Fusi­ons­pro­zes­se las­sen sich durch gepuls­te elek­tri­sche Fel­der anstoßen

Durch Blitz­ein­schlä­ge ver­ur­sach­te Gepuls­te elek­tri­sche Fel­der machen sich als Span­nungs­spit­zen bemerk­bar und stel­len eine zer­stö­re­ri­sche Gefahr für elek­tro­ni­sche Bau­tei­le dar. Sie rich­ten beträcht­li­chen Scha­den an. Ein Team vom Helm­holtz-Zen­trum Dres­den-Ros­sen­dorf (HZDR) hat jetzt her­aus­ge­fun­den, dass sol­che Span­nungs­spit­zen durch­aus nütz­li­che Eigen­schaf­ten haben kön­nen. In der Fach­zeit­schrift Phy­si­cal Review Rese­arch (DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.033153) berich­ten die Wis­sen­schaft­ler, wie sich zum Bei­spiel Kern­fu­si­ons­pro­zes­se durch extrem star­ke und schnel­le gepuls­te elek­tri­sche Fel­der deut­lich ver­stär­ken las­sen. Kern­fu­sio­nen, wie sie bei­spiels­wei­se in der Son­ne statt­fin­den, wer­den durch den quan­ten-mecha­ni­schen Tun­nel­ef­fekt ermöglicht.

„Eine Fol­ge des Tun­nel­ef­fekts ist es, dass gleich­ar­tig gela­de­ne Teil­chen ihre gegen­sei­ti­ge Absto­ßung über­win­den kön­nen, auch wenn ihre Ener­gie dafür eigent­lich gar nicht aus­reicht – zumin­dest nicht nach den Geset­zen der klas­si­schen Mecha­nik. So etwas kön­nen wir zum Bei­spiel bei der Ver­schmel­zung zwei­er leich­ter Atom­ker­ne beob­ach­ten: Je stär­ker sich ein Kern dem ande­ren nähert, des­to grö­ßer wird die Absto­ßung, die wir uns bild­lich als einen sich vor dem Kern auf­tür­men­den Berg vor­stel­len kön­nen, die soge­nann­te Poten­ti­al­bar­rie­re. Anstatt den ener­gie­auf­wän­di­ge­ren Weg über den Gip­fel zu neh­men, erlau­ben die Geset­ze der Quan­ten­me­cha­nik, dass der Kern ener­ge­tisch deut­lich güns­ti­ger gera­de­wegs durch die­sen Berg dringt bezie­hungs­wei­se ‚hin­durch­tun­nelt‘ – und schließ­lich fusio­nie­ren kann.“
— Prof. Ralf Schütz­hold, Lei­ter der Abtei­lung Theo­re­ti­sche Physik

Obwohl der Tun­nel­ef­fekt in vie­len Berei­chen der Phy­sik eine wich­ti­ge Rol­le spielt und erst­mals bereits vor fast ein­hun­dert Jah­ren beschrie­ben wur­de, ist unser Ver­ständ­nis des Vor­gangs auch heu­te noch lücken­haft. „Ver­schie­de­ne Facet­ten des Ein­flus­ses elek­tri­scher Fel­der auf Tun­nel­pro­zes­se waren schon bekannt. So kön­nen elek­tri­sche Fel­der die Teil­chen zusätz­lich beschleu­ni­gen und dadurch zu mehr Ener­gie ver­hel­fen. Außer­dem kön­nen sie die Poten­ti­al­bar­rie­re defor­mie­ren und auf die­sem Weg die Tun­nel­wahr­schein­lich­keit erhö­hen“, umreißt Dr. Chris­ti­an Kohl­fürst die Situa­ti­on zu Beginn ihrer Forschungen.
Sein Kol­le­ge Dr. Frie­de­mann Queis­ser bringt ihre Ergeb­nis­se kurz auf den Punkt: „Unse­re Berech­nun­gen zei­gen jetzt erst­mals eine Beson­der­heit von gepuls­ten, sich zeit­lich schnell ver­än­dern­den elek­tri­schen Fel­dern: Sie kön­nen dafür sor­gen, dass die Teil­chen, bild­lich gespro­chen, aus der Poten­ti­al­bar­rie­re her­aus­ge­schubst wer­den und so leich­ter tun­neln.“ Das zei­gen die Rech­nun­gen des Teams vom HZDR ganz kon­kret an ver­schie­de­nen Bei­spie­len, unter ande­rem auch an einer für eine mög­li­che Ener­gie­er­zeu­gung inter­es­san­ten Fusi­ons­re­ak­ti­on: der Ver­schmel­zung eines Pro­tons mit dem Iso­top Bor-11.

