Was ist der vierte Aggregatzustand, wie unterscheidet er sich von den anderen drei und wie kann man ihn dazu bringen, einer Person zu dienen.
Vor hundertfünfzig Jahren glaubten fast alle Chemiker und viele Physiker, dass Materie nur aus Atomen und Molekülen besteht, die zu mehr oder weniger geordneten oder völlig ungeordneten Verbindungen zusammengesetzt sind. Nur wenige bezweifeln, dass alle oder fast alle Substanzen in drei verschiedenen Phasen existieren können - fest, flüssig und gasförmig, die sie je nach äußeren Bedingungen einnehmen. Aber Hypothesen über die Möglichkeit anderer Materiezustände wurden bereits geäußert.
Dieses universelle Modell wurde sowohl durch wissenschaftliche Beobachtungen als auch durch jahrtausendelange Erfahrung im Alltag bestätigt. Schließlich weiß jeder, dass sich Wasser beim Abkühlen in Eis verwandelt und beim Erhitzen kocht und verdunstet. Blei und Eisen können auch in eine Flüssigkeit oder ein Gas umgewandelt werden, sie müssen nur stärker erhitzt werden. Seit dem Ende des 18. Jahrhunderts froren Forscher Gase in Flüssigkeiten ein, und es schien durchaus plausibel, dass man prinzipiell jedes verflüssigte Gas zum Erstarren bringen könnte. Im Allgemeinen schien ein einfaches und verständliches Bild der drei Aggregatzustände keiner Änderungen oder Ergänzungen zu bedürfen.
Plasmakraftwerk
70 km von Marseille entfernt, in Saint-Paul-le-Durance, neben dem französischen Forschungszentrum für Atomenergie Cadarache, wird ein Forschungsfusionsreaktor ITER (von lat. iter - Weg) gebaut. Die offizielle Hauptaufgabe dieses Reaktors besteht darin, "die wissenschaftliche und technologische Machbarkeit der Gewinnung von Fusionsenergie für friedliche Zwecke zu demonstrieren". Langfristig (30–35 Jahre) können auf Basis der bei Experimenten am ITER-Reaktor gewonnenen Daten Prototypen sicherer, umweltfreundlicher und wirtschaftlich rentabler Kraftwerke entstehen.
Wissenschaftler dieser Zeit wären ziemlich überrascht gewesen zu wissen, dass die festen, flüssigen und gasförmigen Zustände einer atomar-molekularen Substanz nur bei relativ niedrigen Temperaturen von nicht mehr als 10.000 °C erh alten bleiben, und das sogar in dieser Zone nicht alle möglichen Strukturen ausschöpfen (Beispiel - Flüssigkristalle). Es wäre nicht leicht zu glauben, dass sie nicht mehr als 0,01 % der Gesamtmasse des gegenwärtigen Universums ausmachen. Wir wissen heute, dass sich Materie in vielen exotischen Formen manifestiert. Einige von ihnen (z. B. entartetes Elektronengas und Neutronenmaterie) existieren nur in superdichten kosmischen Körpern (Weiße Zwerge und Neutronensterne), und einige (z. B. Quark-Gluon-Flüssigkeit) wurden geboren und verschwanden in einem kurzen Moment kurz nach dem Großen Knall. Es ist jedoch interessant, dass die Annahme über die Existenz des ersten der Staaten, die über den Rahmen der klassischen Triade hinausgehen, immerhin im 19. Jahrhundert und ganz am Anfang gemacht wurde. Es wurde viel später, in den 1920er Jahren, Gegenstand wissenschaftlicher Forschung. Dann bekam es seinen Namen - Plasma.
Faraday nach Langmuir
In der zweiten Hälfte der 70er Jahre des 19. Jahrhunderts interessierte sich ein Mitglied der Royal Society of London, William Crookes, ein sehr erfolgreicher Meteorologe und Chemiker (er entdeckte Thallium und bestimmte sehr genau sein Atomgewicht), dafür bei Gasentladungen in Vakuumröhren. Zu diesem Zeitpunkt war bekannt, dass die negative Elektrode eine Emanation unbekannter Natur ausstrahlte, die der deutsche Physiker Eugen Goldstein 1876 Kathodenstrahlen nannte. Nach vielen Experimenten entschied Crookes, dass diese Strahlen nichts anderes als Gasteilchen waren, die nach dem Zusammenstoß mit der Kathode eine negative Ladung annahmen und begannen, sich in Richtung der Anode zu bewegen. Diese geladenen Teilchen nannte er "strahlende Materie", strahlende Materie.
