Studie über Diamantschmelze könnte Fusionsenergie verdreifachen

Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory haben eine 20 Jahre alte Diskrepanz beim Verständnis des Verhaltens von Diamanten unter extremem Druck gelöst. Die Ergebnisse könnten den Energieertrag bei Fusionsexperimenten verdreifachen und Modelle vom Inneren von Eisriesen neu gestalten.

Schließung einer zwei Jahrzehnte alten Lücke

Die am Donnerstag in Nature Physics veröffentlichte Studie dokumentiert, wie Diamant unter einem Druck von einem Terapascal schmilzt, was etwa dem Dreifachen der Bedingungen im Erdkern entspricht. Unter Verwendung von lasergetriebener Schockkompression an der Omega Laser Facility der University of Rochester komprimierte das Team winzige Diamantproben auf Temperaturen, die die Sonnenoberfläche übersteigen, während gleichzeitig Atomstruktur, Temperatur, Dichte und optisches Reflexionsvermögen gemessen wurden.phys+1

"Wir konnten winzige Diamantproben nehmen und sie auf Temperaturen komprimieren, die heißer als die Sonnenoberfläche sind, und auf Drücke, die höher als in den Zentren von Neptun und Uranus liegen, und dabei immer noch Atomstruktur, Temperatur, Dichte und optisches Reflexionsvermögen messen", sagte der LLNL-Wissenschaftler Marius Millot, der Hauptautor der Studie.phys

Die Experimente lieferten eine neue Messung der Schmelztemperatur von Diamant bei nahezu 7.300 Kelvin, die fast perfekt mit quantenmechanischen Simulationen übereinstimmte und eine langjährige Lücke von etwa 20 Prozent zwischen beobachteten und vorhergesagten Schmelztemperaturen schloss. Die Arbeit zeigte auch, dass Diamant unter einem einzelnen Schock in seiner kristallinen Struktur bleibt, bis er schmilzt, ohne Zwischenphasen, was früheren Ergebnissen der Z-Maschinen-Experimente der Sandia National Laboratories widerspricht.nature+2

Auswirkungen auf die Fusionsenergie

Die Erkenntnisse haben direkte Konsequenzen für die Trägheitsfusion an der National Ignition Facility des LLNL, wo leistungsstarke Laser Diamantkapseln nach innen treiben, um Fusionsbrennstoff zu komprimieren. Das Schmelzen des Diamanten zu einer gleichmäßigen Flüssigkeit während des anfänglichen Schocks ist entscheidend, um Implosionsfehler zu minimieren.phys

"Unsere Arbeit deutet darauf hin, dass wir etwas langsamere anfängliche Schocks verwenden könnten und dennoch ein vollständiges Schmelzen des Diamanten bei unseren NIF-Implosionen erreichen würden", sagte Millot. "Das ist aufregend, weil ein solcher langsamerer Schock den Fusionsbrennstoff komprimierbarer machen würde. Das wiederum erhöht den maximalen Energieertrag, den wir mit der gleichen Laserenergie erzielen könnten."phys

Prognosen deuten darauf hin, dass diese langsameren Schocks den Energieertrag verdreifachen könnten, vorausgesetzt, andere Degradationsmechanismen können kontrolliert werden.llnl+1

Diamantregen auf Eisriesen

Die Ergebnisse liefern Planetenforschern auch neue Daten für die Modellierung des Inneren von Neptun und Uranus, wo Kohlenstoff vermutlich kristallisiert und als "Diamantregen" herabfällt. Da die Experimente Drücke untersuchten, die über denen im Inneren von Eisriesen liegen, bieten die Schmelzdaten eine stärkere Grundlage für Modelle zur Planetenentstehung und -entwicklung. Das Team plant weitere Experimente an der NIF, um das Verhalten von Diamanten unter noch extremeren Bedingungen als bisher erreicht zu untersuchen.newswise+1