Fusi­ons­re­ak­ti­on mit Vorteilen

Sie ist vor allem auf­grund des rela­tiv leicht ver­füg­ba­ren Brenn­stoffs inter­es­sant. Dabei ent­ste­hen drei jeweils zwei­fach posi­tiv gela­de­ne Alpha­teil­chen. Bemer­kens­wert an die­ser Reak­ti­on: Die Ener­gie wird in Form gela­de­ner Teil­chen frei­ge­setzt und nicht als Neu­tro­nen­strah­lung wie bei den der­zeit bekann­tes­ten Fusi­ons­re­ak­tio­nen. Das hat Vor­tei­le: Zum einen wür­den die Pro­ble­me, die mit dem Neu­tro­nen­fluss ver­bun­den sind, deut­lich redu­ziert, wie etwa die Gefah­ren im Umgang mit ioni­sie­ren­der Strah­lung. Zum ande­ren kann die Ener­gie gela­de­ner Teil­chen direkt und damit viel ein­fa­cher in Elek­tri­zi­tät umge­wan­delt werden.
Die für die Nut­zung der Reak­ti­on erfor­der­li­chen Bedin­gun­gen sind jedoch noch extre­mer als die der im aktu­el­len Fusi­ons­re­ak­tor-Expe­ri­ment ITER favo­ri­sier­ten Deu­te­ri­um-Tri­ti­um-Fusi­on. Die Zün­dung der Pro­ton-Bor-Reak­ti­on ist im Ver­gleich dazu schwie­ri­ger, die Wis­sen­schaft sucht noch nach gang­ba­ren Wegen. Das Team um Schütz­hold zeigt nun eine Mög­lich­keit auf: „Unse­ren Berech­nun­gen zufol­ge kann ein hin­rei­chend schnel­les und star­kes gepuls­tes elek­tri­sches Feld nicht nur die Deu­te­ri­um-Tri­ti­um-Fusi­on, son­dern auch die Pro­ton-Bor-Reak­ti­on deut­lich verstärken.“
Die Erzeu­gung sol­cher Fel­der ist jedoch sehr schwie­rig. „Wir kön­nen uns das prin­zi­pi­ell wie bei einem Gewit­ter vor­stel­len, bei dem sich die in rie­si­gen Wol­ken­for­ma­tio­nen gespei­cher­te Ener­gie in kür­zes­ter Zeit und auf engs­tem Raum in der Form eines Blitz­schlags ent­lädt. Welt­weit sind Anla­gen im Bau oder in Pla­nung, die immer höhe­re Ener­gien auf immer kür­ze­re Zeit­span­nen und immer klei­ne­re Raum­be­rei­che kon­zen­trie­ren sol­len“, sagt Schütz­hold. Lei­der sind die heu­te ver­füg­ba­ren Anla­gen noch nicht ganz in der Lage, der­ar­tig schnel­le und star­ke „künst­li­che Blit­ze“ zu erzeugen.
Es gibt aber einen mög­li­chen Aus­weg: So kann das elek­tri­sche Feld eines schnell und vor allem dicht am Pro­ton vor­bei­flie­gen­den Alpha­teil­chens wie ein sol­ches gepuls­tes elek­tri­sches Feld wir­ken und so stark zusto­ßen, dass das Pro­ton die Poten­ti­al­bar­rie­re von Bor-11 durch­tun­neln und die Fusi­ons­re­ak­ti­on aus­lö­sen kann. Alpha­teil­chen mit der dafür not­wen­di­gen Puls­ener­gie wer­den bei der Pro­ton-Bor-Reak­ti­on tat­säch­lich erzeugt, kön­nen aber auch von außen ein­ge­schos­sen werden.