Permanente magneten zoals die op koelkasten worden gebruikt, kunnen de ontwikkeling van fusie-energie versnellen - dezelfde energie die wordt geproduceerd door de zon en de sterren.

In principe, dergelijke magneten kunnen het ontwerp en de productie van bochtige fusiefaciliteiten, stellarators genaamd, aanzienlijk vereenvoudigen, volgens wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en het Max Planck Institute for Plasma Physics in Greifswald, Duitsland. De oprichter van PPPL, Lyman Spitzer Jr., vond begin jaren vijftig de stellarator uit.

De meeste stellarators gebruiken een reeks complexe gedraaide spoelen die als strepen op een snoepriet spiraalsgewijs draaien om magnetische velden te produceren die het plasma vormen en regelen dat fusiereacties aanwakkert. Koelkastachtige permanente magneten kunnen het harde deel van deze essentiële velden produceren, zeggen de onderzoekers, eenvoudig toestaan, niet-gedraaide spoelen om het resterende deel te produceren in plaats van de complexe spoelen.

Twisted coils het duurst

"De gedraaide spoelen zijn het duurste en meest gecompliceerde onderdeel van de stellarator en moeten met zeer grote precisie in een zeer gecompliceerde vorm worden vervaardigd, " zei natuurkundige Per Helander, hoofd van de Stellarator Theory Division bij Max Planck en hoofdauteur van een paper waarin het onderzoek in Fysieke beoordelingsbrieven ( PRL ). "We proberen de eis aan de spoelen te verlichten door permanente magneten te gebruiken."

stellarators vereenvoudigen, die lopen zonder het risico van schadelijke verstoringen waarmee meer algemeen gebruikte tokamak-fusie-apparaten worden geconfronteerd, grote aantrekkingskracht kan hebben. "Ik ben enorm enthousiast over het gebruik van permanente magneten om het plasma in stellarators vorm te geven, " zei Steve Cowley, PPPL directeur en een co-auteur van het papier. "Het leidt tot een veel eenvoudiger technisch ontwerp."

Fusie, de kracht die de zon en de sterren aandrijft, combineert lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - die enorme hoeveelheden energie genereert. Wetenschappers over de hele wereld gebruiken tokamaks, stellarators, en andere faciliteiten in het streven om kernfusie op aarde te creëren en te beheersen voor een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en schone energie om elektriciteit op te wekken.

Het nieuwe idee voor permanente magneten is een uitloper van een wetenschapsbeursproject dat Jonathan Zarnstorff, de zoon van PPPL Chief Scientist Michael Zarnstorff, een co-auteur van het papier, in elkaar gezet op de middelbare school. Jonathan wilde een railkanon bouwen, een apparaat dat gewoonlijk hoogspanningsstroom gebruikt om een ​​magnetisch veld te genereren dat een projectiel kan afvuren. Maar de hoogspanningsstroom zou gevaarlijk zijn om in een klaslokaal te gebruiken.

Vader en zoon oplossing

De oplossing waar vader en zoon toe kwamen was om neodymium te gebruiken, of zeldzame aarde, permanente magneten om het magnetische veld veilig te produceren. Zeldzame aarde magneten hebben verrassende en nuttige eigenschappen. Ze genereren vrij krachtige velden voor het kleine formaat van de magneten, en dit zijn "harde" velden die bijna niet worden beïnvloed door andere velden in de buurt. Deze magneten kunnen dus zorgen voor wat natuurkundigen het 'poloïdale' deel van een spiraalvormig stellaratorveld noemen, terwijl eenvoudige ronde spoelen het "ringvormige" deel zouden kunnen vormen dat de rest van het veld vormt. "Ik had daar in de loop der jaren over nagedacht, maar had geen tijd om het idee te ontwikkelen, " Zei Zarnstorff. Het idee kwam uiteindelijk tot wasdom tijdens gesprekken met Cowley en natuurkundige Cary Forest van de Universiteit van Wisconsin-Madison.

Permanente magneten zijn altijd "aan" in schril contrast met de standaard elektromagnetische spoelen die stellarators en tokamaks gebruiken. Dergelijke spoelen creëren magnetische velden wanneer er een elektrische stroom doorheen loopt - stroom die voedingen vereist die permanente magneten niet nodig hebben. Andere voordelen van het gebruik van permanente magneten om stellaratorspoelen te vereenvoudigen zijn:

• Lagere kosten dan handgemaakte elektromagneten;
• Creëren van voldoende ruimte tussen de vereenvoudigde spoelen om het onderhoud te vergemakkelijken;
• Mogelijkheid om de magneten te herpositioneren om een ​​verscheidenheid aan vormen voor de magnetische velden te creëren;
• Verminderde engineering- en productierisico's.

Permanente magneten hebben nadelen, te. "Je kunt ze niet uitschakelen, "Helander zei, wat betekent dat ze alles kunnen aantrekken wat ze binnen bereik kunnen aantrekken. Ze produceren ook een beperkte maximale veldsterkte, hij zei. Niettemin, dergelijke magneten "kunnen geweldig zijn voor het maken van experimenten op weg naar een reactor, " hij voegde toe, "en er komen mogelijk sterkere permanente magneten beschikbaar."

Nieuwe set gereedschappen

Voor Zarnstorff, permanente magneten zijn "een strategie en een nieuwe set gereedschappen, en we moeten uitzoeken hoe we ze kunnen gebruiken." Hij plant nu verschillende toepassingen. Eerst komt de bouw van een tafelmodel stellarator met geïnstalleerde permanente magneten. Verderop hoopt hij dat PPPL 's werelds eerste eenvoudig geoptimaliseerde stellarator kan produceren, een die is ontworpen om aan specifieke prestatiedoelen te voldoen. Die faciliteit zou kunnen worden opgewaardeerd om de veldsterkte te vergroten, ter voorbereiding op de verdere ontwikkeling van de vereenvoudigde machine. Eventueel, een stellarator inclusief permanente magneten zou energie kunnen produceren om elektriciteit op te wekken voor de hele mensheid.