt von der Magnetfusion reden, jetzt müssen wir eine Abzweigung nehmen.

18:28

Das ist ja das Geschäft, was wir hier betreiben, auch das Geschäft,

18:31

mit dem ich mich jetzt ja lange beschäftige und mehr oder weniger gut auskenne.

18:40

Da ist es definitiv ein Volumeneffekt. Also das heißt, man braucht Volumen.

18:48

Warum? Die Fusion, also dieser Elementarprozess, der passiert ja im Volumen.

18:54

Also wir haben ein Gas, ein heißes Gas, also eine Anzahl von Atomen da drin,

18:59

von Kernen da drin und die haben eine bestimmte Wahrscheinlichkeit miteinander zu fusionieren.

19:06

Und wenn man halt viele nimmt bei einer gegebenen Dichte, die Dichte ist nicht

19:12

beliebig, die muss man an einem richtigen Punkt einstellen und dann braucht

19:16

man für viele einfach Volumen,

19:19

um genügend Einzelelementarprozesse, sozusagen Verbrennungsprozesse zu haben,

19:23

was dann aufsummiert Energie ergibt.

19:27

Die Verluste, die unvermeidlichen Verluste, die gehen alle durch die Oberfläche.

19:35

Verluste zur Wand. Denn die Wand ist kalt und das Gas, dieses Plasma muss heiß sein.

19:43

Dieser Wärmeverlust, der drückt dann die Temperatur dieses Gases, dieses Plasmas runter.

19:49

Und wenn die Temperatur runtergedrückt wird, wird die Fusionswahrscheinlichkeit immer kleiner.

19:55

Also muss man dafür sorgen.

19:58 tim-pritlove

Dass es heiß bleibt.

19:59 thomas-klingner

Also es muss heiß sein, es muss eine bestimmte Dichte haben.

20:02

Und dieses Heißsein, das erfordert eben Wärmeisolation.

20:07

Denn es ist umgeben von einer kalten Wand, die ist wie so eine Kühlfläche.

20:12

Dagegen muss das Wärme isoliert werden. Und die Isolation ist natürlich an der Oberfläche.

20:18

Das heißt also, das Volumen zur Oberfläche-Verhältnis ist kritisch.

20:22

In anderen Worten, so eine Tabletop-Fusionsanlage, wie man sie sich in den 50er Jahren überlegt hat,

20:29

wie es so nach den Erkenntnissen zu der Zeit aussah, dass man es so machen könnte,

20:35

Das mussten wir bitter lernen, die gibt es nicht.

20:38

Dazu sind die Verluste zu groß. Unvermeidliche Verluste.

20:42 tim-pritlove

Denn die Bedingungen auf der Sonne sind ja nun mal ganz andere.

20:44

Da gibt es sehr viel davon. Es ist alles sehr dicht, es ist alles sehr heiß.

20:50

Und obwohl die natürlich eine große Oberfläche hat und es auch ziemlich kalt

20:53

drumherum ist, ist die Hitze und die Dichte innerhalb der Sonne so extrem,

20:58

dass Fusion permanent stattfindet.

21:00 thomas-klingner

Ja, die Sonne ist erstmal groß. Das hilft.

21:04

Dann hat sie bezogen auf das Plasma einen nochmal deutlich, deutlich extremeren Materiezustand.

21:11

Vor allem die Dichte ist erheblich höher als das, was wir mit vernünftigen Aufwand

21:17

hier auf der Erde herstellen können, zumindest so als kontinuierliches System.

21:20

Wir reden im Zentrum der Sonne, wo die Fusion stattfindet von einer Materiedichte,

21:25

die etwa Faktor 1000 höher ist als unsere Festkörperdichte, unsere konsensierte

21:30

Materie, die uns umgibt.

21:32

Also unsere ganze Welt besteht ja im Großen und Ganzen aus kondensierter Materie.

21:35

Also Steine, Wasser, letztlich auch Luft kann man da gut dazu zählen.

21:41

Nicht ganz, das ist ein Übergang.

21:43

Aber das ist ja alles tausendmal Dichte. Also das heißt wirklich ordentlich

21:46

hohe Dichte und dann eben ordentlich hohe Temperatur.

21:49

Und dann nimmt sich die Sonne einfach das Volumen und Zeit. Das heißt man wartet.

21:55

Die Sonne kann warten.

21:57

Und diese Kombination aus all den Dingen, die ist nicht gut. denn,

22:04

Solchen Materiezustand können wir auf der Erde nicht mit vernünftigem Aufwand erzeugen.

22:10

Und wenn ja annähernd für Nanosekunden, also für winzige Bruchteile von Sekunden,

22:17

das ist das, was man in der Laserfusion versucht.

22:19

Da nähert man sich tatsächlich dem Materiezustand im Zentrum der Sonne so halbwegs

22:24

an und versucht also auf die Art und Weise das zu machen.

22:27

Das ist aber offenbar eben halt ein Kurzzeitprozess. Also ein ganz kurzer Blitz, der so erzeugt wird.

22:35

Also für einen Bruchteil in der Sekunde erzeugt man mal ein tatsächlich sonnenartiges Plasma.

22:40 tim-pritlove

Minisonne.

22:40 thomas-klingner

Die berühmte Minisonne.

22:44

Darüber will ich hier auch gar nicht viel referieren. Das ist nicht unser Geschäft.

22:47

Das ist ein komplett anderer Zweig der Plasmaphysik, mit dem ich mich nicht

22:52

nur peripher beschäftige, weil er so anders ist.

22:57

Den gibt es auch. Das ist der andere Pfad.

23:00

Nebenbei gesagt, der ist auch schwierig. Da darf man sich nichts vormachen,

23:04

dass man sagt, das ist die Abkürzung zu der Fusionsenergie auf Erden.

23:09

Das ist auch ein sehr hartes Brot aus anderen Gründen. Aber wir wollen uns da

23:13

nicht so sehr verheddern jetzt.

23:15

Wir machen eben halt, die magnetische Fusion, die wir hier in Greifswald machen,

23:21

basiert auf sehr dünnen Plasmen.

23:23

Nicht sehr dünnen, sehr heißen Plasmen. Aber dieses sehr dünnen ist entscheidend.

23:28 tim-pritlove

Also dünn im Sinne von nicht so dicht?

23:30 thomas-klingner

Ja, Materiedichte. Also dünn, muss man es in eine Perspektive zu setzen.

23:35

Wir reden etwa von Faktor 100.000 dünner als die Luft, die wir atmen.

23:38

Also wirklich dünne Luft.

23:40

Also wenn man so in die Atmosphäre nach oben reißt, irgendwann wird die Duft halt immer dünnert.

23:47

Nicht so, das heißt wir sind dann irgendwo in der Jonsphäre oder sowas,

23:50

also schon ganz oben in unserer Atmosphäre, wo bloß Reste davon sind.

23:54

Das heißt, es ist sehr dünne Materie, die kann man mit einem Vertretbaren Aufwand sehr heiß bekommen.

23:58

Hat den Vorteil, wenn man das miteinander multipliziert und mit den Faktoren

24:02

versieht, die man da vorschreiben muss, dann kriegt man einen Druck.

24:05

Und dieser Druck, das sind so,

24:08

Drei bis fünf Bar als Gasdruck.

24:13 tim-pritlove

Also so Fahrradreifen.

24:14 thomas-klingner

Fahrradreifen, das hört sich so an, als könnte man das hinbekommen. Nicht so technisch.

24:19

Bei der Sonne reden wir von Gigapascal, also von ganz anderen Drücken.

24:25

Also das sind einfach diese typischen astronomischen Dimensionen,

24:27

die also nur bei der Sonne durch Gravitation zusammengehalten werden können,

24:31

weil die Sonne einfach so riesig ist.

24:34

Also einen Gravitationseinschluss kann man auf der Erde nicht machen.

24:38 tim-pritlove

Aber wir brauchen auf jeden Fall diesen Plasmazustand dieses Gases,

24:43

auch wenn es nicht so dicht ist.

24:45

Und man muss dem entgegenarbeiten, dass es nicht all die Wärme,

24:49

die es braucht, um das aufrecht zu erhalten, sofort wieder verliert.

24:53

Also muss man es in irgendeiner Form einpacken, einschließen,

24:57

bei sich behalten, um sozusagen einen kontrollierten Ort zu haben,

25:01

in dem eine Fusionsreaktion dann mehr oder weniger von alleine stattfindet.

25:06 thomas-klingner

Das ist quasi ein Gefäß. Aber es ist ein immaterielles Gefäß.

25:11

Denn auch dieses dünne Gas wohnt erstmal in einem Stahlgefäß.

25:18

Und das Stahlgefäß ist halt kalt, hat Raumtemperatur.

25:22

Und man muss dann noch für die Isolation noch ein immaterielles Gefäß schaffen,

25:27

was dieses heiße Gas von den Wänden trennt.

25:31

Das ist eben diese Wärmeisolationsaufgabe. Ansonsten hätte es einfach durch

25:34

den Wärmekontakt, hätte das Gas Wandtemperatur. Und die reicht nicht.

25:39

Dann passiert keine Fusion, sondern für Fusion braucht man tatsächlich exotisch hohe Temperaturen.

25:45

Wir reden da so von 100, Größenordnung 100 Millionen Grad, was sich ganz erschreckend anhört.

25:52

Man muss da aber im Kopf behalten, wir reden von einem sehr dünnen Gas.

25:57

Und unser Temperaturbegriff, der ist ja ganz stark geprägt von der kondensierten

26:01

Materie, also von der Tasse Tee oder von einer Herdplatte, das ist alles feste Materie.

26:08

Und da sind 100 Grad oder 1000 Grad schon alles sehr heiß.

26:14

1000 Grad ist schon verflixt heiß, also nicht unvorstellbar heiß,

26:18

aber schon sehr, sehr heiß.

26:19

Wenn wir von Lava reden, dann sind es um 2000 Grad und das ist so der Erfahrungsbereich

26:23

und da hört sich 100 Millionen Grad natürlich irre an, ist es aber nicht,

26:28

weil wir von einem sehr dünnen Gas reden.

26:31

Und Temperatur ist ja in der Physik nichts anderes als eine Begrifflichkeit für Geschwindigkeit.

26:37 tim-pritlove

Die Geschwindigkeit der Atome.

26:38 thomas-klingner

Die Geschwindigkeit der Atome, der individuellen Atome in einem statistischen Mittel.

26:45

Und wir müssen einfach nur diese Atome auf dieses Tempo bringen und beim dünnen

26:49

Gas ist das sehr gut machbar.

26:51

Allerdings beim Kontakt wieder mit der festen Materie, mit dem Kessel,

26:56

würde man dieses Gas einfach nicht viel mehr als auf Raumtemperatur bekommen.

27:00

Das heißt, man braucht eine Isolation und das ist ein immaterieller zweite Lager,

27:03

ein zweites Gefäß. und das sind die berühmten Magnetfelder.

27:07 tim-pritlove

Die das einschließen, das Plasma, damit es sozusagen bei sich bleibt und sie wärmen nicht ab.

27:11 thomas-klingner

Man muss sich das wie ein Gefäß vorstellen. Wie so eine zweite Wand.

27:17

Die zwischen der materiellen Wand, der Stahlwand, und dem eigentlichen Plasma

27:22

ist, was man heiß machen möchte.

27:26

Kein Styropor ist nichts Materielles, sondern eine immaterielle Isolation.

27:30

Aber es ist de facto eine weitere Lage, ein weiteres Gefäß, was man dazwischen packt.

27:34

Und die Form dieses Gefäßes, diese Form dieses Immateriellen,

27:38

dieses magnetischen Gefäßes, die ist sehr wichtig.

27:42 tim-pritlove

Klingt jetzt erstmal nach einem Rohr. Ja. Also man hat so einen außen umschließenden

27:47

Mantel und dann soll das Plasma in der Mitte sein und durch Magnete hält man

27:52

es sozusagen von dieser eigentlichen Wand des Rohres fern.

27:56 thomas-klingner

Ja, also erstmal, also ein Rohr ist erstmal schon mal ein guter Ansatz.

28:00

Damit haben wir auch angefangen. Erstmal mit einem geraden Rohr.

28:03

Da hat man festgestellt, ein gerades Rohr hat natürlich zwei Enden.

28:09 tim-pritlove

Wie die Wurst?

28:10 thomas-klingner

Ja, die Wurst, so zwei Enden. Nur die Wurst hat zwei. Und an diesen Enden,

28:14

das sind automatische Verlustflächen.

28:17

Denn da steht dieses immaterielle Gefäß einfach in Kontakt wieder mit der kalten Wand.

28:23

Das heißt, man ist gut beraten, dieses Rohr zu einem Ring zu biegen.

28:27

Denn damit kann man die Magnetfeldlinien schließen.

28:29 tim-pritlove

Aber man könnte doch auch die Magnetfelder an den Seiten so ausrichten,

28:32

dass es auch an da nicht rankommt.

28:34 thomas-klingner

Ja, hat man auch versucht. Also man hat das so zugequetscht.

28:37

Das sind sogenannte Spiegelmaschinen, um diesen Kontakt mit der Wand zu verringern.

28:43

Das hat auch was gebracht, aber es war am Ende dann doch nicht genug.

28:46

Er hatte doch zu große Verluste.

28:50

Denn das ist einfach ein nicht verhinderbarer Kontakt zwischen diesem Magnetfeld und der Wand.

28:57

Da stoßen die Magnetfeldlinien auf die Wand und das bedeutet einen Kontakt.

29:01

Das ist wie eine Lücke in der Isolation, wie ein Loch in der Isolation,

29:06

was man bei seinem Haus auch gar nicht haben würde.

29:08 tim-pritlove

Und damit dieser Ansatz dann sozusagen kein Ende findet, hat man die Enden einfach

29:12

weggelassen und das Ganze ist dann im Ring gemacht.

29:14 thomas-klingner

Wenn eine Wurst kein N haben soll, dann biegt man die Wurst zu einem Wurstring.

29:18

Und dann hat man einen Wurstring.

29:20

Also insofern wollen wir nicht zu sehr mit solchen kulinarischen Vergleichen

29:26

uns damit zufriedenstellen.

29:28

Aber es hilft ein bisschen die Vorstellung zu machen. Es wird oft vom Donut

29:31

gesprochen, also das ist am Ende egal.

29:34 tim-pritlove

Sagen wir korrekt Torus.

29:36 thomas-klingner

Ja, Torus ist der mathematische Begriff. Der ist nicht ganz so alltäglich.

29:41

Aber es ist ein Torus, also es ist ein Ring. ein Torrüssel, der vom Magnetfeld erfüllt ist.

29:46

So, das ist dann der erste Punkt. Also da waren wir auch schon 1950.

29:53

Wenn die magnetischen Feldlinien dieses Rings, wenn man die einfach so belässt,

29:59

also das Rohr zu einem Ring biegt und das so belässt,

30:06

dann muss man sich mit einem unangenehmen Effekt auseinandersetzen,

30:12

der so ein Klassiker der Plasmaphysik ist.

