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Verblüffende Magnete könnten reichlich Kraft freisetzen

by drbyos
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Dr. Greg Brittles ‘Augen leuchten vor Aufregung, als er das Projekt erklärt, an dem er arbeitet.

“Es ist wirklich der Traum eines jeden Ingenieurs, ein technisch anspruchsvolles Projekt zu haben, bei dem man neue Technologien und Lösungen für schwierige Probleme entwickeln muss, die aber gleichzeitig für die Welt wichtig sind.”

Seit er seine Forschung an der Universität Oxford vor fünf Jahren abgeschlossen hat, arbeitet er für Tokamak Energy, ein britisches Start-up, das den Bau eines Fusionsreaktors plant.

Fusion ist die Reaktion, die die Sonne und die Sterne antreibt. Wenn diese Energie auf der Erde genutzt werden könnte, würde sie eine reichliche Energiequelle darstellen, die nur aus einer winzigen Menge Kraftstoff besteht und kein Kohlendioxid produziert. Was gibt es nicht zu lieben?

Das Prinzip ist leicht zu verstehen. Nehmen Sie Wasserstoffatome, fügen Sie genügend Wärme und Druck hinzu und sie verschmelzen zu Helium. Während dieses Prozesses wird ein Teil der Wasserstoffmasse in Wärme umgewandelt, mit der Sie Strom erzeugen können.

Der Haken ist, dass man Wasserstoffisotope auf Hunderte von Millionen Grad erwärmen muss, um eine Fusion hier auf der Erde zu erreichen, bis sie so energiereich werden, dass sie in einen wirbelnden Materiezustand zerfallen, der Plasma genannt wird.

Die Herausforderung bestand immer darin, dieses Plasma einzudämmen. Sterne tun dies mit der Schwerkraft, aber auf der Erde besteht die häufigste Methode darin, starke Magnetfelder zu verwenden, um das Plasma in Grenzen zu halten.

Ein Großteil der technischen Herausforderung bestand darin, Magnete zu bauen. Sie müssen stark genug sein, um eine wahnsinnig heiße, wirbelnde Materiemasse aufzunehmen, aber nicht so viel Strom verbrauchen, dass Ihr Reaktor mehr Strom verbraucht, als er erzeugt.

Später in diesem Jahr werden Dr. Bob Mumgaard und sein Team von Commonwealth Fusion Systems (CFS) einen bahnbrechenden Magneten testen, von dem sie sagen, dass er diesen Sprung nach vorne schaffen kann.

Mit einem Gewicht von 10 Tonnen ist der D-förmige Magnet groß genug, damit eine Person hindurchtreten kann. Rund 300 km eines ganz besonderen elektromagnetischen Bandes werden in diese D-Form gewickelt.

Das Band selbst ist eine technische Meisterleistung, deren Entwicklung Jahrzehnte gedauert hat. Dünne Schichten aus supraleitendem Seltenerd-Bariumkupferoxid (ReBCO) werden auf einem Metallband abgeschieden. Wenn dieses Bandbündel gekühlt wird, kann es Strom äußerst effizient leiten, was wichtig ist, da 40.000 Ampere durch ihn fließen, genug Strom, um eine kleine Stadt mit Strom zu versorgen.

Wenn die Fusionsindustrie sagt, gekühlt, bedeutet dies, dass das Band auf minus 253 ° C abgekühlt ist, was für Sie vielleicht absurd kalt klingt, aber in der Welt der supraleitenden Materialien tatsächlich ziemlich warm ist.

“Das bedeutet, dass der Kühlschrank, den wir verwenden, wie ein Kühlschrank ist, der in Ihre Küche passt”, sagt Dr. Mumgaard, Mitbegründer von CFS und Geschäftsführer.

“Dasselbe gilt für die vorherige Technologiegeneration … würde einen Kühlschrank benötigen, der so groß ist wie Ihr Haus.”

Magnete sind keine “Spielzeugwaage” mehr, sagt Dr. Bob Mumgaard von CFS

CFS plant einen Reaktor, in dem 18 dieser Magnete in einem Ring angeordnet sein werden – ein Aufbau, der als Tokamak bekannt ist – und hat kürzlich einen Standort für den Reaktor in Massachusetts ausgewählt.

“Wir waren die ersten, die diesen Magneten wirklich über eine Tischplatte hinaus gebracht haben, F & E. [reseach and development] Maßstab, den die Leute in einigen kleineren Unternehmen und einigen nationalen Labors gemacht hatten.

“Wir sind jetzt alle auf der Skala, auf der Sie Fusionsmaschinen bauen müssen. Sie müssen nicht von einer Art Spielzeugwaage zu einer Fusionsskala aufsteigen”, sagt Dr. Mumgaard.