Wie der Tokamak funktioniert
Tokamak ist ein ringförmiges Gerät zum Einschließen von Plasma mithilfe eines Magnetfelds. Das auf sehr hohe Temperaturen erhitzte Plasma berührt nicht die Wände der Kammer, sondern wird von Magnetfeldern geh alten - toroidal, erzeugt durch Spulen, und poloidal, das entsteht, wenn Strom im Plasma fließt. Das Plasma selbst fungiert als Sekundärwicklung des Transformators (Primärspulen zur Erzeugung eines toroidalen Feldes), die für eine Vorwärmung sorgen, wenn ein elektrischer Strom fließt.
Man muss zugeben, dass Crookes in dieser Erklärung der Natur der Kathodenstrahlen nicht originell war. Bereits 1871 wurde eine ähnliche Hypothese von einem prominenten britischen Elektroingenieur Cromwell Fleetwood Varley geäußert, einem der führenden Köpfe bei der Verlegung des ersten transatlantischen Telegrafenkabels. Die Ergebnisse von Experimenten mit Kathodenstrahlen führten Crookes jedoch zu einem sehr tiefen Gedanken: Das Medium, in dem sie sich ausbreiten, ist kein Gas mehr, sondern etwas völlig anderes. Am 22. August 1879 erklärte Crookes auf einer Sitzung der British Association for the Promotion of Science, dass Entladungen in verdünnten Gasen „so verschieden von allem sind, was in Luft oder einem Gas bei normalem Druck passiert, dass wir es in diesem Fall zu tun haben ein Stoff im vierten Zustand, der sich in seinen Eigenschaften von einem gewöhnlichen Gas in gleichem Maße unterscheidet wie ein Gas von einer Flüssigkeit.
Es wird oft geschrieben, dass es Crookes war, der zuerst an den vierten Aggregatzustand dachte. Tatsächlich dämmerte Michael Faraday dieser Gedanke schon viel früher. 1819, 60 Jahre vor Crookes, schlug Faraday vor, dass Materie in festen, flüssigen, gasförmigen und strahlenden Aggregatzuständen existieren könnte. In seinem Bericht sagte Crookes direkt, dass er von Faraday entlehnte Begriffe verwendete, aber aus irgendeinem Grund vergaß dies die Nachwelt. Faradays Idee war jedoch immer noch eine spekulative Hypothese, und Crookes untermauerte sie mit experimentellen Daten.
Kathodenstrahlen wurden auch nach Crookes intensiv untersucht. Diese Experimente führten 1895 zur Entdeckung einer neuen Art elektromagnetischer Strahlung durch William Roentgen und Anfang des 20. Jahrhunderts zur Erfindung der ersten Radioröhren. Aber Crookes' Hypothese des vierten Aggregatzustands weckte nicht das Interesse der Physiker - höchstwahrscheinlich, weil Joseph John Thomson 1897 bewies, dass Kathodenstrahlen keine geladenen Gasatome sind, sondern sehr leichte Teilchen, die er Elektronen nannte. Diese Entdeckung schien die Hypothese von Crookes unnötig zu machen.
Erstes Plasma
Korea Supraleitender Tokamak (Korea Superleading Tokamak Advanced Reactor) Testlauf von Koreas „erstem Plasma“Flüssighelium am 15. Juli 2008.
Aber sie wurde wie ein Phönix aus der Asche wiedergeboren. In der zweiten Hälfte der 1920er Jahre beschäftigte sich der spätere Chemie-Nobelpreisträger Irving Langmuir, der im Labor der General Electric Corporation arbeitete, mit der Untersuchung von Gasentladungen. Damals wussten sie bereits, dass Gasatome im Raum zwischen Anode und Kathode Elektronen abgeben und sich in positiv geladene Ionen verwandeln. Langmuir erkannte, dass ein solches Gas viele besondere Eigenschaften hat, und beschloss, ihm seinen eigenen Namen zu geben. Durch eine seltsame Assoziation wählte er das Wort "Plasma", das bis dahin nur in der Mineralogie (dies ist ein anderer Name für grünen Chalcedon) und in der Biologie (die flüssige Basis von Blut sowie Molke) verwendet wurde. In seiner neuen Funktion tauchte der Begriff „Plasma“erstmals in Langmuirs Artikel „Oszillationen in ionisierten Gasen“auf, der 1928 veröffentlicht wurde. Dreißig Jahre lang benutzten nur wenige Menschen diesen Begriff, aber dann hielt er Einzug in die wissenschaftliche Verwendung.