30:14

Durch die Tatsache, dass die Magnetfeldlinien dann ja gekrümmt sind,

30:18

nicht mehr gerade, sondern gekrümmt,

30:21

und dass sie durch das Zusammenbiegen auf der Innenseite enger liegen als außen, auch sehr logisch,

30:27

bekommen also einerseits eine Krümmung der Magnetfeldlinie, logisch,

30:31

zweitens auch noch eine Inhomogenität, also eine Veränderung des Magnetfeldes.

30:37 tim-pritlove

Ungleichförmigkeit.

30:38 thomas-klingner

Ungleichförmigkeit. Und beides führt dazu, dass diese geladenen Teilchen einem

30:43

in in der radialen Richtung, das heißt also senkrecht zu den Magnetfeldlinien rausdriften.

30:51

Also diese Teilchen machen eine Gyrationsbewegung in die Magnetfeldlinien herum

30:55

und sehen, während dieser Gyrationsbewegung einerseits die Krümmung,

31:00

andererseits die Inhomogenität und jedes Mal kriegen sie sozusagen so einen

31:03

kleinen Versatz unserer Unwucht.

31:07

Das ist wie so eine Fliehkraft, kann man sich so fast vorstellen.

31:10

Auf jeden Fall beginnen die radial sich rauszubewegen, also senkrecht zu dem

31:15

Magnetfeld in sich rauszubewegen. Und das hört sich schon nicht gut an.

31:19

Weil damit transportieren sie Teilchen, aber auch die Wärme,

31:22

die sie tragen, nach außen. Damit hat man wieder den Wärmeverlust.

31:26

Das wurde schon sehr früh erkannt. Und ganz einfacher Trick,

31:31

den man da macht, man verdreht diese magnetischen Feldlinien,

31:33

um dieses Rausdriften zu kompensieren, so als grobes Bild.

31:38

Das heißt, sie müssen nicht nur regnförmig sein, sie müssen auch in sich verdreht sein.

31:43

Und dieses Verdrehen, das muss man eben halt in den Magnetfeldern noch zusätzlich erreichen.

31:50

Denn das Magnetfeld an sich kann man erstmal mit einem Satz von Magneten erzeugen,

31:55

von Elektromagneten erzeugen, die man also einfach ringförmig aufstellt und

31:58

dann hat man ein ringförmiges Magnetfeld.

32:00

Das hat aber noch nicht die Verdrehung.

32:03 tim-pritlove

Für die Verdrehung muss man sozusagen diese Spulen, die ja letztlich dieses

32:07

Magnetfeld erzeugen, selbst auch nochmal ihrer Gleichförmigkeit berauben.

32:12 thomas-klingner

Das ist eine Möglichkeit, entweder indem man einen weiteren zusätzlichen Spulensatz

32:17

spendiert, der die Verdrehung übernimmt, nicht so eine Kombi.

32:21

Oder wie beim Wendelstein, indem man diese Spulen nicht mehr einfach belässt,

32:26

sondern diese Verdrehung in die Spulen hineingießt.

32:29

Und das heißt, das Verdrehen der magnetischen Feldlinien durch die Formgebung der Spulen erreicht.

32:39

Das ist das Stellaratorprinzip dabei.

32:41 tim-pritlove

Genau und damit sind wir sozusagen bei dem Prinzip der Installation,

32:44

die jetzt hier in Greifswald gebaut worden ist, angekommen.

32:48

Das ist aber nicht der einzige Ansatz, den man jetzt verfolgt hat.

32:52

Es gibt ja noch mit Tokamak noch ein zweites Prinzip, was ähnlich funktioniert, aber anders.

33:00 thomas-klingner

Ja, das schließt genau an das an, was wir gerade gesagt haben.

33:04

Diese Verdrehung der magnetischen Feldlinien kann man auch erreichen,

33:09

indem man einen sehr starken Strom in das Plasma hineinbringt.

33:14

Und dieser starke strom erzeugt für sich wiederum ein magnetfeld und das magnetfeld

33:21

was dieser starke strom erzeugt kombiniert mit dem magnetfeld was der strom

33:27

in den spulen erzeugt erzeugt dieses verdrehte magnetfeld das ist das tokamark prinzip.

33:32 tim-pritlove

Also zwei ansätze sozusagen um dasselbe ziel.

33:34 thomas-klingner

Zu erreichen ja und hat eben ja die,

33:40

Spezialität, dass man eben halt einen Strom in das Plasma rein zaubern muss.

33:43 tim-pritlove

Ja. Also abgesehen von dem, also wenn wir von Wendelstein sprechen,

33:49

das ist der Name des Projektes hier, also der Name dieses,

33:55

Forschungsreaktors, der hier gebaut wird. Ich glaube, der Grund ist ein Berg,

34:00

Wendelstein ist ein Berg in Bayerischen Alpen.

34:04 thomas-klingner

In Bayerischen Alpen.

34:06 tim-pritlove

Weil das so ein hohes Ziel ist, was man hier erreichen will.

34:10 thomas-klingner

Ach, das hat historische Gründe, diese Benennung nach Bergen.

34:16

Geht zuletzt zurück auf die allerersten Stelleratoren, die an der Princeton

34:23

University gebaut wurden, von dem US-amerikanischen Astrophysiker Lyman Spitzer.

34:30

Der war halt begeisterter Bergsteiger und mochte sehr die Alpen und hatte seine

34:38

Maschine oder sein Projekt, hatte den Kennnamen Project Matterhorn.

34:46

Und das war die Inspiration hier für die deutsche Aktivität auf dem gleichen Gebiet.

34:52

Also als man so gesehen hat, was da in Princeton getrieben wurde,

34:55

wollte man sich da in dieser Richtung auch engagieren.

34:59

Und das war die Inspiration dafür, das nach einem anderen Berg zu benennen,

35:04

also nach einem bayerischen Berg, weil es da die Aktivität in Garching gestartet

35:08

war. Und da hatte man den Wendelstein genommen.

35:11

Erstens, weil das ein allgemein bekannter Berg dort ist.

35:14

Das ist ein Ausflugsberg und ich habe mir auch mal sagen lassen,

35:18

dass der Fußweg da hoch auf solchen Serpentinen, solchen sehr gewendelten Faden

35:25

geht, weshalb er vielleicht auch so heißt, aber ich weiß es nicht,

35:27

vielleicht ist das auch irreführend.

35:29

Und das war so ein weiteres Element, was eben mit dieser Geometrie der Magnete

35:37

verbunden ein inspirierendes Element war.

35:41

Am Ende ist es ein Wendelstein geworden und dieser Name ist eben seit den 60er

35:45

Jahren beibehalten worden und hat dann auch hier eine Heimat gefunden.

35:51 tim-pritlove

Genau und es gibt es in mehreren Versionen, jetzt sind wir irgendwie bei Version

35:53

7. Das X, was da noch dabei ist.

35:57 thomas-klingner

Ist auch alles alles historie also es gab ein

36:01

wendelstein 1 es gab ein wendelstein 1 a 1 b

36:03

es gab ein 2 2 a 2 b 3 4 5 und 6 sind nie gebaut worden gab es ein wendelstein

36:11

7 dann gab es ein wendelstein 7 a dann gab es ein wendelstein 7 as und dann

36:18

gibt es jetzt hier den wendelstein 7x als neueste version,

36:24

Und warum man bei sieben kleben geblieben ist, können Sie die Frage,

36:27

hätte ich auch sieben, acht, neun, zehn oder sowas machen.

36:30

Das sind immer so ein bisschen Geschmackssachen. Am Ende ist Wendelstein 7 denn

36:34

so in den späten 70er Jahren auch zu einer Marke geworden.

36:38

Und da wollte man diese Marke nicht mehr ändern.

36:41 tim-pritlove

Okay, Branding.

36:42 thomas-klingner

Auch in der Physik gibt es Marketing.

36:44 tim-pritlove

Marketing und beliebte Namespaces, hier sind es dann halt einfach die Berge.

36:49

Aber ich habe das jetzt vor allem erwähnt, um mal die Begrifflichkeiten klarzumachen,

36:53

was jetzt hier eigentlich was ist.

36:55

Stellarator ist halt das Bauprinzip.

36:58

Wendelstein ist die konkrete Installation, die hier betrieben wird.

37:03

Die Tokamak-Reaktoren werden an anderen Standorten gebaut, aber auch vom Max-Planck-Institut

37:09

gibt es, glaube ich, eine Tokamak-Installation.

37:12 thomas-klingner

Wir haben eine Tokamak-Versuchsanlage in Garching.

37:16 tim-pritlove

Genau, und dann gibt es noch ein großes System in ITER in Frankreich,

37:21

was ein sehr internationales Projekt ist.

37:25 thomas-klingner

Und man darf das auch nicht zu sehr auseinander dividieren. Also beides ist

37:28

magnetischer Einschluss, beides ist ringförmig, ist in dem Sinne wieder sehr ähnlich.

37:35

Es gibt, wenn man so mit einem Satz den Unterschied zwischen Stellarator und

37:40

Tokamak diesen beiden Sublinien im magnetischen Einschluss beschreiben will,

37:46

dann kann man sagen, im Tokamak muss ein starker Strom im Plasma fließen.

37:51

Im Stellarator kann man auf den verzichten.

37:54

Die Gründe haben wir schon erwähnt. Der starke Strom im Plasma des Tokamax erzeugt

37:58

die Verdrillung der Magnetfeldlinien.

38:00

Beim Stellarator wird die Verdrillung der Magnetfeldlinien durch die Formung der Spulen gemacht.

38:05 tim-pritlove

Genau. Kommen wir vielleicht nochmal kurz zu diesem Plasma selbst.

38:09

Klingt ja, ist ja so ein schönes Wort. Bei Plasma haben glaube ich alle immer

38:13

so Plasma-Lampen irgendwie vor Augen.

38:15 thomas-klingner

Aber ganz auf Augenblutplasma. Das höre ich oft.

38:20 tim-pritlove

Das ist mir jetzt nicht eingefallen. Okay, naja gut. Aber ja.

38:27

Was genau ist jetzt drin in der Röhre? Welchen Braten schiebt man jetzt sozusagen rein?

38:34

Woraus macht man das Plasma?

38:37 thomas-klingner

Wir haben ja schon über Gas gesprochen. Also wir reden von einem dünnen Gas.

38:42

So zur Orientierung unserer Anlage, die wir hier stehen haben.

38:47

Ich rede übrigens gar nicht so gerne vom Reaktor.

38:51

Können wir noch vertiefen.

38:52 tim-pritlove

Sondern von?

38:54 thomas-klingner

Die Anlage. Oder Maschine. Wir nennen sie auch gerne die Maschine.

38:59

Das klingt ein bisschen kräftiger.

39:00 tim-pritlove

Aber da reagiert schon Sachen zu.

39:02 thomas-klingner

Nee, da reagiert nichts.

39:04 tim-pritlove

Da reagiert nichts?

39:05 thomas-klingner

Zurzeit gar nichts. Also das heißt in dieser Anlage zur Orientierung,

39:11

wenn wir dort von dem Gas reden, ist das sowas wie 0,01 Gramm.

39:17

Also wirklich wenig Gas.

39:19 tim-pritlove

Von? Wasserstoff.

39:21 thomas-klingner

Wasserstoff. Was wir dort reinfüllen. Also alles fängt mit dem Gas an.

39:26

Man füllt also Wasserstoff, Gas, dieses niedrigdichte Gas ein.

39:32

Dieses Gas wird ionisiert, sprich es wird Energie eingekoppelt.

39:41

Und diese Energie ist hoch genug, dass die Atomverbünde auseinanderfallen.

39:47

Das ist gar nicht schwer, das

39:48

geht relativ schnell. Das passiert schon bei relativ geringen Energien.

39:52

Und wenn diese Atomverbünde zerfallen sind, dann besteht dieses Gas dann nicht

39:58

mehr aus neutralen Wasserstoffatomen oder Molekülen,

40:02

sondern nur noch aus den Wasserstoffkernen und freien Elektronen.

40:09

Und da reden wir von den Ionen und den Elektronen.

40:13

Und dieses Gemisch aus Ionen und Elektronen, die nicht mehr aneinander gebunden

40:16

sind, sondern sich frei bewegen können, diesen Materiezustand bezeichnet man als Plasma.

40:22

Das hört sich ganz skurril an, ist auch nicht unmittelbar ein Alltagsphänomen,

40:29

wenn wir jetzt hier auf der Straße spazieren gehen.

40:31

Kann es aber werden, wenn man nördlich genug ist und dort mal ein Nordlicht hat.

40:38

Ein Nordlicht ist ein Plasmazustand in der oberen Atmosphäre.

40:41 tim-pritlove

Die Auroren.

40:43 thomas-klingner

Die Aurora Borealis oder...

40:46

Die südliche Version davon. Man kann auch so kleine Plasmen haben in einer Gewitterstimmung.

40:52

Das St. Elmsfeuer, Segler kennen das. Das heißt einfach eine Lichterscheinung an der Massspitze.

40:57

Auch dort passiert so eine Inonisierung des atmosphärischen Gases.

41:01

Oder etwas spektakulärer, ein Blitz. Ein Blitz ist auch ein Plasma.

41:05 tim-pritlove

Oder eine Kerze.

41:06 thomas-klingner

Eine Kerze ist ein bisschen an der Grenze. Da sind wir Plasmaphysiker streng.

41:11

Das ist ein böser Grenzfall.

41:14

Ja, das leuchtet, das ist auch ein bisschen ionisiert, aber wir haben ja Kriterien

41:18

dafür, wann es ein Plasma ist und wann nicht.

41:21

Das ist ein übler Grenzfall.

41:24

Also das spielt nicht mehr nach den Spielregeln, nachdem sich ein Plasma verhält,

41:30

weil eine Kerze hat zu wenig Ionisation.

41:33

Der Ionisationsgrad ist sehr niedrig. Und damit beginnen die Effekte,

41:37

die für ein Plasma wichtig sind, marginal zu werden.

41:39

Alles ist von dem neutralen Gas und von der Chemie bestimmt.

41:42

Und damit ist das so ein bisschen außerhalb unseres Schirms.

41:46

Es gibt auch keine scharfe Grenze.

41:48

Also es gibt keinen Punkt, wo man sagt, jetzt ist es ein Plasma.

41:52

Sondern das ist ein weicher Übergang. Man darf sich das nicht wie so einen Phasenübergang

41:57

vorstellen, wie Schmelzen von Eis, sondern das kriecht so rein,

42:03

die Plasma-Eigenschaft in das Gas.

42:05

Also das ist auf jeden Fall so die Definition eines Plasmas,

42:09

dass wir eben in dem Sinne ein geladenes Gas haben und die Ladung wird aus den

42:14

Konstituenten, aus jedem Teilchen selbst bereitgestellt.

42:19

Aber die Gesamtladung ist de facto null, weil es ist immer gleich viel Plus wie Minus.

42:25 tim-pritlove

Genau, aber Wasserstoffatron besteht ja im Wesentlichen eigentlich nur aus einem

42:28

Proton und einem Elektron.

42:30

Und wenn sich das halt alles auflöst, dann wird einfach nur die Bindung zwischen

42:34

Elektron und dem Kern, also dem einen Proton aufgehoben.

