Schon längere Zeit beschäftigten sich Wissenschaftler damit, wie die "Energieproduktion" auf der Sonne abläuft. Heute weiß man, dass - stark vereinfacht - bei der Verschmelzung (Fusion) von vier Wasserstoffkernen zu einem Heliumkern Energie frei wird.
Nun stoßen sich die positiven Wasserstoffkerne zunächst einmal elektrostatisch ab. Erst wenn sie sich auf eine Entfernung in der Größenordnung von 10-15 m nahegekommen sind, beginnen die kurzreichweitigen anziehenden Kernkräfte zu wirken, es kommt zur Fusion und Energie wird frei.
Auf der Sonne befindet sich die Materie im Plasmazustand, den man oft auch als 4. Aggregatszustand bezeichnet (mit steigender Temperatur gehen alle Stoffe nacheinander vom festen in den flüssigen und anschließend den gasförmigen Zustand über. Wird die Temperatur noch weiter erhöht, entsteht ein Plasma). Beim Plasma trennen sich die Atome in ihre Bestandteile - Elektronen und Kerne - auf. Bei der sehr hohen Temperatur im Plasma (einige Millionen Grad) hat ein gewisser Anteil der positiv geladenen Kerne soviel kinetische Energie, dass die elektrostatische Abstoßung überwunden werden kann und es zu Fusionsprozessen kommt.
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Die Plasmaphysik hat es sich zum Ziel gesetzt die Fusionsprozesse, die auf der Sonne in riesigen Volumina stattfinden, auf der Erde nachzubilden. Da auf der Erde die riesigen Räume in denen Fusionsbedingungen herrschen nicht zur Verfügung stehen, versucht man relativ dichte Plasmen (höhere Dichte bedeutet mehr Teilchen pro Kubikzentimeter und damit höhere Fusionswahrscheinlichkeit) bei höheren Temperaturen als auf der Sonne zu erzeugen.
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Wegen seiner hohen Temperatur kann ein Fusionsplasma nicht unmittelbar in materiellen Gefäßen eingeschlossen werden. Bei jedem Wandkontakt würde sich das dünne Gas sofort wieder abkühlen, die Kerne hätten nicht mehr die nötige kinetische Energie, um die elektrostatische Abstoßung zu überwinden. Stattdessen nutzt man magnetische Felder, die den Brennstoff wärmeisoliert einschließen und von den Gefäßwänden fernhalten. Geladene Teilchen - Ionen und Elektronen - werden nämlich in einem Magnetfeld als Folge der Lorentzkraft auf Kreis- und Schraubenbahnen um die Feldlinien gezwungen. Die Teilchen sind auf diese Weise an die Feldlinien "angebunden". In Längsrichtung der Magnetfeldlinien können sie sich dagegen unbeeinflusst bewegen. In einem geeignet geformten "Magnetfeldkäfig" kann ein Plasma daher eingeschlossen und von materiellen Wänden ferngehalten werden. |
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Besonders geeignet sind Magnetfelder, die ringförmig in sich geschlossen sind. Dies allein reicht jedoch für den Teilcheneinschluss nicht aus. Weil in einem reinen Ringfeld die Stärke des Magnetfeldes nach außen hin absinkt, würden die Teilchen schnell an die Wand getrieben. Erst durch die Verdrillung der Feldlinien wird ein dauerhafter Einschluss des Plasmas möglich. Das Fehlen einer radialen Feldkomponente, welche die Plasmateilchen nach außen führen würde, ist Voraussetzung für den magnetischen Plasmaeinschluss.
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