Zonal Flows und Strukturbildung in turbulenten Plasmen

Die Arbeitsgruppe erforscht Zonal Flows mit massiv parallelen Computersimulationen von Plasma- und planetarischer Turbulenz. Das Ziel ist die Vorhersage ihrer Langzeitentwicklung und das Verständnis der experimentell beobachteten scharfen Übergänge zwischen verschiedenen Strömungsmustern.

Zonal Flows in großen Gasplaneten

Jeder hat schon einmal beobachtet, wie eine Strömung — etwa von Milch, welche man in eine Tasse Kaffee gießt — in kleinere und kleinere Wirbel zerfällt, bis sie vollkommen verschwunden ist. Ein überraschendes und ungewöhnliches Verhalten zeigt die Turbulenz auf den großen Gasplaneten Jupiter und Saturn, welche durch den starken Temperaturunterschied zwischen Zentrum und Oberfläche entsteht: Anstatt in immer kleinere Wirbel zu zerfallen, erzeugt die Turbulenz planetenumspannende Ost- und Westwinde. Diese sogenannten "Zonal Flows" sind sehr deutlich auf Aufnahmen der Planeten zu erkennen durch die mit ihnen verbundenen dunklen und hellen Wolkenbänder, die sich an diese in Ost-Westrichtung anschmiegen.

Zonal Flows in magnetisierten Plasmen

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Tokamakturbulenz in einer NLET-Simulation erzeugt Zonal Flows, welche gerade beginnen, die turbulenten Strukturen zu verscheren; eingesetztes Diagramm: poloidale Strömungsgeschwindigkeit

Konvektive Turbulenz findet sich auch in den torusförmigen Plasmen von Fusionsreaktoren des Tokamak- oder Stellaratortyps wegen der enormen Temperaturunterschiede zwischen Zentrum und Rand. Analog zum Fall der Gasplaneten erzeugt diese Turbulenz auch hier globale Strömungen, diesmal entlang des kleinen Umfangs. Dies verursacht auffällige Bandstrukturen im elektrischen Potenzial, welche jeweils eine komplette torusförmige Flussfläche umspannen, analog den Wolkenbanden auf dem Jupiter. Die Turbulenz wird wiederum durch die globalen Strömungen stark gedämpft, was günstig für den Plasmaeinschluss ist und den technischen Aufwand für ein brennendes Fusionsplasma stark reduziert.

Massiv parallele Turbulenzsimulationen

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Banden der Azimutalgeschwindigkeit an der Oberfläche in einer NAN-Simulation tiefer Turbulenz auf einem Gasplaneten. Helle Farben zeigen Winde in östlicher, dunkle in westlicher Richtung an.

Die theoretische Erforschung der Zonal Flows erfordert die Simulation der zugrunde liegenden Turbulenz, was in ausreichender Präzision und Umfang nur auf massiv parallelen Rechnern mit tausenden von Prozessoren mittels entsprechend programmierten Computercodes möglich ist. Dafür wird der nichtlokale Zweiflüssigkeitscode NLET für die Plasmaturbulenz sowie der anelastische kartesische Code NAN für die planetare Turbulenz entwickelt und weiterentwickelt.

Die Langzeitvorhersage des Verhaltens der Zonal Flows würde zum einen die Extrapolation von gegenwärtigen Fusionsexperimenten auf größere Maschinen wie Iter auf eine sicherere Basis stellen. Auf der anderen Seite würden sich neue Möglichkeiten eröffnen, Zonal Flows künstlich zu beeinflussen, um den Einschluss des Plasmas zu verbessern, was die Kosten und Komplexität der Kernfusion drastisch reduzieren könnte.

Für die planetaren Zonal Flows dürften die erwarteten Ergebnisse die beobachteten Strukturvariationen auf den verschiedenen Planeten erklären und Voraussagen für die entsprechenden Strömungen auf den unlängst entdeckten extrasolaren Gasplaneten ermöglichen.

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