42:40

Und man hat mehr oder weniger so eine Elektron-Proton-Suppe,

42:44

die insgesamt noch dieselbe Ladung hat wie vorher, aber sie ist ungleich verteilt.

42:51

Das Proton ist dann halt positiv. Und da spricht man dann eben von dem Ion,

42:54

wenn es sozusagen seines Elektrons beraubt ist.

42:57

Und das ist ja dann auch die Voraussetzung, dass das Magnetfeld drumherum da

43:00

überhaupt seine Wirkung entfallen kann.

43:01 thomas-klingner

Denke ich. Ja, erstens das. Also nur dadurch, dass man geladene Teilchen,

43:05

also dass man ein Gas ausgeladene Teilchen hat, reagiert das überhaupt auf die

43:11

magnetischen Feldlinien.

43:14

Und die eigentliche Fusion passiert ja bei den Kernen, also bei den Schweren,

43:21

bei den Ionen. Die Ionen fusionieren, die Elektronen machen ja nichts.

43:24

Die sind ja nur da. Die sorgen dann sozusagen für das Ladungsgleichgewicht.

43:28 tim-pritlove

Und wenn die zwei Protonen dann halt zusammenkommen, dann haben wir Helium.

43:32 thomas-klingner

Na, bei zwei Wasserstoffprotonen kriegen wir erstmal keine Helium.

43:37 tim-pritlove

Nee, warum nicht?

43:37 thomas-klingner

Nein,

43:40

also die Fusionsreaktion, von der wir reden, das sind zwei Isotope,

43:47

also zwei Varianten von Wasserstoff.

43:49

Also nicht der klassische Wasserstoff, den wir so kennen, der aus einem Proton besteht,

43:53

sondern die Fusion, die die höchste Wahrscheinlichkeit hat, ist die Fusion von

44:01

schwerem Wasserstoff und superschwerem Wasserstoff.

44:05

Das ist im Falle von schweren Wasserstoff ein Proton und ein Neutron.

44:09

Und im Falle von super schweren Wasserstoff ein Proton und zwei Neutronen.

44:13 tim-pritlove

Also das Deuterium und das Tritium.

44:16 thomas-klingner

Die heißen auch Deuterium und Tritium. Das sind so die poetischen Namen, die man davon nimmt.

44:21

Aber Wasserstoffisotope, das heißt chemisch, sind die identisch zum Wasserstoff.

44:24

Die können auch Wasser bilden, schweres Wasser oder super schweres Wasser.

44:28

Reagieren chemisch genauso.

44:29

Aber sind eben schwerer, wie es der Name sagt. Nicht schwerer und super schwerer.

44:36

Und da ergibt eben halt die Kernphysik aus der Zusammensetzung dieses Kerns,

44:43

dass da die Fusion dramatisch viel wahrscheinlicher ist.

44:47

Mit ganz großer Mühe kann man auch reinen Wasserstoff, Protonen miteinander

44:50

fusionieren, das passiert im Inneren der Sonne.

44:52

Wir sprachen darüber, da brauchen wir äußerst extreme Bedingungen und man muss

44:56

auch wirklich richtig lange warten dafür.

44:58

Die Fusion von Deuterium und Tritium ist um 30 Größenordnungen wahrscheinlicher.

45:06

Und damit ist es dann das Naheliegende, damit mal anzufangen,

45:09

bevor man sich mit Fusion von Wasserstoff beschäftigt.

45:12 tim-pritlove

Aber wo kommen denn dann die Neutronen her?

45:14 thomas-klingner

Naja, das ist einfach die atomare Struktur. Also Deuterium ist einfach ein Element,

45:19

was auf der Erde auch verfügbar ist.

45:22

Das ist zu einem kleinen Prozentsatz einfach im Wasser enthalten.

45:25

Also Deuterium kann man so kaufen.

45:28

Mit tritium müsste das eigentlich auch der fall sein also ist

45:31

grundsätzlich auch so der fall hat aber einen

45:34

ärgerlichen nebeneffekt der tritium also tritium da ist der atomkern nicht mehr

45:38

stabil der zerfällt nach einer mittleren zeit von zwölf jahren 12,3 jahren das

45:45

heißt es gibt keine tritium vorräte weil das immer wieder alles zerfallen was

45:49

was was erzeugt wird es muss also immer wieder erzeugt werden,

45:53

Aber das sind eben halt die beiden Wasserstoffvarianten, die dann,

45:56

wenn sie verschmolzen werden, dann kommt tatsächlich dann das Helium raus.

45:59

Wenn man das mit dem eigentlichen Wasserstoff macht, wie im Inneren der Sonne,

46:04

dann braucht man einen mehrstufigen Prozess dafür.

46:06

Das ist der sogenannte Proton-Proton-Zyklus, da gibt es noch mehrere Zwischenschritte

46:10

und am Ende kommt trotzdem Helium raus.

46:12

Aber direkt aus zwei Protonen macht man kein Helium. Deshalb muss ich da intervenieren.

46:18 tim-pritlove

Ja, ist ja in Ordnung. Das heißt, was wird jetzt sozusagen zum Plasma gebracht?

46:28

Das ist aber erstmal normaler Wasserstoff.

46:30 thomas-klingner

Richtig. Aus dem Betrieb von normalem Wasserstoff kann man einfach fast alles schon lernen.

46:36

Denn wir machen hier keine Fusionsforschung mit dem Fusionsprozess.

46:40

Der ist gut bekannt. Da gibt es nicht viel zu erforschen. Der ist tabelliert.

46:43

Kennt man alles. Da brauchen wir nichts rausfinden. Wir brauchen hier nicht

46:47

zum x-ten Mal Deutem und Tritium aufeinander zu schießen, um das zu fusionieren.

46:55

Also das ist alles schon gemacht, ist abgehakt.

46:57

Sondern das, was schwierig ist, ist der Plasmazustand. Also die Beherrschung

47:02

des Plasmazustandes und um auf das Gesagte zurückzukommen,

47:06

die Kunst der Wärmeisolation, also wie man das Magnetfeld so einrichtet,

47:12

dass man das Plasma überhaupt heiß bekommt in einer unserer kalten Umgebung.

47:17

Dieses dünne Gas, dass man das so heiß bekommt, das ist die Kunst.

47:20

Und das kann man super mit normalen Wasserstoff machen.

47:23

Da braucht man kein Deuterium, da braucht man kein Tritium dazu.

47:27

Ganz subtil, später gibt es dann schon wieder Unterschiede. Da reden wir dann vom Isotopeneffekt.

47:33

Aber ein Schritt nach dem anderen. Also wenn man die ganze Übung mit Wasserstoff

47:39

gemacht hat und wenn man das gut im Griff hat,

47:42

Das ist auch auf unserem Plan und dafür ist die Maschine auch gebaut.

47:45

Dann werden wir das Gleiche nochmal mit Deuterium machen, um zu sehen,

47:50

was sind denn tatsächlich die feinen Unterschiede. Aber es sind feine Unterschiede.

47:53

Der Teufel steckt immer im Detail, aber es ist der Schritt zwei.

47:56 tim-pritlove

Genau, wir sind ja noch mitten in der Entwicklung und es gibt sozusagen das Fernziel,

48:02

die Fusion tatsächlich durchzuführen, dann eben entsprechend aus der daraus

48:07

erzeugten Wärme dann andere Energieformen daraus zu erzeugen,

48:13

mit Turbinen oder was auch immer.

48:15

Aber wir befinden uns noch auf dem Weg dahin und derzeit befinden wir uns an

48:21

der Stelle, wenn ich es richtig verstanden habe,

48:23

alles herauszufinden, was eben erstmal diesen definierten Zustand des Plasmas

48:29

erreichen und erhalten kann, um dann, wenn man sich sicher ist,

48:35

dass das funktioniert, den nächsten Schritt gehen zu können.

48:37 thomas-klingner

Genau, wir müssen erstmal,

48:41

den Materiezustand schaffen. Stabil.

48:46

Wir müssen es schaffen, den stabil herzustellen, unter dem Fusion effizient stattfindet.

48:55

Denn wie ich sagte, ein bisschen Fusion passiert immer, aber man muss den Materiezustand

49:00

so hinbekommen, dass möglichst viel Fusion passiert. Das ist das Ziel.

49:04

Etwas Fusion ist einfach, viel Fusion ist schwierig.

49:08

Für viel Fusion braucht man ganz genau definierte Parameter,

49:12

die zu diesem Materiezustand gehören. Also allem voran die Teilchendichte,

49:16

Teilchen pro Kubikmeter und die Temperatur.

49:19

Und dann die Kunst, das in einer kalten Umgebung unserer Welt herzustellen,

49:25

stabil, zuverlässig, kontrolliert.

49:30 tim-pritlove

Dann kommen wir noch mal auf das konkrete Design des Stellarator Maschine.

49:36

Ich habe mir das auch gerade mal angeschaut, sehr beeindruckende Technikinstallation.

49:41

Glaube ich, fast eine der größten Maschinen, die es vielleicht gibt, oder?

49:47 thomas-klingner

Das ist eine der zehn großen auf der Welt, ja.

49:50 tim-pritlove

Ein fetter Apparat mit 16 Metern Durchmesser hat man also diesen Ring und um

50:00

dieses Magnetfeld zu erzeugen,

50:04

in dem das Plasma dann vorgehalten werden soll oder auch wird schon,

50:10

ist also dieser große Torus, den man jetzt gebaut hat, umgeben von mehreren dieser Magnetspulen.

50:19

Die aber, um dann diese Verschlingung sozusagen zu erzeugen,

50:25

also diese Ungleichmäßigkeit zu erzeugen, auch selber ungleichmäßig geformt und angeordnet sind.

50:34 thomas-klingner

Ja, die ganze Kunst steckt in den Magneten drin. Denn die Ausführung der Magneten,

50:40

die Geometrie dieser Elektromagnete bestimmt die Geometrie des Magnetfeldes.

50:45

Und das musste man auch bitter lernen in der Physik, dass es auf die Geometrie

50:51

des Magnetfeldes wirklich ankommt.

50:53

Also in den Frühzeiten dieser Stellarator-Konfiguration, dieser Stellarator-Maschinen,

50:58

hat man das ein bisschen ad hoc gemacht.

51:00

Das heißt, man hat einfach ein ringförmiges, torusförmiges Magnetfeld.

51:05

Erzeugt so erstmal als basis genommen

51:08

und dann ja jetzt müssen wir diese verdrillung noch machen und

51:11

hat man einfach so eine helix reingepackt nicht oder eine doppel

51:14

helix und der helischen sachen hat man reingepackt das war einfach dafür gab

51:17

es keinen physikgrund sondern müssen es irgendwie verdrehen das war so im prinzip

51:22

diese der der ansatz schon ein bisschen intelligenter aber eigentlich ein bisschen

51:26

schuss ins blaue und das war eher eine enttäuschung also das heißt da war die

51:32

Wärmeisolation wirklich schlecht,

51:34

also viel schlechter als bei dem Tokamak-Prinzip, wo man sich immer so vergleichen durfte,

51:40

weil die sehr ähnlich sind, macht man natürlich den direkten Nachbarn zum Vergleich, guckt darüber.

51:46

Und beim Tokamak hat man einfach viel bessere Wärmeisolationen beobachtet und

51:49

damit viel höhere Temperaturen und hat sich also diesem Ziel,

51:53

dieser 100 Millionen Grad, dieser berühmten schon viel stärker angenähert und

51:58

damit war es erstmal eine Enttäuschung.

52:00

Und diese Enttäuschung saß tief, die saß so tief, dass viele Labors auf der

52:04

Welt gesagt haben, aus irgendwelchen Gründen ist das Mist, wir haben es nicht

52:07

verstanden warum, aber wir lassen das mal.

52:11

Und haben sich einfach auf den Gewinner Pfad begeben und Tokamaks gebaut,

52:16

weil der einfach auch gut lief.

52:19

Und dann sagen, warum sollen wir jetzt unsere Arbeitskraft verbrennen an irgendetwas,

52:24

was nicht ordentlich läuft.

52:27

Eigentlich sind so zwei große Gruppen am Ball geblieben.

52:30

Es gab noch ein paar andere, die auch mitbetrieben haben, aber zwei große Gruppen.

52:37

Das ist ein großes Institut in Japan und halt unser Institut.

52:44

Und bei uns wurde so ein bisschen grüblerisch sich auch die Frage gestellt,

52:50

woran liegt das eigentlich?

52:52

Und da ist eine ganze Forschergeneration reingegangen in dieses drüber brüten

52:56

und dieses Nachschöpfen, was eigentlich die Gründe für diese Enttäuschung sind.

53:02

Also warum ist der Stellerator schlecht? Das war die entscheidende Frage.

53:06

Und das ist so Schritt für Schritt gelungen, das so zu verstehen,

53:10

also was wirklich mit diesen individuellen Teilchen passiert,

53:13

also warum die entkommen können.

53:15

Denn jeder Wärmeverlust ist am Ende ein Entkommen.

53:18

Das Transport, wir nennen das dann ja Physiktransport.

53:21

Woher kommen diese Transportprozesse?

53:23

Wenn man es dann verstanden hat, dann ist der nächste Schritt,

53:26

dass man sich überlegen kann, wie kann man das heilen.

53:30

Und dann ist so Schritt für Schritt sind diese ganzen Nachteile,

53:32

die der Stellarator einfach bei dieser Ad-Hoc-Magnetfeldkonfiguration hat,

53:36

sind geheilt worden, indem man das Magnetfeld in seiner Form angepasst hat.

53:42

Das heißt also, die Krümmung der Magnetfeldlinien, auch wie dicht die liegen,

53:47

also die Stärke des Magnetfeldes, wie die Stärke variieren muss,

53:50

Das hat man dann immer mithilfe von numerischen Codes immer weiter so justiert,

53:54

dass es zu dem Plasma passte,

53:57

dass also dieser Transport verringert wurde.

54:00

Und wenn man dann die Geometrie hat, dann rechnet man rückwärts die Spulen aus.

54:05

Also das heißt, die Spulen, die sehen ein bisschen merkwürdig aus,

54:08

wenn man die jetzt so anguckt, so im Bild anschaut, aber die sind genau so,

54:12

wie die Physik sie haben will.

54:14 tim-pritlove

Sie sehen so ein bisschen aus wie so verbogene Karabinerhaken.

54:17 thomas-klingner

Ja, ich würde manchmal gefragt, ob die vom Laster gefallen sind oder ob da noch

54:20

jemand dann dreimal rübergefahren ist, aber nein, das ist die natürlichste Form,

54:24

also wirklich eine evolutionäre Form.

54:26 tim-pritlove

Ja, also eine Form, die, wenn man sie halt jetzt um diesen Torus herum arrangiert,

54:33

diese Verdrehung des Magnetfelds im Prinzip so nachbildet, also man hat es quasi

54:38

mathematisch vom Ziel her in die Form zurückgerechnet, wenn ich es richtig verstehe.

54:45

Und diese Magnetfelder müssen aber auch extrem stark sein, damit sie halt bis

54:51

in die Mitte reinwirken.

54:54 thomas-klingner

Nein, das geht gar nicht um das bis in die Mitte reinwirken.

54:57

Also in der Tat ist das Magnetfeld auf der Spule stärker als im Zentrum.