Abbildung eines CFS-Magneten

Etwa 300 km supraleitendes Klebeband fließen in den CFS-Magneten

Der Sprung in die Magnettechnologie ist auch für das Fusionsprojekt bei Tokamak Energy in Großbritannien von zentraler Bedeutung.

Dr. Brittles hat die letzten fünf Jahre damit verbracht, diese Technologie zu entwickeln, und hilft derzeit beim Bau eines Demonstrators, bei dem eine Reihe leistungsstarker Magnete zusammenarbeiten.

“Es wird eine Ansammlung von vielen, vielen Spulen sein, die Kräfte erzeugen, die alle zusammenwirken und aneinander ziehen und einen ausgeglichenen Satz bilden. Dies muss kontrolliert werden, sonst könnten die Kräfte aus dem Gleichgewicht geraten”, erklärt er.

Die Magnete verwenden dicht gewickeltes supraleitendes Klebeband

Tokamak Energy musste herausfinden, wie empfindliches supraleitendes Band in Spulen gewickelt werden kann

Die Kräfte, die solche Magnetfelder erzeugen können, sind umwerfend. Bei voller Leistung vergleicht Dr. Brittles die von seinen Magneten erzeugte Kraft damit, den Druck am Boden des tiefsten Ozeangrabens zu verdoppeln.

Wenn diese Magnete fertig sind, werden sie in einen kugelförmigen Tokamak – einen apfelförmigen Fusionsreaktor – geleitet.

Untersuchungen legen nahe, dass ein solches Design für jede verwendete Energieeinheit mehr Energie erzeugt als das am häufigsten verwendete donutförmige Tokamak – das Design, das CFS und andere verwenden.

“Die eigentliche Herausforderung ist die kommerzielle Fusion. Und genau das treibt uns an, warum wir uns aufgrund der langfristigen kommerziellen Vorteile auf das sphärische Tokamak konzentrieren”, sagt Dr. David Kingham, einer der Gründer von Tokamak Energy und derzeit Executive Vice Vorsitzende.

Mehr Technologie des Geschäfts

“Wir glauben, dass unsere Technologie Anfang der 2030er Jahre in einer Fusionspilotanlage eingesetzt werden kann”, sagt er. “Ich denke, es wird ein globales Rennen. Es gibt interessante private Unternehmungen in den USA. Und wir werden mit ihnen in einem Rennen sein.”

Das Versprechen eines funktionierenden Fusionsreaktors gibt es schon seit Jahrzehnten (und wird es immer sein, so der alte Witz).

Das größte Projekt läuft in Südfrankreich, wo ein Konsortium von Nationen ITER baut, einen riesigen Reaktor, dessen Bau bisher Milliarden Pfund gekostet hat und der Jahre hinter seinem ursprünglichen Zeitplan zurückliegt.

Kompaktere Designs wie die von Tokamak Energy und CFS geplanten ziehen jedoch private Investoren an, die darauf wetten, dass sie tragfähige kommerzielle Angebote sind.

Dr. Wal van Lierop

Die Investmentfirma von Dr. Wal van Lierop hat zig Millionen Dollar in die Fusionstechnologie gesteckt

Dr. Wal van Lierop gründete vor 20 Jahren seine Risikokapitalfirma Chrysalix und hat seit 2008 mehrere zehn Millionen Dollar in die kanadische Firma General Fusion investiert.

Historisch gesehen habe die Fusionsindustrie Schwierigkeiten gehabt, Finanzmittel aufzubringen, auch weil so viel Geld in ITER gesteckt worden sei, aber das ändert sich.

“Ich sehe, dass mehr Geld investiert wird, mehr Zinsen und die Leute beginnen zu erkennen, dass dies eine sehr große Plattformtechnologie ist und dass sie bis 2050 möglicherweise nicht mehr funktioniert oder nicht.”

Dr. van Lierop weist darauf hin, dass der potenzielle Preis riesig ist. Der weltweite Strommarkt hat einen Wert von rund 3 Billionen US-Dollar pro Jahr und wird wahrscheinlich nur noch größer.

“Wenn das so ist [fusion] erfolgreich ist, wird dies den größten Branchenübergang eröffnen, den wir je gesehen haben. “

Zurück an der Kohlewand (oder vielleicht an der Plasmafläche) gibt Dr. Brittles zu, dass noch viel technische Arbeit zu erledigen ist, aber er ist zuversichtlich.

“Wir arbeiten hart daran, viele Herausforderungen zu meistern, die uns zu jedem Zeitpunkt stolpern könnten. Aber von unserem Platz aus steht nichts mehr im Wege, als ich für einen Showstopper halte.”

Folgen Sie dem Technology of Business-Redakteur Ben Morris auf Twitter.

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