Plasmaphysik
Klassisches Plasma ist ein Ionen-Elektronen-Gas, möglicherweise verdünnt mit neutralen Teilchen (genau genommen sind Photonen dort immer vorhanden, aber bei moderaten Temperaturen können sie vernachlässigt werden). Wenn der Ionisationsgrad nicht zu gering ist (in der Regel reicht ein Prozent), weist dieses Gas viele spezifische Eigenschaften auf, die gewöhnliche Gase nicht besitzen. Es ist jedoch möglich, ein Plasma herzustellen, in dem es überhaupt keine freien Elektronen gibt und negative Ionen ihre Aufgaben übernehmen.
Betrachten wir der Einfachheit halber nur Elektronen-Ionen-Plasma. Seine Teilchen werden gemäß dem Coulombschen Gesetz angezogen oder abgestoßen, und diese Wechselwirkung zeigt sich in großen Entfernungen. Genau das unterscheidet sie von den Atomen und Molekülen eines neutralen Gases, die sich nur in sehr geringen Abständen spüren. Da sich Plasmateilchen im freien Flug befinden, werden sie leicht durch elektrische Kräfte verschoben. Damit sich das Plasma in einem Gleichgewichtszustand befindet, ist es notwendig, dass sich die Raumladungen von Elektronen und Ionen vollständig kompensieren. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, entstehen im Plasma elektrische Ströme, die das Gleichgewicht wiederherstellen (wenn sich beispielsweise in einem Bereich ein Überschuss an positiven Ionen bildet, strömen sofort Elektronen dorthin). Daher sind in einem Gleichgewichtsplasma die Dichten von Teilchen mit unterschiedlichen Vorzeichen praktisch gleich. Diese wichtigste Eigenschaft wird Quasi-Neutralität genannt.
Fast immer nehmen Atome oder Moleküle eines gewöhnlichen Gases nur an paarweisen Wechselwirkungen teil – sie kollidieren miteinander und fliegen auseinander. Plasma ist eine andere Sache. Da seine Teilchen durch langreichweitige Coulomb-Kräfte gebunden sind, befindet sich jedes von ihnen im Feld von nahen und fernen Nachbarn. Das heißt, die Wechselwirkung zwischen Plasmateilchen ist nicht paarweise, sondern mehrfach – wie die Physiker sagen, kollektiv. Daraus folgt die Standarddefinition von Plasma – ein quasi neutrales System aus einer großen Anzahl geladener Teilchen mit entgegengesetzten Namen, die kollektives Verh alten demonstrieren.
Beschleuniger auf dem Tisch
Leistungsstarke Elektronenbeschleuniger haben eine charakteristische Länge von Hunderten von Metern und sogar Kilometern. Ihre Größe lässt sich erheblich verkleinern, wenn Elektronen nicht im Vakuum, sondern im Plasma beschleunigt werden – „auf dem Kamm“von sich schnell ausbreitenden Störungen in der Dichte von Plasmaladungen, den sogenannten Wake Waves, angeregt durch Laserstrahlungspulse.
Plasma unterscheidet sich von neutralem Gas in seiner Reaktion auf äußere elektrische und magnetische Felder (normales Gas nimmt sie kaum wahr). Plasmateilchen hingegen spüren willkürlich schwache Felder und setzen sich sofort in Bewegung, wobei sie Raumladungen und elektrische Ströme erzeugen. Ein weiteres wichtiges Merkmal eines Gleichgewichtsplasmas ist das Ladungsscreening. Nehmen Sie ein Plasmateilchen, sagen wir ein positives Ion. Es zieht Elektronen an, die eine Wolke negativer Ladung bilden. Das Feld eines solchen Ions verhält sich nur in seiner Nähe gemäß dem Coulomb-Gesetz und geht bei Entfernungen, die einen bestimmten kritischen Wert überschreiten, sehr schnell gegen Null. Dieser Parameter wird nach dem niederländischen Physiker Peter Debye, der diesen Mechanismus 1923 beschrieb, als Debye-Rasterradius bezeichnet.
Es ist leicht zu verstehen, dass ein Plasma nur dann quasi neutral bleibt, wenn seine linearen Abmessungen in allen Dimensionen den Debye-Radius deutlich überschreiten. Es sollte beachtet werden, dass dieser Parameter zunimmt, wenn das Plasma erhitzt wird, und abnimmt, wenn seine Dichte zunimmt. Im Plasma von Gasentladungen sind es in der Größenordnung 0,1 mm, in der Ionosphäre der Erde - 1 mm, im Sonnenkern - 0,01 nm.