55:01

Also das heißt, da hat man schon auch eine Variation von dem Ausgangspunkt des

55:06

Magnetfeldes zu dem Ort, wo das Plasma dann auch so sitzt oder den größeren

55:09

Teil des Volumens, wo es sitzt.

55:10

Aber man muss das Magnetfeld insgesamt einfach stark genug machen,

55:16

dass die geladenen Teilchen wirklich effizient an die Magnetfeldlinien gebunden sind.

55:28

Denn das Magnetfeld wäre das geringer, wäre diese Bindung an die Magnetfeldlinien

55:34

schwächer, so kann man sich das vorstellen.

55:37

Und auch das geht wieder auf Kosten der Wärmeisolation.

55:40

Also die Wärmeisolation wird besser und wird systematisch besser mit höherem Magnetfeld.

55:47 tim-pritlove

Also müssen die Magnetfelder stark sein?

55:49 thomas-klingner

Also müssen sie stark sein, weil es geht alles um die möglichst hohe Wärmeisolation,

55:54

die alleine dem Zweck dient, dass man die Temperaturen erreichen kann,

55:58

die man braucht, damit Fusion effizient stattfindet.

56:01 tim-pritlove

Aber wenn man jetzt ein starkes Magnetfeld braucht, muss man wiederum sehr viel

56:04

Energie in diese Spulen reinschicken, die ja dann wahrscheinlich auch wiederum ziemlich warm werden.

56:11 thomas-klingner

Ja, und das ist ganz blöd. Also da kommt man recht...

56:15

Relativ schnell zum Schluss, dass man mehr Energie für die Spulen braucht,

56:18

als man jemals rausbekommen würde. Und da ist es wieder nichts,

56:20

was man gebrauchen kann.

56:24

Weshalb der vernünftige Weg ist, und das ist eigentlich banal dieser Weg,

56:29

ist, dass man den wohlbekannten Effekt der Superleitung nimmt.

56:34

Superleitung ist ja nun auch schon ein uraltes Phänomen der Physik.

56:38

Also schon ein bisschen her, dass wir es 100 Jahre gefeiert haben.

56:41

Es gibt eben Materialien, Legierungen vor allem, metallische Legierungen,

56:46

aber inzwischen auch keramische Materialien, die unter kalten Bedingungen supraleitend werden.

56:52

Das heißt also einen elektrischen Strom völlig ohne Widerstand leiten.

56:56

Und eine supraleitende Spule, also ein Elektromagnet, ein supraleitender Elektromagnet,

57:02

funktioniert am Ende so, dass man den Strom dort hineinschickt und der fließt

57:07

ohne elektrischen Widerstand.

57:08

Das heißt, er fließt, bis man ihn wieder rausnimmt.

57:11

Damit ist dieser Magnet am Ende nicht unterscheidbar von einem Permanentmagneten.

57:15

Er sitzt dort und erzeugt einfach das Magnetfeld und erzeugt weder Wärme noch

57:20

Braucherenergie, weil der Strom ohne elektrischen Widerstand fließt.

57:26

Und ein Magnet braucht ja nur dann Energie, wenn der elektrische Strom in Wärme

57:30

umgewandelt wird, die auch lästig ist, die man abführen muss,

57:33

die man auch gar nicht haben wollte.

57:35

Also insofern der Weg zu gehen ist Supraleitung. Und unsere Magnete,

57:39

also unsere 70 Magnete, sind alle Supraleiten.

57:42

Das superleitende Material ist ein alter Klassiker, einer der ältesten Supraleiter,

57:47

die so der technischen Verwendung sind, Niob-Titan.

57:50

Und Niob-Titan ist bei minus 270 Grad Celsius, also bei 3 Kelvin,

57:55

sehr zuverlässig Supraleitend.

57:59 tim-pritlove

Das ist ja dann ganz einfach. Da muss man ja nur auf drei Kelvin runterkühlen,

58:07

während man ein paar Meter entfernt davon ein Plasma extrem heiß haben möchte.

58:14 thomas-klingner

Das ist nicht das Problem. Denn die Spulen sehen das Plasma ja gar nicht.

58:19

Die wissen gar nicht, dass da ein Plasma ist. Das ist den Spulen auch völlig egal.

58:23

Das ist erstens ganz wenig Materie, zweitens ist die ewig weit weg.

58:28

Die ist ja auch sogar richtig physisch abgetrennt durch das Vakuumgefäß.

58:31

Das Plasma wohnt ja in einem Stahlgefäß, was zunächst evakuiert wird,

58:35

sonst könnte man ja gar nicht so ein dünnes Gas dort drin einleiten und betreiben.

58:38 tim-pritlove

Also die anderen Gase müssen sozusagen weg sein.

58:41 thomas-klingner

Also man erzeugt erstmal ein Ultrahochvakuum, also quasi ein Nix.

58:44

Und dort leitet man dieses hunderttausendfach verdünnte Wasserstoffgas ein.

58:49

Und dieses Gefäß, also die Magnete befinden sich außerhalb dieses Gefäßes.

58:55

Das heißt also aus der Magnetperspektive, wenn ich jetzt so ein Magnet wäre,

58:59

keine Ahnung, was in mir da passiert, ist mir auch egal. Ich erzeuge mein Magnetfeld.

59:05

Also das heißt, den Magneten ist das Plasma völlig egal.

59:10

Allemal in erster und zweiter Ordnung.

59:13 tim-pritlove

Trotzdem muss man ja irgendwie noch mal die Wärme auch in dieses Plasma hineinbekommen,

59:17

weil sonst wird es ja nicht heiß.

59:18 thomas-klingner

Also komplett entkoppelt voneinander. Das hat nichts mit den Magneten zu tun.

59:22

Also die Magnete müssen auf minus 270 Grad runtergekühlt werden und es ist trotzdem

59:27

nicht einfach, aber es hat nichts mit dem Plasma zu tun, sondern es hat damit zu tun,

59:32

dass unsere Welt, unsere Umgebung nicht bei minus 270 Grad ist,

59:35

sondern dass wir unsere Raumtemperatur 20, 30 Grad haben, so rundherum.

59:40

Das heißt also, wir müssen von unserer Raumtemperatur auf diese minus 270 Grad

59:43

runterkommen und wir müssen dann eben sehr scharf unterscheiden zwischen der

59:47

warmen Welt, das ist einfach unsere Welt, nicht die Welt des Plasmas,

59:50

sondern die menschliche Welt, das ist die warme Welt und die kalte Welt,

59:54

das ist die Welt der Spulen.

59:56

Deswegen befinden sich diese Spulen wiederum in einem Vakuum,

1:00:02

was wir zwischen dem Plasmagefäß und dem Außengefäß aufbauen.

1:00:08

Damit sind die wiederum wärmeisoliert. Wenn man in einem Vakuum drin sitzt,

1:00:13

da hat man keine Wärmeverbindung zu unserer warmen Welt, zu unserer menschlichen warmen Welt.

1:00:17

Das heißt, das muss man auch erstmal wieder entkoppeln, also nochmal in Isolationsaufgabe, aber anders.

1:00:22

Und zweitens müssen die Magnete natürlich aktiv gekühlt werden.

1:00:25

Denn zunächst beginnen die mit Raumtemperatur.

1:00:27

Also wenn die so einfach da stehen, jetzt, wo sie das Ding besucht haben,

1:00:31

haben die Raumtemperatur.

1:00:34

Und dann dafür benutzt man einen Kühlschrank. Was also nicht anders ist als

1:00:39

das raumwarme Bier, was man eben halt gerne etwas kälter haben würde.

1:00:44

Dafür benutzt man auch einen Kühlschrank. Nur ist unser Kühlschrank ein bisschen größer.

1:00:49

Das Kühlmittel ist flüssiges Helium.

1:00:52

Also Heliumgas, was dann eben in den flüssigen Zustand gebracht wird.

1:00:56

Und flüssiges Helium ist so in diesem Bereich von minus 72 Grad,

1:01:00

3 Kelvin, da kann man das ganz gut so betreiben.

1:01:03

Und wir beginnen also mit Heliumgas und nach dem alten Kühlschrankprinzip,

1:01:09

das heißt also diesem Expansions- und Verdichtungsprinzip, wie im Kühlschrank

1:01:13

halt so funktioniert, wird dieses Heliumgas dann immer weiter runtergekühlt, bis es flüssig wird.

1:01:18

Und dieses flüssige Helium zirkuliert dann in den Spulen und kühlt die Spulen

1:01:21

auf die niedrige Temperatur, auf diese Minus 270 Grad ab, die erforderlich sind,

1:01:26

damit die Spulen superleitend sind. Sonst ist Niob Titan nicht superleitend.

1:01:31

Das ist im ganzen Gegenteil, ein ganz schrecklich schlechter Leiter.

1:01:36 tim-pritlove

Wie lange dauert das, bis man das so kalt kriegt bei diesem Riesenapparat?

1:01:40

Ich meine, es ist ja eine ganze Menge Zeug.

1:01:42 thomas-klingner

Wenn alles gut geht, vier bis sechs Wochen.

1:01:45 tim-pritlove

Vier bis sechs Wochen.

1:01:46 thomas-klingner

Na gut, das sind 430 Tonnen,

1:01:51

Material, die runtergekühlt werden müssen von Raumtemperatur auf minus 270 Grad, das dauert halt.

1:01:56 tim-pritlove

Ja okay, nur dass man sich das mal vorstellt, das ist jetzt nicht so eine Maschine,

1:02:00

die man so einschaltet wie einen Kühlschrank, nach einer halben Stunde passt das schon irgendwie,

1:02:04

sondern bei dieser Dimension und dieser Menge an Material, die hier zum Einsatz

1:02:08

kommt, ist das ein Prozess, den man mal nicht eben mal für den Tag einschaltet,

1:02:13

sondern das ist eher so eine Phase.

1:02:14

Also wenn man hier beschließt, wir wollen das Ding jetzt mal wirklich auch wieder

1:02:18

in Betrieb nehmen und real Experimente durchführen und den ganzen Prozess überwachen,

1:02:22

ist das so ein längerer Zeitraum, um das überhaupt erstmal zu erreichen.

1:02:30

Allein schon nur, um diese Spulen runter zu kühlen, ist vielleicht noch nicht mal das Einzige.

1:02:34 thomas-klingner

Das ist nicht das Einzige. Insgesamt brauchen wir sowas wie fünf Monate,

1:02:38

um die Maschine betriebsbereit zu machen, wenn man alles zusammenrechnet.

1:02:43

Aber das Abkühlen ist ein großer Prozess, weil der ist einfach auch gegeben

1:02:47

durch die schiere Masse.

1:02:48

Die schiere Masse, die runter zu kühlen ist und die Kühlkapazität unseres Kühlschranks.

1:02:54

Der Kühlschrank hat auch schon eine satte elektrische Anschlussleistung von

1:02:58

so etwa zwei Megawatt, die dann eben halt auch Tag und Nacht verbraucht werden.

1:03:03

Also die Stromrechnung ist auch nicht ganz ohne.

1:03:06 tim-pritlove

Ja, also derzeit macht man hier noch keinen Energiegewinn. Gehen wir vielleicht

1:03:10

auch mal diesen Prozess durch, weil ich finde das glaube ich ganz interessant.

1:03:13

Daran kann man ja dann auch sehen, was letzten Endes jetzt wirklich passiert.

1:03:16

Also sagen wir mal jetzt, morgen geht es los,

1:03:20

alle Vorbereitungen sind abgeschlossen, alle Warnsignale sind ausgeschaltet,

1:03:27

jetzt schaltet man erstmal sozusagen den Kühlschrank ein und sorgt dafür,

1:03:34

also wahrscheinlich wird erstmal das Vakuum hergestellt, also sowohl innerhalb des Vakuumes,

1:03:42

Ich weiß nicht, wie nennt man den Bereich? Plasma-Rohrs? Kann man das so nennen? Wie heißt das?

1:03:47 thomas-klingner

Wir reden von Plasmagefäß.

1:03:49 tim-pritlove

Plasmagefäß, okay. Also erstmal das Vakuum für das Plasmagefäß,

1:03:53

das Vakuum für die es umgebenden Spulen und der Kühlschrank sorgt dafür,

1:03:59

dass die Spulen runtergekühlt werden und das läuft dann eben über mehrere Wochen.

1:04:05

Was für andere Prozesse müssen noch gestartet werden, um letzten Endes eine

1:04:10

Betriebsbereitschaft herzustellen.

1:04:11 thomas-klingner

Ach, Sie haben es ja schon die Wesentlichen so genannt. Also es beginnt eben

1:04:15

erstmal mit dem Evakuieren, also mit dem Herstellen von Vakuum,

1:04:18

von Plasmagefäß und dem Ausstieggefäß.

1:04:20 tim-pritlove

Das dauert wahrscheinlich auch eine Weile, ne?

1:04:22 thomas-klingner

Ja, so ein paar Tage dauert das auch, paar Tage pumpt man da schon,

1:04:26

wenn man keine Lacks hat.

1:04:27 tim-pritlove

Ja.

1:04:28 thomas-klingner

Also passiert, dass irgendwas schief geht, dass man, wir haben sehr viele Öffnungen,

1:04:32

wir haben 500 Öffnungen, da kann das schon in dem einen wie dem anderen Gefäß

1:04:36

schon mal passieren, dass man einen Vakuum-Lack hat und was man erstmal suchen

1:04:39

muss. und so eine Lecksuche kann auch schon durchaus dauern.

1:04:42

Aber wenn alles gut geht, dann ist man in so einer Woche etwa durch.

1:04:45

Und wenn diese Vakuumbedingungen hergestellt sind, dann kann man mit dem Abkühlen

1:04:50

beginnen. Wir sprachen über das Abkühlen.

1:04:52

Also das Abkühlen von Raumtemperatur auf minus 270 Grad von dem ganzen Magnetsystem

1:04:56

und auch den ganzen Stützstrukturen.

1:04:57

Die Magnete sind ja an Stahlstützstrukturen festgeschraubt.

1:05:01

Das ist eine massive Stahlkonstruktion.

1:05:04

Alles das muss runtergekühlt werden.

1:05:06

Wenn das passiert ist, müssen wir noch das Vakuum im Plasmagefäß verbessern.

1:05:13

Das reicht uns denn noch nicht, denn das stand jetzt ja diese Tage einfach so an der Luft.

1:05:20

Also Luftfeuchtigkeit und Menschen haben drin gearbeitet.

1:05:24

Also das heißt, es muss Schmutz raus, also auch Sauerstoff muss raus,

1:05:28

Wasser, was in der Wand ist.

1:05:30

Das heißt, wir heizen dieses Plasmagefäß aus auf 150 Grad.

1:05:36

Das wird mithilfe von heißem Wasser auf Kühlrohren, die auf das Gefäß raufgeschweißt

1:05:41

sind, wird das gesamte Gefäß auf 150 Grad ausgeheizt.

1:05:45

Und damit treiben wir das Wasser aus der Wand raus und pumpen es mit unseren Turbopumpen ab.

1:05:49 tim-pritlove

Wird sozusagen ausgebrannt.

1:05:52 thomas-klingner

Ja, es wird einfach gebacken. Also dieses Plasma-Gefäß wird einmal moderat gebacken.

