Stel je voor dat je probeert de zon naar je onderzoekslaboratorium te roepen.

Ja, jij, grote heldere ster! Breng je verzengende hitte, het drama van de constante kernfusie van je kern en je ongewone energieniveaus met je mee. We willen weten hoe we deze fusie-energie hier op aarde kunnen laten plaatsvinden - naar believen en efficiënt - zodat we "energievoorziening" voor altijd van onze lijst met zorgen kunnen schrappen.

Maar de zon kan natuurlijk niet echt bij het lab komen. Het leeft te ver weg - zo'n 93 miljoen mijl - en het is veel te groot (ongeveer 864.000 mijl in diameter). Het is ook veel te heet en dichter dan wat dan ook op aarde. Daarom kan het de reacties ondersteunen die alle energie genereren die het leven op aarde aandrijft.

Dit heeft wetenschappers er natuurlijk niet van weerhouden hun zoektocht naar kernfusie voort te zetten.

In plaats daarvan hebben ze buitengewone manieren gevonden - met behulp van intense lasers en waterstofbrandstof - om extreme omstandigheden te creëren zoals die in de kern van de zon bestaan, door kernfusie te produceren in kleine plastic capsules van 1 millimeter. Deze benadering wordt "inertiële opsluitingsfusie" genoemd.

De uitdaging is om een ​​systeem te creëren dat meer fusie-energie opwekt dan nodig is om het te creëren.

Dit is buitengewoon uitdagend omdat het experimenten met hoge precisie onder extreme omstandigheden vereist, maar onderzoekers hebben de afgelopen decennia grote vooruitgang geboekt in de wetenschap en technologie die nodig zijn om gecontroleerde laboratoriumfusie te produceren.

Nu streven onderzoeker Arijit Bose van de Universiteit van Delaware en zijn medewerkers naar een veelbelovende variant van deze benadering. Hun werk is onlangs gepubliceerd in Physical Review Letters .

Ze hebben krachtige magnetische velden toegepast op de lasergestuurde implosie, waardoor ze fusiereacties kunnen sturen op manieren die voorheen onontgonnen waren in experimenten.

Bose, een assistent-professor aan de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de UD, begon zijn studie over kernfusie tijdens de graduate school aan de Universiteit van Rochester.

Na een rondleiding door het Laboratory for Laser Energetics in Rochester, waar lasers worden gebruikt om sferische capsules te imploderen en plasma's te maken, ook wel bekend als 'inertiële opsluitingsfusie', vond hij een focus voor zijn eigen onderzoek.

"Fusie is wat alles op aarde aandrijft", zei hij. "Om een ​​miniatuurzon op aarde te hebben - een zon van een millimeter groot - dat is waar de fusiereactie zou plaatsvinden. En dat verbaasde me."

Onderzoek naar kernfusie door lasers bestaat al tientallen jaren, zei Bose.

Het begon in het Lawrence Livermore National Lab in de jaren '70. Livermore herbergt nu het grootste lasersysteem ter wereld, ter grootte van drie voetbalvelden. Het fusieonderzoek dat daar wordt gedaan, maakt gebruik van een indirecte benadering. Lasers worden gericht in een klein blikje goud van 100 millimeter. Ze raken het binnenoppervlak van het blik en produceren röntgenstralen, die vervolgens het doelwit raken - een kleine bol gemaakt van bevroren deuterium en tritium - en het verwarmen tot temperaturen nabij de kern van de zon.

"Niets kan dat overleven," zei Bose. "Elektronen worden van de atomen gestript en de ionen bewegen zo snel dat ze botsen en samensmelten."

Het doelwit implodeert binnen een nanoseconde - een miljardste van een seconde - eerst aangedreven door de laser en vervolgens verder comprimerend op zijn eigen traagheid. Ten slotte zet het uit vanwege de toenemende centrale druk veroorzaakt door de compressie.

"Het starten van een zelfverwarmde fusiekettingreactie wordt ontsteking genoemd", zei Bose. "We zijn opmerkelijk dicht bij het bereiken van ontsteking."

Onderzoekers van Livermore rapporteerden op 8 augustus indrukwekkende nieuwe winsten in die inspanning.

De OMEGA-laserfaciliteit van Rochester is kleiner en wordt gebruikt om een ​​direct-drive-benadering te testen. Dat proces gebruikt geen goudblik. In plaats daarvan raken lasers de doelbol rechtstreeks.

Het nieuwe stuk is het krachtige magnetische veld - in dit geval krachten tot 50 Tesla - dat wordt gebruikt om de geladen deeltjes te beheersen. Ter vergelijking:typische magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) gebruikt magneten van ongeveer 3 Tesla. En het magnetische veld dat de aarde afschermt van de zonnewind is vele orden van grootte kleiner dan 50T, zei Bose.

"Je wilt dat de kernen samensmelten," zei Bose. "De magnetische velden vangen de geladen deeltjes op en zorgen ervoor dat ze rond de veldlijnen gaan. Dat helpt bij het creëren van botsingen en dat helpt fusie te stimuleren. Daarom heeft het toevoegen van magnetische velden voordelen voor het produceren van fusie-energie."

Fusion vereist extreme omstandigheden, maar het is bereikt, zei Bose. De uitdaging is om meer energie-output dan input te krijgen en de magnetische velden zorgen voor het zetje dat deze benadering transformerend kan maken.

De experimenten gepubliceerd in Physical Review Letters werden gedaan toen Bose postdoctoraal onderzoek deed bij MIT's Plasma Science and Fusion Center. Die samenwerking gaat door.

Bose zei dat hij zich aangetrokken voelde tot de Universiteit van Delaware, deels vanwege de focus op plasmafysica in het departement Natuur- en Sterrenkunde, waaronder William Matthaeus, Michael Shay en Ben Maruca.

"Ze doen studies en analyses van gegevens afkomstig van het NASA-zonneprogramma en al zijn missies", zei hij. "We voeren laboratoriumastrofysica-experimenten uit waarbij deze verschijnselen in ruimte en tijd worden verkleind tot het laboratorium. Dit geeft ons een middel om enkele van de ingewikkelde natuurkundige vragen van NASA-missies te ontrafelen."

Studenten zijn belangrijke drijfveren van dit werk, zei Bose, en hun carrière kan grote vooruitgang zien in dit nieuwe vakgebied.

"Het is een fascinerend onderdeel van de wetenschap en studenten zijn een zeer belangrijk onderdeel van de personeelsontwikkeling voor de nationale laboratoria", zei hij. "Studenten met ervaring in deze wetenschap en technologie eindigen vaak als wetenschappers en onderzoekers in de nationale laboratoria."

Er is nog veel meer werk te doen, zei hij.

"We hebben morgen geen oplossing. Maar wat we doen is bijdragen aan een oplossing voor schone energie." + Verder verkennen

Magnetiserende lasergestuurde traagheidsfusie-implosies