Fusionsenergie
Fusion wird in Zukunft eine wichtige Energiequelle sein. Wie in der Sonne und anderen Sternen wird Energie freigesetzt, wenn zwei Wasserstoffkerne zu einem Heliumatom verschmelzen. Mehrere Staaten haben den Bau von Fusionskraftwerken zur Priorität erklärt, und eine Reihe von Start-up-Unternehmen verfolgt dieses Ziel. European XFEL bietet Möglichkeiten für Grundlagenforschung, um unser Verständnis der Fusionsprozesse zu verbessern und die Effizienz dieser Technologie zu steigern.
Es gibt zwei unterschiedliche Konzepte für zukünftige Fusionskraftwerke: die magnetische Einschlussfusion und die Trägheitsfusion. Bei der magnetischen Einschlussfusion wird heißes Plasma in einem Magnetfeld eingeschlossen, während bei der Trägheitsfusion kugelförmige Brennstofftargets mit hochintensiven Lasern bestrahlt werden. Die Entwicklung beider Techniken profitiert von der Röntgendiagnostik am European XFEL.
Beispielsweise haben Forschende am HED-HIBEF-Instrument (High Energy Density) zur Fusionsforschung beigetragen, indem sie mit den Röntgenimpulsen des European XFEL extreme Zustände der Materie untersuchten. Zur Erzeugung dieser Zustände der Materie werden zwei Hochleistungslaser verwendet, die zu den leistungsstärksten in Europa gehören.
Die Forscherinnen und Forscher nutzten diese Laserimpulse beispielsweise, um Kohlenstoffproben zu komprimieren und das Material für eine Milliardstel Sekunde zu verflüssigen. Dadurch konnten sie erstmals flüssigen Kohlenstoff untersuchen, von dem man sonst annimmt, dass er nur im Inneren von Planeten vorkommt. Außerdem haben sie Hinweise darauf gefunden, dass es in Exoplaneten Diamanten regnet. Diese Experimente tragen zur Weiterentwicklung der Forschung im Bereich der Trägheitsfusion bei, da Kohlenstoff in der Außenhülle der Kapsel verwendet wird, die den Wasserstoff enthält, und Laser diesen Kohlenstoff auf sehr hohen Druck komprimieren.
Ein weiteres chemisches Element, das am European XFEL erfolgreich unter extremen Bedingungen untersucht wurde, ist Kupfer, das zur Erzeugung warmer, dichter Materie verwendet wurde. WDM ist ein Zwischenzustand zwischen Feststoffen und Plasma, der im Inneren einiger Planeten erwartet wird oder bei Trägheitsfusionsexperimenten entsteht. Die Forschenden untersuchten die Opazität des Materials – wie viel Strahlungsenergie absorbiert wird – unter starker XFEL-Bestrahlung. Ein besseres Verständnis des Verhaltens von Materialien unter solchen Bedingungen kann einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz von Trägheitsfusionsreaktoren haben.
Zukünftige Experimente am European XFEL werden detailliertere Einblicke in die Prozesse liefern, die auftreten, wenn Materie sich Fusionsbedingungen nähert. Dies erfordert Innovationen, die kürzlich realisiert wurden, wie die Entwicklung einer neuen Elektronenquelle, supraleitende Undulatoren und verbesserte Detektionsgeräte. Für die kommenden Jahre sind weitere Entwicklungen geplant, darunter der Bau einer neuen Experimentierstation, die mit noch leistungsstärkeren Lasern ausgestattet ist. Diese Modernisierung der Anlage wird Forschenden weltweit beispiellose Bedingungen für die Weiterentwicklung der Fusionsforschung in Wissenschaft und Industrie bieten.