1:05:59

Und wenn das abgeschlossen ist, dann ist das Vakuum gut.

1:06:04

Und dann, beziehungsweise auch schon parallel dazu, werden zahllose Tests durchgeführt.

1:06:08

Und die Magnete werden alle nochmal einzeln durchgetestet, ob sie sich in einem

1:06:13

elektrotechnisch guten Zustand befinden.

1:06:16

Denn man schaltet das nicht einfach ein wie eine Nachttischlampe.

1:06:18

Dafür sind die einfach doch zu wertvoll und nicht zu empfindlich.

1:06:23

Aber da darf nichts schief gehen.

1:06:24

Also Reparaturen an den Magneten, das ist etwas, was man nicht gerne haben möchte.

1:06:28

Auch wegen der Zugänglichkeit und wegen der Folgen. Das dauert immer alles ewig.

1:06:34

Also das heißt, man muss sich sicher sein, dass alles in Ordnung ist.

1:06:36

Also ganze große Testsequenzen müssen durchgeführt werden, auch für den gesamten Steuersystem.

1:06:41

Am Ende summiert sich das ganz schön auf und dann kommen da eben halt diese fünf Monate daraus.

1:06:48 tim-pritlove

Und...

1:06:51

Und wenn dann dieser Zustand hergestellt ist, also Vakuum ist perfekt,

1:06:57

man nimmt keine Lecks wahr, man hat die entsprechende Temperatur der Spulen, was passiert dann?

1:07:05

Was ist das nächste, was man dann, dann kann man ja im Prinzip anfangen,

1:07:10

ein Gas einzuführen, leiten,

1:07:15

das dünne Gas, das Wasserstoff, zu ionisieren und dann schaltet man die Magnete

1:07:22

an und wodurch wird das Gas dann heiß?

1:07:26 thomas-klingner

Ja, erstmal ist die Sequenz andersrum, also man schaltet erstmal den Magnet an.

1:07:29 tim-pritlove

Okay, und dann das Gas, okay.

1:07:31 thomas-klingner

Weil die Magnete einfach auch so superleitende Magnete so angenehm sind.

1:07:36

Wie gesagt, das ist wie so ein Permanentmagnet. Die werden einfach morgens hochgefahren.

1:07:40

Da wird der Strom dort...

1:07:44

Quasi eingeleitet in diese Magnete. Das ist so zwischen 10.000 und 15.000 Ampere.

1:07:51

Das ist schon ordentlich Strom.

1:07:53

Und dann steht das Magnetfeld. Und dann leitet man Gas ein über ein Ventil.

1:08:01

Und gleichzeitig laufen wir die Pumpen. Die Turbopumpen und die Vorpumpen.

1:08:05

Das erzeugt dann erstmal so ein Gleichgewicht.

1:08:08 tim-pritlove

Also die Vakuumpumpen?

1:08:10 thomas-klingner

Ja, die Vakuumpumpen. Die pumpen die ganze Zeit. Es ist nicht so,

1:08:12

dass man die nach ausschaltet und man tut Gas rein, das wird auch manchmal so

1:08:16

vermutet, sondern es ist einfach ein fester Zyklus.

1:08:18

Das heißt, man hat eingeleitetes Gas und es wird permanent gepumpt und als Folge

1:08:23

ergibt es dann einen Gasdruck aus diesem Gleichgewicht aus Einleitung und Abpumpen.

1:08:29

Und dieses eingeleitete Gas, das wird dann in den Plasmazustand versetzt,

1:08:36

also wird dann ionisiert und da gibt es mehrere Möglichkeiten.

1:08:42

Diese Möglichkeiten, die heißen alle Plasmaheizung, das sind Plasmaheizmethoden.

1:08:47

Heizung heißen die, weil einfach Energie von außen in dieses Gas eingebracht

1:08:51

wird. Das Gas wird also in dem Sinne aufgeheizt, es wird Energie reingebracht.

1:08:56

Eines unserer wichtigsten Verfahren basiert auf Mikrowellen es werden also Mikrowellen

1:09:04

erzeugt im Prinzip wie die Küchenmikrowelle mit Mikrowellenröhren sehr große Mikrowellenröhren,

1:09:11

Diese Mikrowellen, die heizen erstmal Elektronen,

1:09:17

das heißt so ein klein bisschen ist dieses Gas immer ionisiert,

1:09:22

das heißt ein paar Elektronen findet man immer, die sitzen in diesem Magnetfeld,

1:09:27

durch ihre Wechselwirkung mit dem Magnetfeld machen die Elektronen eine Spiralbewegung

1:09:32

um die Magnetfelderlinien herum.

1:09:34

An diese Spiralbewegung koppeln diese Mikrowellen direkt an.

1:09:39

Die haben selber ebenfalls eine Rotation eingeprägt und die koppeln direkt daran

1:09:43

an, machen denn diese Elektronen sehr heiß, sodass die Elektronen wiederum Stöße

1:09:48

machen mit neutralen Gasatomen und dann passiert so ein Lawineneffekt.

1:09:54

Und dieser Lewin-Effekt führt dazu, dass innerhalb von winzigen Bruchteilen

1:09:59

von Sekunden das ganze Plasma aufgebaut wird und dann ist das gesamte Gas ionisiert.

1:10:04

Dann hat man also keine neutralen Wasserstoffatome mehr im Zentrum des Plasmas,

1:10:09

sondern nur noch Protonen und Elektronen.

1:10:12 tim-pritlove

Und ist das jetzt schon die Zieltemperatur, die man haben will,

1:10:16

die ist dann sofort erreicht oder muss man da noch mit drauf haben?

1:10:19 thomas-klingner

Unter guten Bedingungen, also wenn man die günstigen Bedingungen hat,

1:10:22

ist sie dann innerhalb von Millisekunden erreicht.

1:10:24 tim-pritlove

Okay, also es ist mehr ein Einschalten.

1:10:26 thomas-klingner

Das ist tatsächlich ein Einschalten.

1:10:27 tim-pritlove

Das ist nicht nochmal vier Wochen warten. Das geht ganz schnell. Okay, gut.

1:10:31

Und dann glüht das Plasma und befindet sich jetzt quasi immer wieder bei einer Wurst.

1:10:38

Jetzt haben wir sozusagen die Plasmawurst in unserem Gefäß von dem Magnetfeld eingeschlossen.

1:10:45

Und da existiert das dann erstmal so vor sich hin.

1:10:48 thomas-klingner

Ja, dann sitzt das da.

1:10:49 tim-pritlove

Okay und das ist jetzt auch, sagen wir mal, erstmal das eigentliche Ziel derzeit

1:10:54

im Forschungsfortschritt,

1:10:57

das kontrolliert zu erreichen, aber das muss jetzt auch eine gewisse Qualität haben.

1:11:04

Also es reicht jetzt nicht einfach nur irgendwie Plasma, sondern es gibt ja

1:11:10

wahrscheinlich dann Qualitätskriterien,

1:11:12

die dieses Plasma erfüllen muss, damit es dann für einen später eingeleiteten

1:11:19

Fusionsprozess die idealen Bedingungen bereitstellt.

1:11:22

Wie beobachtet man jetzt dieses System weil,

1:11:29

also mit dem was wir bisher besprochen haben ist das ja alles eine Blackbox

1:11:33

aber abgesehen davon dass man jetzt Mikrowellenstrahlung dort,

1:11:37

einbringt man muss es ja auch in irgendeiner Form messen und mal wissen was

1:11:42

passiert jetzt eigentlich auch genau das was wir wollen wie beobachtet man das.

1:11:49 thomas-klingner

Ja, in der Tat brauchen wir jetzt ja die Kenngrößen. Und über einige Kenngrößen

1:11:53

haben wir ja schon gesprochen.

1:11:56

Die Teilchendichte, Anzahl der Teilchen pro Kubikmeter. Also das heißt,

1:11:59

man muss eine Dichtemessung machen.

1:12:01

Der zweite wichtige Parameter ist die Temperatur. Wie heiß ist das?

1:12:06

Also welche Temperatur äquivalent hat die Bewegung der Ionen und die Bewegung der Elektronen?

1:12:12

Beobachtung an beides, weil die auch miteinander verkoppelt sind.

1:12:14

Ich hatte ja schon erwähnt, dass wir die Elektronen heizen. die elektronen

1:12:19

ionisieren aber die elektronen geben auch wiederum energie

1:12:22

an die ionen weiter das ist alles miteinander verschränkt also

1:12:27

das steht im wärmekontakt miteinander das heißt wir heizen über die elektronen

1:12:31

die ionen wir haben auch andere heizmethoden wo die ionen direkt heizen und

1:12:35

dann kombinieren wir die auch zusammen so oder so man braucht also auf diese

1:12:38

beiden kenngrößen braucht man und man braucht die auch mit räumlicher auflösung

1:12:43

denn die sind nicht etwa konstant.

1:12:46

Sondern die ändern sich etwa, wenn man vom Zentrum raus geht.

1:12:49

Im Zentrum ist es am heißesten und eben halt auch am dichtesten.

1:12:53

Und dann fällt das zum Rand sowohl die Temperatur als auch die Teilchenzahl

1:12:57

ab. Wir nennen das denn Profile. Das sind Profildaten.

1:13:01

Also wie so ein Reifenprofil.

1:13:03

Kann man sich das vorstellen. Das ist eine Größe, die auch räumlich variiert.

1:13:09

Vor allem eben halt in der Richtung senkrecht zum Magnetfeld.

1:13:12

Also von innen nach außen. Das sind die Profildaten.

1:13:16

Da gibt es auch gewisse Variationen, die entlang des Torus sind,

1:13:19

die sind auch wichtig, aber das ist schon die höhere Kunst.

1:13:23

So oder so braucht man also räumliche Auflösung erstmal von diesen grundsätzlichen Kennedaten.

1:13:29

Ein weiterer Punkt, den man zur Beurteilung der Güte des Plasmas braucht,

1:13:35

ist die Güte des Wärmeeinschlusses.

1:13:38

Und dahinter steht folgende Logik. Man kann ein Plasma ja sehr heiß machen,

1:13:43

indem man es einfach sehr stark heizt.

1:13:47

Also mit endlos viel Energie heizt.

1:13:50

Also es ist einfach das mit Geld heiß machen. Man kauft einfach so viel Heizleistung,

1:13:55

wie die Kasse hergibt und dann kriegt man schon irgendwann ein heißes Plasma.

1:13:59

Das sagt aber nichts aus über die Güte der Wärmeisolation, auf der ich mal so

1:14:04

rumreite, also wie gut das Magnetfeld ist, wie gut der Einschluss ist.

1:14:08

Sondern die Kunst ist ja mit möglichst wenig Heizleistung eine hohe Plasmatemperatur zu erzeugen.

1:14:15

Und das ist die dritte große Kerngröße, das ist die sogenannte Energieeinschlusszeit.

1:14:21

Und das hört sich so ein bisschen seltsam an, warum man das in Zeit misst,

1:14:24

aber das ist eigentlich sehr anschaulich.

1:14:26

Man kann Wärmeisolation sehr

1:14:28

gut als Zeit charakterisieren. Und das kennt man sogar aus dem Alltag.

1:14:34

Wenn man in seinem Haus ist und die Heizung abschaltet.

1:14:39 tim-pritlove

Wie lange bleibt es warm?

1:14:40 thomas-klingner

Wie lange bleibt es warm? Und das ist bestimmt durch die Güte der Wärmeisolation.

1:14:44

Wenn Sie nur Einfachverglasung haben und dünne Wände, dann kühlt das viel schneller ab.

1:14:50

Das heißt also, eine lange Abkühlzeit ist ein Zeichen für eine gute Wärmeisolation.

1:14:57

Das gleiche gilt für die Plasmaphysik.

1:14:58

Diese Einschlusszeit soll so groß wie möglich sein.

1:15:02

Und da gibt es so gut wie möglich, also am besten unendlich lang,

1:15:08

dass wir die perfekte Wärmeisolation ist, die Wärme bleibt immer drin.

1:15:12

Das wäre so ein Extremfall. Aber da gibt es eben halt so Kennzahlen,

1:15:16

Erfahrungswerte, die man eben halt aus allen Maschinen der ganzen Welt zusammengesammelt

1:15:20

hat über die Jahrzehnte, sodass man so eine Orientierung hat,

1:15:23

was so der typische Korridor da ist, den man so erreichen kann und an dem reiben

1:15:27

sich alle. Aber im Prinzip gilt das Ziel so gut wie möglich.

1:15:30

Aber das, was so eben mit den technologisch realisierbaren Magneten heutzutage

1:15:34

und der Optimierung der Magnetfeldgeometrie möglich ist, das ist dann so die

1:15:38

Zielzahl, die man dort erreichen muss.

1:15:40

Da muss man so gut wie möglich, aber eben mehr ist dann auch nicht drin,

1:15:45

erreichen. also die Güte der Wärmeisolation, dann gibt es eben halt einen Korridor

1:15:49

für die Teilchendichte und es gibt einen Korridor für die Temperatur.

1:15:54

Und diese drei Größen muss man so zusammenbringen und das ist auch in ein konkretes

1:15:58

Kriterium hineingegossen, das sogenannte Lawson-Kriterium, wo man eine Grenze

1:16:02

überschreiten muss und dann wird Fusion effizient.

1:16:06

Dann wird die so effizient, dass man mehr Fusionsenergie, das ist dann so die

1:16:10

heilige Kurve, wo mehr Fusionsenergie rauskommt, als man reinsteckt,

1:16:15

da gibt es noch eine zweite heilige Kurve, da ist.

1:16:18

Die Energie, die im Plasma durch Fusion entsteht, hoch genug,

1:16:22

um das Plasma selber zu heizen.

1:16:24

Dann braucht man keine externe Heizung mehr und dann brennt es einfach vor sich

1:16:27

hin. Das ist dann das brennende Plasma.

1:16:30

Und diese beiden Punkte, die haben auch einen schönen Fachbegriff.

1:16:32

Das eine ist der Break-Even-Punkt, also der Durchbruchpunkt.

1:16:35

Genauso viel Energie wie rein wie raus.

1:16:37

Und das andere ist eben das Burning-Plasma, das brennende Plasma.

1:16:41

Und das kann man sich dann vorstellen wie so eine Gasflamme.

1:16:45

Wie eine chemische Flamme. brennt einfach. Muss man nichts mehr machen von außen.

1:16:50

Braucht kein Streichholz mehr. Brennt. Kerze brennt.

1:16:53 tim-pritlove

Und im Idealfall bedeutet das dann später, dass man eine fortlaufende,

1:16:59

Fusionstätigkeit angestoßen hat und dann kommt man einfach Wärme raus.

1:17:03 thomas-klingner

Da hat man einen Gasofen.

1:17:04 tim-pritlove

Genau. Weil durch diese Fusionsprozesse letzten Endes Elektronen freigesetzt werden, die,

1:17:12

quasi in der Außenwand aufgefangen werden und dann als Wärme abgenommen werden kann.

1:17:16 thomas-klingner

Nee, Elektronen werden da gar nicht aufgefangen.

1:17:18 tim-pritlove

Neutronen meinte ich.

