De zoektocht naar het benutten van de heilige graal van schone energie is potentieel een stap in de goede richting dankzij dezelfde principes achter koelkastmagneten. Eerder deze week onthulden onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Department of Energy hun nieuwe stellarator: een unieke fusiereactor die geprefabriceerde en 3D-geprinte materialen gebruikt om het oververhitte plasma vast te houden.
De traditionele stellarator werd meer dan 70 jaar geleden voor het eerst bedacht door PPPL-oprichter Lyman Spitzer en werkt met behulp van elektromagneten die nauwkeurig in complexe vormen zijn gerangschikt om magnetische velden te genereren met behulp van elektriciteit. In tegenstelling tot tokamakreactoren hoeven stellarators geen elektrische stroom specifiek door hun plasma te laten gaan om magnetische krachten te creëren – een proces dat fusiereacties kan verstoren. Tokamaks beperken hun plasma echter nog steeds zo goed dat ze de voorkeursreactor van onderzoekers zijn geweest, vooral als je de relatieve kosten en moeilijkheidsgraad van stellarators in ogenschouw neemt. Door dit alles bleef het ontwerp van Spitzer tientallen jaren grotendeels ongebruikt.
[Related: The world’s largest experimental tokamak nuclear fusion reactor is live.]
De ingenieurs achter de nieuwe stellarator, bekend als MUSE, zeggen echter dat hun oplossing deze barrières zou kunnen wegnemen. In plaats van elektromagneten maakt het apparaat gebruik van permanente magneten, zij het veel krachtiger en nauwkeuriger afgestemd dan die in alledaagse nieuwigheden en verzamelsouvenirs. MUSE vereist permanente magneten gemaakt van zeldzame aardmetalen die groter kunnen zijn dan 1,2 Tesla, een meeteenheid voor magnetische fluxdichtheid. Ter vergelijking: standaard ferriet- of keramische permanente magneten vertonen doorgaans tussen 0,5 en 1 Tesla.
“Ik realiseerde me dat zelfs als ze naast andere magneten worden geplaatst, permanente magneten van zeldzame aardmetalen de magnetische velden kunnen genereren en in stand houden die nodig zijn om het plasma op te sluiten, zodat fusiereacties kunnen optreden, wat de eigenschap is die deze techniek doet werken”, Michael Zarnstorff, PPPL Senior onderzoeksfysicus en hoofdonderzoeker van MUSE, volgens de release.
Het bouwen van een stellarator met permanente magneten is een “volledig nieuwe” aanpak, aldus PPPL-student Tony Qian. Qian legde ook uit dat het veranderen van de stellarator ingenieurs in staat zal stellen ideeën voor plasma-opsluiting te testen en veel gemakkelijker dan voorheen nieuwe apparaten te bouwen.
Naast de veelbelovende ontwerpwijzigingen beheert MUSE naar verluidt beter wat bekend staat als ‘quasisymmetrie’ dan welke eerdere stellarator dan ook – meer specifiek een subtype dat ‘quasisymmetrie’ wordt genoemd.
Heel eenvoudig gezegd is er sprake van quasi-symmetrie als de vorm van het magnetische veld in de stellarator niet hetzelfde is als het veld rond de fysieke vorm van de stellarator. De algehele sterkte van het magnetische veld blijft echter uniform, waardoor het plasma effectief wordt opgesloten en de kans op fusiereacties wordt vergroot. Volgens Zarnstorff bereikt MUSE zijn quasi-symmetrie “minstens 100 keer beter dan welke bestaande stellarator dan ook”.
Vanaf hier zijn de onderzoekers van plan de aard van de quasisymmetrie van MUSE verder te onderzoeken, samen met het nauwkeurig in kaart brengen van de magnetische velden – allemaal factoren die de vooruitzichten op het bereiken van stabiele, netto-positieve fusiereacties beïnvloeden.
Het valt nog te bezien of wetenschappers binnenkort de doorbraken zullen realiseren die nodig zijn om groene fusie-energie werkelijkheid te maken. Maar dankzij een creatieve probleemoplossing met behulp van wat ogenschijnlijk is erg zware koelkastmagneten zou de lang verwaarloosde stellarator een waardevol hulpmiddel kunnen zijn.