Kontrollierte Fusion
Plasma wird heute in einer Vielzahl von Technologien eingesetzt. Einige davon sind jedem bekannt (Gaslampen, Plasmadisplays), andere sind für schmale Spezialisten interessant (Herstellung von hochbelastbaren Schutzfolienbeschichtungen, Herstellung von Mikrochips, Desinfektion). Die größten Hoffnungen werden jedoch im Zusammenhang mit Arbeiten zur Durchführung kontrollierter thermonuklearer Reaktionen auf Plasma gesetzt. Das ist verständlich. Damit Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen können, müssen sie auf eine Entfernung in der Größenordnung von einem hundertmilliardstel Zentimeter angenähert werden - und dort wirken bereits nukleare Kräfte. Eine solche Annäherung ist nur bei Temperaturen von zehn und hundert Millionen Grad möglich - in diesem Fall reicht die kinetische Energie positiv geladener Kerne aus, um die elektrostatische Abstoßung zu überwinden. Daher erfordert die kontrollierte thermonukleare Fusion ein Hochtemperatur-Wasserstoffplasma.
Plasma ist in der umgebenden Welt nahezu allgegenwärtig – es findet sich nicht nur in Gasentladungen, sondern auch in der Ionosphäre von Planeten, in der Oberfläche und in tiefen Schichten aktiver Sterne. Dies ist die Umgebung für die Implementierung kontrollierter thermonuklearer Reaktionen und das Arbeitsfluid für elektrische Antriebsmotoren im Weltraum und vieles mehr.
Richtig, Plasma auf Basis von gewöhnlichem Wasserstoff wird hier nicht helfen. Solche Reaktionen finden im Inneren von Sternen statt, sind aber für terrestrische Energie nutzlos, weil die Intensität der Energiefreisetzung zu gering ist. Das beste zu verwendende Plasma ist eine 1:1-Mischung aus schweren Wasserstoffisotopen von Deuterium und Tritium (reines Deuteriumplasma ist ebenfalls akzeptabel, obwohl es weniger Energie liefert und höhere Temperaturen zum Zünden erfordert).
Erhitzen allein reicht jedoch nicht aus, um die Reaktion zu starten. Erstens muss das Plasma ausreichend dicht sein; Zweitens sollten die Partikel, die in die Reaktionszone gelangt sind, diese nicht zu schnell verlassen - sonst übersteigt der Energieverlust ihre Freisetzung. Diese Anforderungen können in Form eines Kriteriums dargestellt werden, das 1955 vom englischen Physiker John Lawson vorgeschlagen wurde. Gemäß dieser Formel muss das Produkt aus Plasmadichte und mittlerer Teilchenverweilzeit größer als ein bestimmter Wert sein, der durch die Temperatur, die Zusammensetzung des thermonuklearen Brennstoffs und den erwarteten Wirkungsgrad des Reaktors bestimmt wird.
Es ist leicht zu erkennen, dass es zwei Möglichkeiten gibt, das Lawson-Kriterium zu erfüllen. Es ist möglich, die Einschlusszeit auf Nanosekunden zu reduzieren, indem das Plasma beispielsweise auf 100–200 g/cm3 komprimiert wird (da das Plasma keine Zeit hat, sich auszudehnen, wird diese Einschlussmethode als Trägheitseinschluss bezeichnet). Seit Mitte der 1960er Jahre arbeiten Physiker an dieser Strategie; Jetzt arbeitet das Livermore National Laboratory an seiner fortschrittlichsten Version. In diesem Jahr beginnen sie mit Versuchen, mit einem Deuterium-Tritium-Gemisch gefüllte Miniatur-Berylliumkapseln (Durchmesser 1,8 mm) mit 192 ultravioletten Laserstrahlen zu komprimieren. Projektmanager glauben, dass sie spätestens 2012 nicht nur eine thermonukleare Reaktion in Brand setzen, sondern auch eine positive Energieabgabe erzielen können. Vielleicht wird in den nächsten Jahren ein ähnliches Programm im Rahmen des Projekts HiPER (High Power Laser Energy Research) in Europa gestartet. Doch selbst wenn die Experimente in Livermore die in sie gesetzten Erwartungen voll und ganz rechtfertigen, wird der Weg bis zur Schaffung eines echten thermonuklearen Reaktors mit Trägheitsplasmaeinschluss noch sehr groß sein. Tatsache ist, dass für den Bau eines Kraftwerksprototyps ein sehr schnelles System aus superstarken Lasern benötigt wird. Es sollte eine solche Blitzfrequenz liefern, die Deuterium-Tritium-Ziele entzündet, die die Fähigkeiten des Livermore-Systems um das Tausendfache übersteigen und nicht mehr als 5-10 Schüsse pro Sekunde abgeben. Derzeit werden verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung solcher Laserkanonen aktiv diskutiert, aber ihre praktische Umsetzung ist noch sehr weit entfernt.