1:17:19 thomas-klingner

Neutronen, ja. Ja,

1:17:23

aber die Neutronen, die entkommen ja gleich dem Volumen und gehen in die Wand

1:17:28

und erzeugen ja diese Wärmeauskopplung.

1:17:30

Das heißt, damit zapft man quasi dann dieses Plasma an, den Fusionsprozess an

1:17:34

nach außen und erzeugt damit einfach Wärme.

1:17:38

Das Aufrechterhalten der Plasmatemperatur passiert durch das andere Fusionsprodukt,

1:17:44

nämlich durch die Heliumkerne.

1:17:46

Die verbleiben ja da drin. Diese werden ja auch wieder vom Magnetfeld festgehalten

1:17:50

und haben aber auch Energie, haben einen Anteil Energie und diese Energie geben

1:17:55

sie an das Plasma wieder weiter.

1:17:56 tim-pritlove

Dadurch bleibt es heiß.

1:17:58 thomas-klingner

Es heizt sich selber.

1:18:00 tim-pritlove

Aber es heizt eben auch drumherum, sodass man eben dann auch den eigentlichen Effekt hat.

1:18:04 thomas-klingner

Das ist erstmal die Selbstheizung und das Drumherum geschieht durch die Neutronen,

1:18:08

durch die Auskopplung von den Neutronen. Das sind so zwei Zweige, die sich auftrennen.

1:18:13

Die Heliumkerne sind für die Heizung des Plasmas zuständig und die Neutronen

1:18:17

sind für die Heizung der Wand zuständig, was denn die für uns nutzbare Wärme ist.

1:18:21 tim-pritlove

Genau. Aber jetzt weiß ich immer noch nicht so richtig, wie schaut man rein?

1:18:25

Also wir haben diese ganzen Kennzahlen, die wir erreichen wollen.

1:18:27

Das ist ja, sagen wir mal, jetzt auch gerade der Fokus, wenn ich das richtig

1:18:30

verstanden habe, dass man also das jetzt optimieren will, also dem aktuellen

1:18:34

Stand der Forschung hier.

1:18:37

Wie beobachtet man diese Kennzahlen? Wie misst man die?

1:18:43 thomas-klingner

Da gibt es einen ganzen Strauß an Methoden.

1:18:48 tim-pritlove

Die ausprobiert werden oder die erforderlich sind?

1:18:51

Also benutzt man jetzt nur so viele Methoden wie möglich, um zu gucken,

1:18:54

was es am Ende braucht oder ist es jetzt schon klar, dass man sehr viele verschiedene braucht?

1:19:00 thomas-klingner

Sowohl als auch. Einerseits ist die Methodik der Plasmabeobachtung durchaus

1:19:06

ein Forschungsgebiet, was sich ständig in Entwicklung befindet,

1:19:11

wo man die Genauigkeit, aber auch die Auflösung sowohl im Raum wie auch in Zeit

1:19:18

immer wieder erhöht, die Aussagekraft erhöht.

1:19:21

Und weil es auch durchaus schwierige Techniken sind und schwierige Methoden

1:19:28

sind, physikalische Methoden sind, braucht man wiederum Redundanz.

1:19:34

Also das heißt, man beobachtet die eine Größe nicht nur mit einer Methode,

1:19:38

sondern auch gerne mal mit zwei oder mit drei verschiedenen Methoden,

1:19:42

um sicherzustellen, dass die übereinander liegen, dass die die gleiche Aussage machen.

1:19:47

Also nur dann kann man im strengen experimentalfysikalischen Sinne seinen Daten

1:19:53

auch wirklich trauen, wenn man mit völlig unterschiedlichen Methoden,

1:19:57

mit völlig unterschiedlichen Blickwinkeln zum gleichen Ergebnis kommt.

1:20:00

So streng ist ja Wissenschaft. Ähm,

1:20:03

multipliziert schon die Anzahl der Instrumente. Also dass man da einen mehrfachen

1:20:09

Blick auf die gleiche Größe nimmt.

1:20:12

Dann werden diese Methoden alle weiterentwickelt. Und da gibt es eben passive

1:20:15

Methoden, die einfach das Licht angucken, aus dem Licht selber Schlüsse ziehen.

1:20:19

Dann gibt es aktive Methoden, die mit starken Lasern arbeiten.

1:20:23

Dann etwa Streuung oder Interferometrie machen. Das heißt also Veränderung der

1:20:28

Wellenlänge des Laserlichtes.

1:20:30

Also wie gesagt, ein ganz breites Methodenspektrum, was man denn dort abdeckt.

1:20:34

Einige Methoden funktionieren nur am Rand, andere Methoden funktionieren nur

1:20:38

im Zentrum, andere Methoden funktionieren im Übergangsbereich.

1:20:42

Es gibt auch nicht one size fits all, nicht sozusagen die magische Plasma-Beobachtungsmethode,

1:20:48

die einem einfach alles liefert, was man wissen möchte, die gibt es nicht.

1:20:51

Sondern man muss da wirklich einen Indizienprozess führen, also ganz viele Puzzlesteine

1:20:56

zusammenfügen, die auch manchmal nicht so richtig zusammenpassen wollen,

1:20:59

weil es alles mit so ein bisschen schwammig, auch mit Unsicherheiten so versehen ist.

1:21:03

Und dann braucht man den Puzzlestein eben auch gleich mehrfach,

1:21:06

damit man da so sagen kann, okay, ist das jetzt wirklich der Richtige?

1:21:09

Und aus daraus ergibt sich so ein Gesamtbild.

1:21:12

Und dieses Gesamtbild, also dieses ganze Spektrum, was sich da aus dem Gesamtbild

1:21:17

ergibt, also das Methodenspektrum, das bezeichnen wir als Plasma-Diagnostik.

1:21:22

Das ist so ein bisschen so ein Eigenbegriff, der sich hier bei uns so etabliert hat.

1:21:27

Und er dann immer so ein bisschen wie an so einem patienten

1:21:30

der diagnostiziert wird mit ganz vielen

1:21:33

instrumenten von allen seiten wo versucht wird

1:21:36

herauszufinden wie es diesen patienten dann so geht also das heißt die vielfachheit

1:21:40

der methode und die jeweilige spezialisierung der methode auf bestimmte bereiche

1:21:47

oder bestimmte fragestellungen ist ganz ganz essentiell um ein gesamtbild dafür

1:21:51

zu geben und die sache wird dann besonders.

1:21:55

Ja, besonders delikat, wenn man dann noch den Zeitaspekt reinbringt.

1:22:00

Denn das musste man auch erstmal lernen, dass dieses Gas gar nicht mal so friedlich

1:22:05

ist, also einfach nicht so als Gas dort fröhlich sitzt und nichts macht,

1:22:08

sondern dass es ein hochdynamischer Prozess ist.

1:22:11

Dadurch, dass es ein geladenes Gas ist, was einem Magnetfeld ausgesetzt ist,

1:22:16

ist dieses geladene Gas auch in der Lage, elektrische Felder zu bilden.

1:22:19

Also kleine Abweichungen zwischen der Dichte der Elektronen und der Ionen erzeugt

1:22:24

sofort starke elektrische Felder.

1:22:26

Und die in Kombination mit den magnetischen Feldern, und diese elektrischen

1:22:29

Felder können sich nur für kurze Zeit bilden, erzeugt etwas,

1:22:32

was wir als Dynamiken bezeichnen.

1:22:34

Das heißt, es wird ein dynamisches System, es beginnt sich räumlich und zeitlich zu entwickeln.

1:22:40

Und zwar auf Skalen, die können von Millimeter reichen bis Meter reichen,

1:22:44

also alles mögliche passiert da.

1:22:47

Und die Königsdisziplin da drin ist dann die Plasmaturbulenz,

1:22:51

auch das musste man mühsam lernen, dass dieses Plasma sogar sich wie ein turbulentes

1:22:57

Medium entwickelt, wie wir es etwa vom Wetter her kennen.

1:23:00

Also wenn wir draußen einen schönen Nordoststurm haben und hier Bäume und,

1:23:06

Menschen durchgeschüttelt werden, dann merkt man diese Turbulenz dieses Gases

1:23:10

und ein Plasma ist am Ende genauso ein turbulentes Gas.

1:23:14

Das kann Wirbel bilden, das kann starke Strömungen bilden, die mal von links,

1:23:19

mal von rechts kommen, die manchmal aufweilen, dann wieder verschwinden,

1:23:22

die also eine starke zeitliche Entwicklung haben, die aber auch eine räumliche

1:23:25

Komponente hat, eine stark ausgeprägte räumliche Komponente.

1:23:29

Und auch das muss man alles durch seine Instrumente abdecken.

1:23:32

Nämlich erst mit diesem dynamischen Bild, also das Plasma als dynamisches Phänomen,

1:23:38

hat man tatsächlich die ganze Geschichte.

1:23:40

Und da kommt dann auch wieder die Kunst rein, die zu verfolgen ist,

1:23:44

nämlich dieses Plasma tatsächlich und die Dynamiken dieses Plasmas unter Kontrolle

1:23:49

zu haben, so dass man einen kontrollierten Zustand herstellt,

1:23:52

also einen möglichst ruhigen Zustand herstellt.

1:23:55 tim-pritlove

Sprech, das System muss adaptiv funktionieren, all diese Messungen in Echtzeit

1:23:59

das Plasma beobachten und daraus wiederum Schlüsse zu ziehen,

1:24:03

wie man hier nachregelt.

1:24:06

Was lässt sich derzeit nachregeln? Was kann man beeinflussen,

1:24:10

wenn man jetzt sieht, hier haben wir Turbulenzen,

1:24:12

hier kippen mir die Magnetfelder ein bisschen zu sehr ab, ist die Temperatur

1:24:19

nicht stabil, was auch immer gemessen wird.

1:24:21

Was kann man in dem Moment denn

1:24:23

tun, um dieses Plasma wieder sozusagen in Reihe und Glied zu bekommen?

1:24:29 thomas-klingner

Da gibt es an sich drei Schritte oder drei Ebenen. Das eine ist einfach Vermeidung.

1:24:38

Also das hat ja allerlei Möglichkeiten, ein solches Plasma zu erzeugen unter

1:24:42

verschiedenen Betriebsparametern.

1:24:44

Dann hat man etwa den Gasdruck, mit dem man das Gas reinfüllt,

1:24:47

die Heizleistung, wo man die Heizleistung genau hinbringt und und und.

1:24:51

Also das heißt, im Prinzip macht man ja am Anfang so eine Art Setup,

1:24:54

mit dem man ein Plasma erzeugt und da gibt es eben halt solche Setups,

1:24:58

solche Betriebsszenarien, so nennen wir die,

1:25:01

wo man dann feststellt, das hat man halt über sehr unruhige Bedingungen,

1:25:05

hat man sozusagen schlechtes Wetter.

1:25:08

Und dann kann man sich auch überlegen, nee, da gehe ich lieber nicht mehr hin.

1:25:12 tim-pritlove

Also erstmal alles richtig machen.

1:25:13 thomas-klingner

Also vermeiden. Das heißt, man tastet so den gesamten Operationsraum mal ab,

1:25:19

wo sind eigentlich die guten Ecken.

1:25:21

Und die sind auch nicht so Gott gegeben, die liegen nicht so auf dem Tisch,

1:25:28

dass man die schon vorher weiß. So ist das nicht.

1:25:31

Aus guter Theorie hat man Vorhersagen. Die sagen, ja, da wird es wackelig, da ist es stabiler.

1:25:38

Das stimmt sehr oft, trotzdem muss man das alles abtasten danach.

1:25:43

Und das heißt, das ist im Prinzip dann so die Vermeidung von Ärger.

1:25:46

Das ist die allerniedrigste Ebene.

1:25:49

Aber auch schon sehr wichtig, dass man ein Operationsregime rausfindet,

1:25:53

wo man sagt, okay, also bei dem Magnetfeld, bei der Heizleistung,

1:25:56

wenn ich das so mache und so mache, dann wird es gut.

1:26:01

Und das ist auch Fleißarbeit, da den Operationsraum zu durchmustern.

1:26:06

Man muss eben sehr gut beobachten. und das mit Theorie und Simulation immer

1:26:10

wieder auch abchecken, ob man das dann auch so verstanden hat,

1:26:13

warum das so ist, weil ansonsten kann das durchaus auch eine Fehlinformation sein.

1:26:17

So, wenn man sich jetzt in etwa instabile Regime begeben muss,

1:26:22

weil die andere günstige Bedingungen oder günstige Eigenschaften haben,

1:26:28

sagt, naja, nehmen wir mal so als Beispiel, da habe ich besonders hohe Temperaturen.

1:26:33

Aber das ist nicht so furchtbar stabil. Dann fängt man an, mit Regelungsmethoden da etwas zu machen.

1:26:41

Und da gibt es eben das Feed-Forward und das Feedback.

1:26:44

Feed-Forward ist, dass man irgendeinen Aktuator hat, also irgendeinen Einfluss

1:26:48

nehmen kann, der dann diese Instabilität stabil macht, der das so ausregelt.

1:26:54

Dass man sozusagen wirklich aktiv einfach steuert.

1:26:58

Wenn ich dabei so selber so sage.

1:27:00 tim-pritlove

Vorausschauen, sodass man gar nicht erst in die kritischen Bereiche.

1:27:04 thomas-klingner

Ja, oder dass man es ausgedämpft kriegt, dass man es dann so unter Kontrolle

1:27:07

kriegt, dass man dagegen steuert. Das ist so feedforward.

1:27:10

Man regelt dagegen, aber so nicht aktiv nach vorne, weil man weiß, was man tut.

1:27:16 tim-pritlove

Womit kann man dann regeln? Also

1:27:17

was könnte das für ein, das ist jetzt der Gaszufluss oder Wärmezufluss?

1:27:23 thomas-klingner

Das ist zum Beispiel eine Regelgröße. Man kann auch gezielt geringe Mengen von,

1:27:32

Nichtwasserstoffgasen einleiten.

1:27:33

Das ist ganz schick. Damit kann man so Strahlung erzeugen, also elektromagnetische

1:27:39

Strahlung, Licht kann man damit so ganz gezielt in bestimmten Bereichen erzeugen,

1:27:42

die dann das Plasma sozusagen beruhigen oder die Prozesse am Rand dann eben halt beruhigen.

1:27:49

Nicht nur damit es gut aussieht, sondern damit man etwa unerwünschte Wandbelastungen reduzieren kann.

1:27:55

Das ist etwa so eine ganz wichtige Regelgröße, die haben wir jetzt gerade ganz

1:27:58

gut in den Griff bekommen, solchen Strahlungsgürtel so mit einem Fremdgas zu

1:28:02

erzeugen, sodass uns die Wand nicht so heiß wird.

1:28:05

Das ist auch so ein Ding, so eine Art Instabilität, da hat man plötzlich einfach Überhitzung der Wand.

1:28:10

Mist, dann kann man das so natürlich nicht betreiben, aber wenn man diesen Strahlungsgürtel

1:28:13

erzeugt, dann kann man das so betreiben.

1:28:15

Dann bildet die Heizung selber natürlich eine Regelgröße, das heißt also an

1:28:19

der kann man regeln, also wie stark und wo.

