Elektronen und Positronen in einem optimierten Stellarator

Helmholtz-Nachwuchsgruppe unter Leitung von Eve Stenson nimmt Arbeit auf

9. Januar 2020

Dr. Eve Stenson ist eine von zehn Nachwuchsforschern und -forscherinnen, die 2018 von der Helmholtz-Gemeinschaft ausgewählt wurden, um eine eigene Forschungsgruppe aufzubauen. Vorangegangen war ein mehrstufiges Wettbewerbsverfahren mit externer Fachbegutachtung.

Dr. Eve Stenson

Ab Dezember 2019 arbeitet Eve Stenson, 1981 in Cleveland, Ohio/USA geboren, mit ihrer IPP-Nachwuchsgruppe „Electrons and Positrons in an Optimized Stellarator“ daran, ein Plasma aus Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen, zu erzeugen.

Ziel dieses neuen Zweigs der APEX-Kollaboration ist es, ein Materie-Antimaterie-Plasma in einem magnetischen Käfig einzuschließen, der die Gestalt eines kleinen optimierten Stellarators besitzt. Obwohl deutlich einfacher, ist er damit verwandt mit den großen Stellarator-Anlagen der Fusionsforscher wie Wendelstein 7-X in Greifswald. Hier untersucht man mit einem Wasserstoffplasma, wie sich durch Kernverschmelzung Energie gewinnen lässt.

Die Elektron-Positron-Plasmafalle APEX-D im Entwurf: Eine kreisförmige supraleitende Magnetspule (rot) erzeugt das magnetische Dipolfeld im Inneren eines Vakuum­gefäßes. Diese Spule wird von einem über dem Gefäß montierten Ringleiter (pink) in Schwebe gehalten, der die Spule feedback-gesteuert anzieht.

Magnetisch eingeschlossene Materie-Antimaterie-Plasmen werden seit einigen Jahrzehnten theoretisch und rechnerisch untersucht. Im Labor hergestellt wurde ein solches Plasma jedoch noch niemals. Der Theorie nach sollte es besondere Eigenschaften zeigen, zum Beispiel in bestimmten magnetischen Feldern – darunter optimierten Stellaratoren – sehr stabil gefangen sein. Ziel der neuen Nachwuchsgruppe wird es sein, solche Plasmen herzustellen und experimentell zu untersuchen.

Von den „normalen“ Plasmen der Fusionsforscher unterscheiden sich die exotischen Materie-Antimaterie-Plasmen in einem wichtigen Punkt: Während die positiv und negativ geladenen Teilchen in einem Elektronen-Positronen-Plasma exakt die gleiche Masse besitzen, sind in den Fusionsplasmen die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen ungleich schwerer als die negativ geladenen Elektronen. Dies führt zu einem sehr unterschiedlichen Verhalten.

Beispiel für das Magnetfeld eines einfachen optimierten Stellarators

Von der Untersuchung der exotischen Materie-Antimaterie-Plasmen erwartet man sich daher grundlegende Erkenntnisse zur Physik von Plasmen allgemein und zum Test rechnerischer Simulationen des Plasmaverhaltens. Sogar für die Planung neuer Stellaratoren für die Fusionsforschung sollten sich neue Einsichten gewinnen lassen. Da man annimmt, dass Materie-Antimaterie-Plasmen in der Nähe von Neutronensternen und Schwarzen Löchern vorkommen, ist es auch astrophysikalisch interessant, diese seltsamen Plasmen zu erforschen.

Einschließlich der letztjährigen – fünfzehnten – Auswahlrunde hat die Helmholtz-Gemeinschaft bislang 230 Nachwuchsgruppen ermöglicht. Die Kosten – pro Gruppe sind dies über einen Zeitraum von sechs Jahren jeweils jährlich 300.000 Euro – teilen sich Sitzinstitut und Helmholtz-Gemeinschaft, der das IPP als assoziiertes Institut angeschlossen ist.

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