Tokamaks: die alte Garde
Alternativ können Sie mit einem verdünnten Plasma (Dichte in Nanogramm pro Kubikzentimeter) arbeiten und es für mindestens einige Sekunden in der Reaktionszone h alten. Für solche Experimente werden seit mehr als einem halben Jahrhundert verschiedene Magnetfallen verwendet, die das Plasma durch Anlegen mehrerer Magnetfelder in einem bestimmten Volumen h alten. Die vielversprechendsten gelten als Tokamaks - geschlossene Magnetfallen in Form eines Torus, die zuerst von A. D. Sacharow und I. E. Tamm im Jahr 1950. Derzeit gibt es in verschiedenen Ländern etwa ein Dutzend solcher Installationen, von denen die größten es ermöglicht haben, sich der Erfüllung des Lawson-Kriteriums anzunähern. Auch der internationale experimentelle thermonukleare Reaktor, der berühmte ITER, der im Dorf Cadarache nahe der französischen Stadt Aix-en-Provence gebaut werden soll, ist ein Tokamak. Wenn alles nach Plan läuft, wird es ITER erstmals ermöglichen, ein Plasma zu gewinnen, das das Lawsonsche Kriterium erfüllt, und darin eine thermonukleare Reaktion zu zünden.
„In den letzten zwei Jahrzehnten haben wir enorme Fortschritte beim Verständnis der Prozesse gemacht, die in magnetischen Plasmafallen, insbesondere Tokamaks, ablaufen. Im Allgemeinen wissen wir bereits, wie sich Plasmateilchen bewegen, wie instabile Zustände von Plasmaströmungen entstehen und wie stark der Plasmadruck erhöht werden muss, damit er noch durch ein Magnetfeld geh alten werden kann. Auch wurden neue hochpräzise Methoden der Plasmadiagnostik geschaffen, also Messungen verschiedener Plasmaparameter, - Ian Hutchinson, Professor für Kernphysik und Kerntechnik am Massachusetts Institute of Technology, der sich seit über 30 Jahren mit Tokamaks beschäftigt, sagte PM.- Bis heute haben die größten Tokamaks die Leistung der thermischen Energiefreisetzung im Deuterium-Tritium-Plasma in der Größenordnung von 10 Megawatt für eine oder zwei Sekunden erreicht. ITER wird diese Zahlen um einige Größenordnungen übertreffen. Wenn wir uns nicht verkalkulieren, wird es für einige Minuten mindestens 500 Megawatt liefern können. Wenn wir wirklich Glück haben, wird die Energie ohne zeitliche Begrenzung in einem stabilen Modus erzeugt.“
Professor Hutchinson betonte auch, dass sich die Wissenschaftler nun der Natur der Prozesse bewusst sind, die in diesem riesigen Tokamak ablaufen müssen: „Wir kennen sogar die Bedingungen, unter denen das Plasma seine eigenen Turbulenzen unterdrückt, und das ist sehr wichtig für Steuerung des Betriebs des Reaktors. Natürlich müssen viele technische Probleme gelöst werden - insbesondere die Entwicklung von Materialien für die Innenauskleidung der Kammer, die einem intensiven Neutronenbeschuss standh alten können. Aber aus Sicht der Plasmaphysik ist das Bild recht klar – zumindest glauben wir das. ITER muss bestätigen, dass wir uns nicht irren. Wenn alles so weitergeht, wird der Tokamak der nächsten Generation kommen, der zum Prototyp industrieller thermonuklearer Reaktoren werden wird. Aber jetzt ist es zu früh, darüber zu sprechen. In der Zwischenzeit gehen wir davon aus, dass ITER bis Ende dieses Jahrzehnts betriebsbereit sein wird. Höchstwahrscheinlich wird es frühestens 2018 in der Lage sein, heißes Plasma zu erzeugen – zumindest nach unseren Erwartungen.“Aus wissenschaftlich-technischer Sicht hat das ITER-Projekt also gute Aussichten.