1:28:24

Den Gaseinlass oder wenn es eben halt kein Gas ist, haben wir auch andere Instrumente,

1:28:30

um neutrale Wasserstoffatome dort hineinzubringen.

1:28:34

Das geht über so kleine gefrorene Wasserstoffpillen. Die kann man dort einschießen

1:28:39

und da diskutieren wir gerade, wie wir das geregelt machen, wie wir das aktiv geregelt machen.

1:28:43

Wenn man es dann richtig gut im Griff hat, etwa bei diesem Strahlungsgürtel,

1:28:49

dann kann man das eben halt in Feedback packen.

1:28:51

Das heißt also im Prinzip beobachtet man dann das Plasma, wackelt das oder ist

1:28:57

das jetzt nicht da, wo ich es haben möchte und dann habe ich einen Aktuator, also einen Einfluss,

1:29:03

ein Fremdgas, was ich dort an einer ganz bestimmten Stelle sehr kontrolliert

1:29:07

einleite, einer ganz bestimmten Menge und das führt dann wiederum,

1:29:11

dass diese Information, die ich dann darüber habe, dass die mir sagt,

1:29:14

jetzt ist gut und das packt man dann in solche automatischen Schleifen rein.

1:29:18 tim-pritlove

Kann man in das Magnetfeld auch beeinflussen?

1:29:21 thomas-klingner

Ja, ist aber ein bisschen träge. Also für schnelle Regelungen ist das gar nicht

1:29:25

gut, weil so ein Magneten kann man nicht auf kurzen Zeitskalen hoch und runter fahren.

1:29:30 tim-pritlove

Aber es gibt auch glaube ich zusätzlich zu den Hauptmagneten gibt es noch so

1:29:33

zusätzliche Magneten, die nochmal so dann...

1:29:38 thomas-klingner

Ja, wir haben 20 Magneten, die alleine für solche Veränderungen des Magnetfeldes

1:29:42

da sind und auch das, da haben sie ja schon recht, auch das kann man in solche

1:29:45

Regelkreise reinpacken, allemal feed forward.

1:29:48

Also das ist auch wieder so, das sind Magnetfeldkonfigurationen,

1:29:51

das heißt also Also dann sagen wir, naja, das ist nicht gut,

1:29:53

jetzt schieben wir das noch ein bisschen und dann ist es wieder gut.

1:29:58

Aber auch das ist im Prinzip denkbar ein Feedback, aber das ist eine langsame Regelung.

1:30:03

Alles was mit Magneten selber zu tun hat, hat auch so seine zeitliche Einschränkungen.

1:30:07

Das ist einfach von der Physik der Magneten gegeben, also von der Induktion der Spulen.

1:30:15 tim-pritlove

Also das ganze System ist im Prinzip so ein großphysikalischer Eierlauf, kann man sagen.

1:30:21 thomas-klingner

Es ist schon ein Jonglieren, ja.

1:30:22 tim-pritlove

Man muss schon alles austarieren. Man hat erstmal diese Maschine gebaut,

1:30:27

man ist in der Lage, dieses Plasma zu erzeugen.

1:30:30

Nur das zu erzeugen allein reicht nicht. Man muss diverse Kriterien jetzt sicherstellen,

1:30:36

um Turbulenzen, Temperaturverhalten etc., also um sozusagen die idealen Voraussetzungen zu schaffen,

1:30:42

um dann künftig auch eine Fusion kontrolliert und in dem Parameterrahmen,

1:30:48

den man haben will, in dem Effizienzrahmen vor allem, den man haben will,

1:30:51

ablaufen lassen. lassen zu können.

1:30:53

Und das ist sozusagen der Stand der Forschung, den man jetzt erreicht hat.

1:31:00

Wie sieht denn jetzt die nächste Entwicklungsstufe aus? Wo befinden wir uns sozusagen?

1:31:08

Was wird jetzt als nächstes umgesetzt werden?

1:31:12

Wie nah sind wir sozusagen auch an

1:31:14

diesem Punkt, wo es dann mit wirklichen Fusionsexperimenten begonnen wird?

1:31:21 thomas-klingner

Na zunächst erstmal vorab gesagt, richtige Fusionsexperimente werden wir hier nie machen.

1:31:28 tim-pritlove

Nie machen?

1:31:29 thomas-klingner

Nein, wir werden hier nie Deuterium und Tritium in die Maschine einleiten.

1:31:35

Der Grund ist ganz banal, die ist zu

1:31:37

klein. Wir sprachen über das Volumen-zu-Oberfläche-Verhältnis. Sprich...

1:31:42 tim-pritlove

Ist aber jetzt kein kleiner Apparat. Ich war da, also...

1:31:45 thomas-klingner

Für ein Fusionskraftwerk ist das schon noch eine Mini-Version.

1:31:51

Aber wir reden bei Fusionskraftwerken von Gigawatt-Kraftwerken.

1:31:54

Das sind wirkliche Großanlagen.

1:31:58 tim-pritlove

Ja, wie viel größer als das, was jetzt hier aufgebaut ist, müsste ein entsprechendes System sein?

1:32:04 thomas-klingner

Wenn man konservativ rechnet, also wenn wir im Prinzip diese Maschine einfach

1:32:08

physikalisch-technisch fortsetzen, wir reden da von Skalierung,

1:32:14

dann landen wir ohne weiteres im 1000 Kubikmeter Plasma-Volumenbereich.

1:32:17

Wir haben jetzt 30 Kubikmeter, also von 30 auf 1000.

1:32:21 tim-pritlove

Was würde sich dann sozusagen auf diesen Durchmesser des Turos so?

1:32:25 thomas-klingner

Sowas wie 45 Meter. Okay. Also es ist eine große Anlage, es ist aber auch keine bizarr große Anlage.

1:32:32

Also wenn sie mal in so einem Gigawatt Braunkohlekraftwerk gewesen sind,

1:32:36

das sind auch große Kessel mit diesen zig Meter hoch und wirklich sehr, sehr beeindruckend.

1:32:42

Also ein Gigawatt braucht auch einfach große technische Anlagen.

1:32:44

Das ist ja erstmal nichts Besonderes, das ist nicht außerhalb der Skala draußen,

1:32:48

sondern es ist einfach ein ganz normales Großkraftwerk. Für ein Großkraftwerk

1:32:52

ist das Ding viel zu klein.

1:32:53

Diese 30 Kubikmeter, die sind im Hinblick auf das Verhältnis zwischen dem Volumen

1:33:01

zu der Oberfläche so ungünstig,

1:33:03

dass wir gar nicht diese Temperaturen, diese 100 Millionen Grad damit erreichen können.

1:33:12

Als Folge ist es natürlich auch nutzlos, dort Tritium reinzutun.

1:33:16

Das würde so wenig fusionieren, man würde nichts daraus lernen und wir müssten

1:33:21

die ganze Anlage als nukleare Anlage trotzdem betreiben, weil wir mit Tritium

1:33:24

umgehen, das ist dann auch ein radioaktives Element und das wäre dann plötzlich alles nuklear.

1:33:30

Und das ist kein Mehrwert, wenn man nichts daraus lernt und eben halt nur die Umstände hat.

1:33:35

Das wäre rein symbolisch und das ist wissenschaftlich und auch technologisch nutzlos.

1:33:40

In dem Sinne, das ist kein Fusionsexperiment, sondern das ist zunächst erstmal eine Anlage,

1:33:46

um herauszufinden, ist dieses Magnetfeld jetzt in der Lage, die Wärmeisolation,

1:33:50

auf der ich immer wieder rumreite, diese Wärmeisolation herzustellen unter stabilen,

1:33:54

kontrollierten, geregelten Bedingungen, die es braucht.

1:33:59

Um in einer größeren Anlage dann Fusion zu machen.

1:34:03

Aber das ist genau die Strategie. Man könnte natürlich jetzt einen Schuss ins

1:34:06

Blaue machen, gleich eine große Anlage bauen.

1:34:08

Aber da wir noch nicht gut genug wissen, ob diese große Anlage,

1:34:13

mit der man gleich Fusion machen könnte,

1:34:15

ob die das auch wirklich liefert, baut man aus rein ökonomischen Gründen das

1:34:19

natürlich erst mal als kleine Anlage, die noch keine Fusion macht,

1:34:22

wo man sagen kann, so jetzt haben wir alles beisammen,

1:34:24

dass wir diesen großen Wurf machen können.

1:34:27

Das ist letztlich eine Risikoreduktion, also Investitionsrisikoreduktion.

1:34:32

Denn es wäre nicht auszuschließen, dass man eine Großanlage baut und die läuft nicht gut.

1:34:37

Die liefert einfach nicht genug. Das ist ein Mistkraftwerk.

1:34:41

Und man will ja die Basis dafür herstellen, dass man weiß, was man tut,

1:34:45

dass man dann gleich bei dieser ersten Generation, bei der ersten ihrer Art,

1:34:50

dass man dort gleich ein funktionstüchtiges Kraftwerk auf die Beine stellt.

1:34:54 tim-pritlove

Ja.

1:34:56

Trotzdem ist ja der Stellarator, also auch wenn jetzt nur Japan und Deutschland

1:35:00

dieses Modell bisher verfolgen,

1:35:03

schon auch ein realer Kandidat für eine mögliche Umsetzung als echtes Fusionskraftwerk.

1:35:11

Was sind sozusagen die Vorteile und warum man jetzt bei diesem System auch geblieben

1:35:16

ist oder dieses Konzept weiterverfolgt hat,

1:35:20

wenn man sich jetzt sozusagen eine Umsetzung vorstellt, was macht diesen Ansatz geeignet dafür,

1:35:28

wirklich letzten Endes die Basis für eine Fusionsenergiegewinnung zu sein?

1:35:33 thomas-klingner

Zunächst muss ich korrigieren, es ist nicht nur Japan und Deutschland.

1:35:37

Das waren so in der historischen Entwicklung so diejenigen großen Labors,

1:35:42

die da richtig am Ball geblieben sind.

1:35:44

Es gibt etliche etwas kleinere, die teilweise auch durchgehend mitgespielt haben,

1:35:50

die wieder eingestiegen sind.

1:35:51

Also wir haben schon Stellaratoren in allen Nationen.

1:35:55

Also China baut gerade einen Stellarator. In den USA gibt es mehr Stellaratoren.

1:35:58

Es gibt ein wichtiges Experiment in Spanien.

1:36:03

Also so klein ist die Szene dann doch wieder nicht.

1:36:07

Also wir haben da schon eine ganz gute Stellarator-Familie insgesamt.

1:36:10

Die könnte natürlich immer größer sein, weil dadurch mehr Kraft entsteht da

1:36:15

drin. Also einfach auch mehr Innovationskraft.

1:36:16 tim-pritlove

Aber auch die anderen sind alle mehr oder weniger auf demselben Stand.

1:36:19 thomas-klingner

Naja, das sind unterschiedlich große Maschinen. Größte spielt immer eine Rolle.

1:36:23

Die sind auch von unterschiedlichen Entwicklungsstadiumen, also unterschiedliche Generationen da drin.

1:36:29

Also der Wendelstein ist schon die größte und vor allem die am weitesten fortgeschrittene

1:36:33

Anlage also die mit großem Abstand modernste und leistungsfähigste Anlage da

1:36:38

ist jetzt so im Prinzip das ganze Wissen,

1:36:41

der Welt, der Stellarator-Welt und der letzten Dekaden da reingeflossen und

1:36:45

da ist alles mal zusammengebündelt.

1:36:49

Warum ist der Stellarator jetzt eigentlich ein guter Kandidat?

1:36:54

Naja, wenn man jetzt einmal wieder zurück geht zur Physik.

1:36:58

Dieser berühmte Strom im Plasma, der beim Tokamak ja erforderlich ist und der

1:37:04

auch ein Vorteil ist, weil der Strom das Plasma auch heizt.

1:37:08

Das war ursprünglich mal ein ganz großer Pluspunkt beim Tokamak,

1:37:12

als das die dominante Heizung war.

1:37:14

Aber dieser Strom, den kriegt man ja dann nicht raus, der muss da gemacht werden.

1:37:18

Und der hat schon auch seine Nachteile. Er macht das Plasma instabil,

1:37:21

also diesen elektrischen Strom mag das Plasma gar nicht so gerne.

1:37:25

Wir sprachen über diese dynamischen Phänomene da drin, dass das Plasma seine

1:37:30

eigene Dynamik entwickelt.

1:37:32

Und die kann dazu führen, dass das Plasma auch einfach sich mal verabschiedet

1:37:36

innerhalb von sehr kurzer Zeit.

1:37:38

Und dann wird dieser Strom, und wir reden bei dem Strom in einem Tokamak von

1:37:41

Megaampere, von Millionenampere, wird dann sehr plötzlich unterbrochen.

1:37:45

Und das ist ein sehr unangenehmes Event.

1:37:49

Das heißt also, dann wird die ganze Maschine ordentlich durchgeschüttelt und

1:37:51

muss inspiziert werden. und das ist kein gutes Betriebsszenario,

1:37:55

das ist ein Kopfschmerz. Das gibt es beim Stellarator nicht.

1:37:59

Der Stellarator hat ja keinen Strom, der braucht keinen Strom,

1:38:02

weil man die ganze Magnetfeldformung in die Magnete reingesteckt hat.

1:38:05

Das ist ein Riesenvorteil, die Stromlosigkeit des Fusionsplasmas.

1:38:10

Hört sich so ein bisschen nischig an.

1:38:14

Nicht so, man sagt halt Stromlosigkeit des Fusionsplasmas, aber das ist schon

1:38:19

ein dickes Ding. Also ein stromloses Plasma ist per se, per Definition viel stabiler.

1:38:29

Wo kein Strom drin ist, kann auch kein Strom abbrechen.

1:38:33

Wir brauchen keinen Strom da drin. Das heißt, in anderen Worten,

1:38:36

das Magnetfeld, was wir mit diesen externen Magneten generieren,

1:38:39

ist für sich dieses immaterielle Gefäß, in das man das Plasma reinfüllt und

1:38:44

es bleibt da drin sitzen, bis man es wieder rausnimmt.

1:38:47

Und das ist der zweite wichtige Aspekt.

1:38:51

Das Stellarator-Plasma, das Stellarator-Fusions-Plasma, das füllt man in dieses

1:38:56

Magnetfeld rein und im idealen Fall hockt das da drin.

1:39:02

Und das bedeutet, dieses Kraftwerk läuft auch einfach stundenlang,

1:39:06

den ganzen Tag, wochenlang.

1:39:09

Das ist eine ganz stabile Angelegenheit. Das ist in diesem Gefäß drin.

1:39:13

Man hat immer den Gaseinlass, man hat die Pumpen und das Plasma arbeitet dort wie so ein Gasöfchen.

1:39:19

Das ist ein zweiter Aspekt, der einem beim Tokamak Sorgen macht.

1:39:23

Diesen Strom, der ist ja nicht von selber im Plasma, den muss man dort hineinbringen.

1:39:28

Und wenn man etwa den Tokamak ITER in Südfrankreich nimmt, dafür braucht man

1:39:34

einen gewaltigen Magneten noch in der Mitte, also eine so große Spule noch in

1:39:38

der Mitte, diesen Strom in das Plasma induziert.

