Max-Planck-Princeton-Partnerschaft in der Fusionsforschung bestätigt

  • 27. November 2017

Astrophysikalische und Fusions-Plasmen im Fokus der Förderung.

Mit Bestnote hat das „Max-Planck-Princeton Center for Plasma Physics“, das 2012 von der Max-Planck-Gesellschaft und der US-amerikanischen Princeton-Universität gegründet wurde, die Evaluierung seiner wissenschaftlichen Arbeit bestanden. Jetzt beschloss die Max-Planck-Gesellschaft die Förderung mit jährlich 250.000 Euro für weitere zwei bis maxi­mal fünf Jahre. Ziel des Zentrums ist es, die bislang wenig koordinierten Forschungen zu Fu­si­ons-, Labor- und Weltraumplasmen zu verbinden und Synergien nutzbar zu machen.

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Abb.: Turbulenz im Sonnenwindplasma. Die Simulation zeigt die von der Turbulenz hervorgerufenen Magnetfeld-Schwankungen. Ihre räumliche und zeitliche Struktur kann man mit Messungen von Raumsonden vergleichen. (Bild: IPP, Daniel Told)

Partner des Zentrums sind auf Seite der Fusions­forschung das Max-­Planck-­Institut für Plasmaphysik in Garching und Greifswald (IPP) sowie das Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) in den USA. Astro­physi­kali­sche Plasmen werden in den Max-­Planck-­Instituten für Sonnen­system­forschung in Göttingen sowie Astro­physik in Garching und in der Fakultät für Astro­physik der Universität Princeton untersucht. Vor allem durch den Austausch von Wissenschaftlern, insbesondere Nachwuchswissenschaftlern, wurden in den vergangenen fünf Jahren gemeinsam Computercodes entwickelt oder an den An­la­gen MRX in Princeton, Vineta in Greifswald und ASDEX Upgrade in Garching ex­pe­ri­men­tiert. „Zur Evaluierung konnte das Zentrum insgesamt 150 Publikationen vor­weisen, die beträchtliche Fortschritte in wesentlichen Feldern der Plasma- und Astro­physik mar­kieren“, sagt Professor Per Helander, Leiter des IPP-Bereichs Stella­rator­theorie und neben Professor Amitava Bhattacharjee vom PPPL seit 2017 Stell­ver­tre­tender Direktor des Max-­Planck-­Princeton Center.

So kann jetzt bei der alten astrophysikalischen Frage, warum der Sonnenwind viel heißer ist als die Sonnenoberfläche, ein Computercode helfen, der zur Beschreibung der Tur­bu­lenz in Fu­si­ons­plasmen entwickelt wurde. Damit konnten Plasmatheoretiker des IPP zusam­men mit amerikanischen Kollegen den Heizmechanismus im Sonnenwind-Plasma detailliert untersuchen – mit bislang unerreichter Genauigkeit – und mit Raumsonden-Messungen vergleichen.

Ein weiteres Rätsel, dessen Lösung man im Max-Planck-Princeton Center näher­ge­kommen ist: Warum läuft in Weltraum und Labor die magnetische Rekonnexion, also das Aufbrechen und neue Verbinden magnetischer Feld­linien, viel schneller als die Theorie erwarten lässt? Ob Sonnenkorona oder Fusionsplasma – mit der Umordnung der Feld­linien ist stets die rasche Umwandlung von magnetischer Energie in Wärme- und Be­we­gungs­energie der Plasmateilchen verbunden. Physiker des Max-­Planck-­Instituts für Sonnen­system­forschung und der Universität Princeton haben hierfür einen schnellen Mecha­nis­mus beschrieben, der die Beob­acht­ungen in der Sonnen­korona erklären könnte: die Ausbildung instabiler Plasmoide. Auch die sogenannte Sägezahn-Instabilität in Fusi­ons­plasmen – das wiederholte Ausschleudern von Teilchen aus dem Plasmazentrum – beruht auf blitzschneller Rekon­nexion der Mag­net­feld­linien. Im Rahmen der Max-­Planck-­Princeton-Kooperation ist IPP-Wissenschaftlern nun erstmals eine realistische Simulation gelungen, die die rasante Geschwindigkeit erklären kann.

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Abb.: Vineta-II, eine der Forschungs­anla­gen, die dem Max-­Planck-­Princeton Center zur Verfügung stehen. Das Plasma­ex­peri­ment im Max-­Planck-­Institut für Plasma­physik in Greifs­wald untersucht die Vorgänge bei magnetischer Rekonnexion. (Bild: IPP)

Nicht zuletzt hat ein neuer Theorie-Ansatz zur Berech­nung mag­neti­scher Gleich­gewichte, der zunächst in Princeton entwickelt wurde, zu einem sehr schnellen Computercode geführt. In der Max-­Planck-­Princeton-Kooperation wurde er zusammen mit dem IPP in Greifs­wald weiter­entwickelt. Mit dem neuen Algorithmus dauern Gleich­gewichts­rech­nungen für die komplexen Magnet­felder künftiger Stellarator-Fusi­ons­an­lag­en nun nicht mehr Monate, sondern nur noch wenige Minuten.

„Wie erhofft, hat das Center neue Kooperationen geschaffen und tragfähige Brücken geschlagen, einerseits zwischen der Erforschung von Plasmen in Fu­si­ons­an­la­gen, im Labor und im Weltraum sowie andererseits zwischen amerikanischen und deutschen Plasmaphysikern“, fasst Professor Sibylle Günter, die Wissenschaftliche Direktorin des IPP, die vergangenen fünf Jahre Max-Planck-Princeton Center zusammen. Gemeinsam mit Professor Stewart Prager vom PPPL ist sie eine der beiden Co-Direktoren des Zentrums. Die erfolgreiche Zusammenarbeit hat inzwischen weitere Partner angezogen: Im Juli 2017 wurde ein Memorandum of Understanding zum Beitritt der japanischen National Institutes of Natural Sciences unterzeichnet: „Wir freuen uns sehr auf die nächsten Jahre gemein­samer Forschung“, so Sibylle Günter, „die mit der jetzigen Bestätigung durch die Max­-Planck-­Gesellschaft möglich werden“.

IPP / LK

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