1:39:41

Diese Induktion erfordert, dass man diesen Magneten in der Mitte hochfährt und wieder runterfährt.

1:39:47

Und das passiert nicht innerhalb von einer Sekunde oder Bruchteil einer Sekunde,

1:39:52

sondern über Minuten oder gar Stunden kann das passieren.

1:39:57

Ist aber eine zusätzliche Komplikation, weil man dadurch so Zyklen reinbekommt,

1:40:02

dieses Hochfahren, Runterfahren, Hochfahren, Runterfahren.

1:40:04

Und das ist technisch problematischer, wenn man es eben im Vergleich zu einfach

1:40:11

einem Magnetfeld, was das Plasma einfach aufbewahrt, wo man gar nichts machen muss.

1:40:18

Also das heißt, es gibt da so Plus und Minus. Der Druckermark ist nach wie vor

1:40:21

immer noch die leistungsfähigste Fusionsmaschine, die mit ihren Betriebsparametern,

1:40:25

mit diesen Plasmaparametern am nächsten an die Fusion rangekommen ist.

1:40:29

Also hat immer noch so die Nase vorne. Der Stellarator robbt sich da jetzt so

1:40:33

langsam ran an diese Werte.

1:40:35

Und die Entwicklung sieht ganz gut aus.

1:40:38

Wenn man mit dem Steuerator auf solide Füße gestellt, die gleichen Güteparameter

1:40:47

für das Plasma erzeugt wie in einem Tokamak, ist der Steuerator gewiss besser.

1:40:52

Also man kann die stationär betreiben, also am Dauerstrich, im Dauerbetrieb

1:40:57

betreiben und er ist stabil.

1:40:59

Das ist beides für ein Kraftverbot.

1:41:02 tim-pritlove

Verstehe. Trotzdem ist ja auch, glaube ich, der Stellarator durchaus bestimmten

1:41:07

mechanischen Kräften auch ausgesetzt.

1:41:12

Wenn ich mir vorstelle, dass diese ganzen Magnete da in so einer verbogenen

1:41:17

Form drumherum liegen, die dürften ja wahrscheinlich auch einen gewissen Stress

1:41:23

auf das ganze System ausüben.

1:41:27

Haben die nicht die Tendenz dazu, sich wieder gerade biegen zu wollen? Wie hört sich das aus?

1:41:34 thomas-klingner

Das ist ein wichtiger Punkt und das kann man sagen, das ist so eine Schwäche

1:41:39

des Stellerators. Nichts im Leben ist perfekt.

1:41:42

Jeder hat Stärken und Schwächen. Eine Schwäche des Stellarators besteht daran,

1:41:45

dass die Kräfteverteilung, die von diesen Magneten impliziert wird,

1:41:53

die resultiert aus der Form dieser Magnete, dass die sehr komplex ist.

1:42:00

Simpel gesprochen kann man sagen, diese nicht planaren Magnete,

1:42:04

diese geformten Magnete, sobald sie vom Strom durchflossen sind,

1:42:07

wollen sie eben werden und wollen sie rund werden und entsprechend bilden sich die Kräfte aus.

1:42:14

Das heißt, sie versuchen sich in diese einfache Form selber zu bringen,

1:42:18

weil sie müssen in diese nicht ebene Form hinein gezwungen werden mit Stahlgehäusen

1:42:23

und das geht dann über die Stahlgehäuse, geht das in die Schrauben,

1:42:26

in die Stützstrukturen.

1:42:27

Das heißt, die ganze mechanische Struktur muss erstens recht hohe Kräfte aushalten.

1:42:32

Also hier beim Wendelstein sind das sowas wie 100 Megapaskal,

1:42:37

um das mal so zu illustrieren.

1:42:39

Das ist so wie eine Tonne auf einem Quadratzentimeter.

1:42:43

Also so ein Auto auf einem Quadratzentimeter sitzen.

1:42:51

Bei Fusionsmaschinen, die nochmal stärkeres Magnetfeld brauchen,

1:42:54

ist es entsprechend nochmal mehr.

1:42:55

Da hat man nochmal so einen Faktor 3, 4, 5, teilweise sogar 8 mehr,

1:42:59

je nachdem wie stark man das Magnetfeld macht.

1:43:01

Und das geht alles schon arg an die technischen Grenzen, was so Stähle eigentlich

1:43:04

noch mögen, was Stähle also ertragen können.

1:43:07

Das heißt also, man hat dort durchaus eine Maschinenbauaufgabe,

1:43:10

die nicht vom Pappe ist. um mit diesen starken Kräften klar zu kommen.

1:43:14

Starke Magnete, wir haben Sprachen davon, je stärker das Magnetfeld,

1:43:19

desto besser die Wärmeisolation.

1:43:22

Und diese starken Magnetfelder erzeugen einfach auch starke Kräfte.

1:43:25

Und diese starken Kräfte müssen von einer starken Stahlstruktur,

1:43:28

Stützstrukturen und Haltestrukturen abgefangen werden.

1:43:31

Und da kommt man an die Materialgrenzen von Stahl ran.

1:43:35

Da geht man so an die Extreme. Also ist technisch durchaus machbar,

1:43:41

Aber man legt da schon ganz gut die Ohren an.

1:43:46 tim-pritlove

Ja, das haben wir, glaube ich, den Stille Rathor ganz gut beschrieben, auch das Potenzial.

1:43:53

Es ist klar, hier ist noch ein längerer Weg zu gehen.

1:43:57

Ganze Energiegewinnung kriegt natürlich

1:43:59

derzeit extreme Dynamik durch die Verbilligung von Solarstrom etc.

1:44:05

Also ich denke, wir sind gerade mitten in einer technischen Wende.

1:44:11

Dadurch, dass Batterien so günstig werden und Strom und Wind jetzt auf einmal

1:44:16

sozusagen ihrer Nachteile beraubt werden.

1:44:19

Von daher glaube ich, ist es ein bisschen offen, welche Lösung jetzt die Fusionstechnik

1:44:26

uns noch anbieten wird in der Zukunft.

1:44:30

Kann man das so sagen, dass es ein bisschen Ungewissheit hat?

1:44:35 thomas-klingner

Ungewissheit gibt es ja immer ich werde aber nicht so nicht so vorsichtig ich

1:44:41

bin der Bezeugung, wir werden die Fusion schon brauchen ähm,

1:44:45

Letztlich ist das eine Primärenergiequelle, die wir noch gar nicht nutzen.

1:44:49

Und warum sollten wir die einfach nicht nutzen?

1:44:53

Wie stark wir sie nutzen und in welchen Segmenten wir nutzen,

1:44:56

das ist eine andere Frage.

1:44:59

Fakt ist ja, wir sprachen schon darüber, dass das Großkraftwerke der Gigawatt-Klasse sind.

1:45:08

Und man kann natürlich diese Gigawatt

1:45:11

auch einsammeln über viele einzelne Megawatt oder 5 oder 10 Megawatt.

1:45:15

So 100 mal 10 Megawatt ist auch ein Gigawatt.

1:45:19

Dafür braucht man aber natürlich schon massive Netze. Man muss Energie transportieren,

1:45:24

gegebenenfalls auch über große Strecken, weil auch 100 mal 10 Megawatt und 10

1:45:29

Megawatt Windkraftwerke sind schon massiv. Das gleiche gilt auch für Solar.

1:45:34

Man hat schon hohen Flächenverbrauch. Das heißt, man muss aus der Fläche das

1:45:37

zusammenziehen und transportieren und dann an den Ort zu bringen,

1:45:41

wo man auch mal ein Gigawatt braucht.

1:45:43

Das heißt also, wo man hochkonzentriert viel Energie braucht und zuverlässig

1:45:49

braucht, also wirklich 24-7 am besten, also ohne Speicher, dass es einfach so liefert.

1:45:55

Da ist die Fusion schon ganz gut.

1:45:58 tim-pritlove

Also so für Schwerindustrien, Stahlproduktion, solche Sachen.

1:46:02 thomas-klingner

Große Industriekomplexe, große Agglomerationen, also Megastädte,

1:46:06

wie man das so nennen kann.

1:46:09

Wo Grundlast einfach so da ist, wo das auch einen Mehrwert darstellt,

1:46:14

wo man sich Blackouts auch nicht leisten kann.

1:46:17

Nur mal nebenbei gesagt, speichern hört sich immer so einfach an,

1:46:21

aber auch Energie speichern ist gar nicht ohne.

1:46:23

Das ist sehr teuer, das ist nach wie vor Batterieforschung, riesen Forschungsgebiet.

1:46:29

Die Batterien, die wir gewohnt sind, sind eben halt von der Telefonbatterie

1:46:33

bis zur Autobatterie, also von Elektromobilität.

1:46:37

Das ist ja alles so unsere Erlebniswelt, also sozusagen der Consumer-Bereich.

1:46:42

Aber wenn wir jetzt von Terrawattstunden-Batterien reden, das ist eine ganz

1:46:46

andere Liga für die Grundversorgung.

1:46:49

Also die großen globalen Schwankungen von Wind und Sonne, also der Sonnenzyklus

1:46:54

ist ganz offenkundig, der ist ja geometrisch gegeben, noch ein bisschen durch

1:46:57

Wetter gesteuert, der Windaspekt ist völlig durch Wetter gesteuert.

1:47:01

Und diese Schwankungen muss man ja durch Speichern ausgleichen.

1:47:05

Und das Problem ist wirklich nicht von Pappe.

1:47:07

Und das kombiniert sich mit der Transportaufgabe.

1:47:12

Also Energie speichern ist schwierig und Energie transportieren ist schwierig.

1:47:15

Da kann die Fusion ausspielen, dass sie erstens als große Energiequelle nicht

1:47:21

aus der Fläche transportiert werden muss und dass sie als ein Wärmekraftwerk

1:47:27

einfach verfügbar ist, die hohe Verfügbarkeit hat.

1:47:32

Und wo dieses Segment ist und wie groß das Segment ist, das hängt sehr von den

1:47:38

sozioökonomischen Bedingungen des jeweiligen Landes ab, wie stark es industrialisiert ist.

1:47:43

Ein viel ländlicheres Land ist da wahrscheinlich ganz anders aufgestellt als

1:47:47

ein hochindustrialisiertes Land.

1:47:49

Wie die Industrien sind, ob das eine starke chemische Industrie ist,

1:47:52

die braucht unendlich viel Prozesswärme.

1:47:54

Ob es dort Stahlindustrie gibt, ist auch an Energie, Stahlschmelzen oder sowas gewohnt.

1:48:00 tim-pritlove

Oder auch Fernwärmesysteme.

1:48:01 thomas-klingner

Und Fernwärmesysteme für große Cities, die auch einfach Basisversorgung brauchen

1:48:06

bis hin zu Verkehr, nicht U-Bahnen, Krankenhäusern und so weiter.

1:48:11

Das ist ein anderes Setup als eine ländliche Region.

1:48:15

Und ich glaube, da gilt auch wieder, es gibt keine Universallösung.

1:48:18

Also nicht ein Zauberstab, der dann gleich alles auflöst, sondern man muss ein neues System aufbauen.

1:48:25

Und in dieser systemischen Sicht, wie so ein Gesamtsystem sinnvoll und ökonomisch

1:48:30

leistungsfähig und den Bedürfnissen entsprechend aufgebaut ist,

1:48:34

das ist wiederum ein Thema,

1:48:36

was einerseits noch besser verstanden werden muss, was ich

1:48:39

aber auch jetzt wo wir sehen wie stark sich die welt verändert und

1:48:42

wie sich auch sozioökonomische bedingungen in jedem jedem land verändern

1:48:45

wo das auch diese so in entwicklung unter unterlegen ist insofern ist es ganz

1:48:50

schwer da jetzt so etwas in zahlen zu nennen oder das jetzt wirklich so rein

1:48:55

zu gießen wenn ich sagen würde da diese fusion macht alles oder die fusion macht

1:48:58

nur zehn prozent das ist alles bodenlos nächstes alles haltlos alleine,

1:49:04

Was wir machen müssen und was wir versuchen, oder beziehungsweise woran wir

1:49:10

arbeiten, ist, dass wir die technologische und physikalische Basis dafür herstellen,

1:49:15

dass man diese Option hat.

1:49:17

Denn wenn wir uns da nicht vorarbeiten, dann haben wir sie nicht,

1:49:20

wenn wir sie brauchen. Dann guckt man dumm.

1:49:23 tim-pritlove

Genau, Vorbereitszeit.

1:49:24 thomas-klingner

Jetzt hätten wir gerne Fusion. Wie Bäume pflanzen.

1:49:29

Wenn man Holz braucht, muss man 100 Jahre vorher einen Baum pflanzen. So ist das leider.

1:49:34 tim-pritlove

Ja, hier wird auf jeden Fall viel gepflanzt, das ist ganz offensichtlich und

1:49:39

ich denke auch jetzt rein über das Ziel hinaus, was man jetzt hier natürlich im Fokus hat,

1:49:46

dem Betrieb von einer Fusionsmaschine, fällt ja auch eine ganze Menge an sekundären

1:49:53

Forschungsergebnissen hier ab.

1:49:54

Ich kann mir vorstellen, es muss viel erfunden werden, es müssen neue Instrumente

1:49:58

erfunden werden, Beobachtungen der Prozesse, ich denke Materialforschung und

1:50:04

allein auch so Kühltechnik,

1:50:07

sind ja alles solche Bereiche, die hier von der Forschung auch profitieren.

1:50:12 thomas-klingner

Ja, ganz gewiss. Wie immer, wenn man sich an die technologischen Grenzgebiete

1:50:19

begibt und da landen wir automatisch im Hinblick auf Wärmebelastung,

1:50:23

Supraleitung, Kryotechnologie.

1:50:25

Wir arbeiten dort ganz oft an den technologischen Grenzen und eben auch die

1:50:30

Leistungsfähigkeit unserer Fusionsmaschine ist oftmals technologisch begrenzt.

1:50:36

Also nicht durch die Physik.

1:50:37

Es gibt keine Physikgründe, warum man dort nicht hinkommen sollte,

1:50:41

sondern es gibt ganz einfache technologische Gründe.

1:50:43

Das heißt, wir kratzen dort einfach an diesen technologischen Limits und das

1:50:50

erzeugt natürlich automatisch für sich Innovationskraft und immer wieder Suche nach neuen Lösungen.

1:50:56 tim-pritlove

Ja, super. Gutes Schlusswort. Ich bedanke mich für die Ausführung.

1:51:00 thomas-klingner

War mir ein Vergnügen.

1:51:02 tim-pritlove

Ja, das war's hier von Forschergeist zum Stellerator und dem Forschungsweg auf

1:51:10

dem Weg zur Gewinnung von Fusionenergie.

1:51:14

Ja, und dann würde ich sagen, vielen Dank, vielen Dank fürs Zuhören. Das war's.

1:51:20

Bald geht's hier hoffentlich wieder weiter und ich sage Tschüss und bis bald.

Forschergeist

https://forschergeist.de

episode 100: FG100 Stellerator
[transcript]

Forschergeist

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episode 100: FG100 Stellerator [transcript]

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