Materie unter den Bedingungen hoher Energiedichte

Plasmaphysik mit intensiven Schwerionen- und Laserstrahlen

Die uns vertraute Umgebung beeindruckt uns täglich durch eine hohe Vielfalt an Erscheinungs- und Wechselwirkungsformen. Wir sind es gewohnt, dass uns die unbelebte Materie in den Zustandsformen fest, flüssig und gasförmig gegenübertritt. Im Universum insgesamt sind jedoch ganz andere Zustandsformen der Materie vorherrschend. Den größten Anteil haben die bisher noch wenig erforschten Materieformen der Dunklen Materie und der Dunklen Energie. Die uns bekannten Materieformen machen nur einen Bruchteil von etwa 4% der Materie im Universum aus und dieser wiederum, existiert zum weit überwiegenden Teil (99%) in der Zustandsform eines Plasmas mit sehr unterschiedlichen Temperaturen und Dichten und zwar als sehr dichtes, heißes Plasma im Inneren der Sterne und als heißes Plasma geringer Dichte in den Sternatmosphären oder im interstellaren Medium.

Plasma Parameter

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Abbildung 1: Parameterbereich für Plasmen. Der dargestellte Bereich erstreckt sich von 100 K ( 102eV) bis 100 Millionen K (104eV) über mehr als 6 Größenordnungen in der Temperatur und 20 Größenordnungen in der Dichte

In Abbildung 1 ist eine Übersicht der Bereiche, in denen Plasmen existieren dargestellt. Unsere Forschungen konzentrieren sich zurzeit auf einen besonders interessanten Plasmazustand von Wasserstoff bei sehr hoher Dichte und mäßiger Temperatur im Bereich der nicht-idealen stark gekoppelten Plasmen, wie sie im Innern von Riesenplaneten, wie dem Jupiter vorkommen. Dort ist Wasserstoff so stark komprimiert, dass er metallische Leitfähigkeit zeigt. Der Übergang zum metallischen Wasserstoff ist in einem Druck und Temperaturbereich angesiedelt, der der f¨r unsere Experimente in naher Zukunft zugänglich sein wird. Da metallischer Wasserstoff theoretisch ein interessanter Energieträger ist, hat diese Forschung auch eine besondere Bedeutung im Rahmen der Energieforschung des TU-Darmstadt Energy Centers.

Solar

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Abbildung 2: Fusionsreaktionen im dichten heißen Plasma des Sonnenzentrums und Erzeugung neuer bisher unbekannter Teilchen nach denen mit dem CAST Experiment am CERN gesucht wird.

Ein Beispiel für stellares Plasma ist die Sonne, die uns seit einigen Milliarden Jahren gleichmäßig und problemlos mit Energie versorgt. Sie macht das Leben auf unserem Planeten erst möglich und ist für uns geradezu ein Symbol einer sicheren und im Einklang mit der Natur stehenden Energiequelle. In Abbildung 2 sind die grundlegenden Prozesse, aus der unsere Sonne und alle Sterne, ihre Energie beziehen dargestellt. Es sind Fusionsreaktionen, bei denen Wasserstoff zu Helium "verbrannt" wird und die Bindungskräfte zwischen den Bausteinen der Atomkerne freigesetzt werden. Ziel unserer Forschungen ist es, diese Prozesse auf der Erde im Labormaßstab zu erforschen und für Anwendungen nutzbar zu machen.

Der Übergang von fester zu flüssiger Materie und schließlich zum heißen Gas und Plasma wird in unseren Experimenten durch Energiedeposition von Schwerionenstrahlen in Materieproben eingeleitet. In einem Plasma ist die thermische Energie der Teilchen so groß, dass der Bindungszustand der Elektronen an das Atom aufgebrochen wird. Ein solches System besteht dann sowohl aus geladenen Teilchen, den Elektronen und Ionen, aber auch aus neutralen Teilchen. Das Häufigkeitsverhältnis hängt von der Dichte und der Temperatur ab. In diesem Zustand bestimmt die langreichweitige Coulombkraft die statistischen Eigenschaften der Materie.

Intensive Strahlen schwerer Ionen und Laserstrahlung, die an den Beschleunigeranlagen der GSI-Darmstadt zur Verfügung stehen, dienen uns als Werkzeuge der Grundlagenforschung, um Details der fundamentalen Wechselwirkungskräfte zu entschlüsseln, die darin enthaltenen Energien zu kontrollieren und für die Energieerzeugung in Kraftwerken nutzbar zu machen. Dies ist ein weiter Weg, aber die ersten Schritte sind bereits getan. Das Hauptproblem ist, den Brennstoff auf extrem hohe Temperaturen aufzuheizen und lange genug zusammenzuhalten. Die Sonne läst diese Aufgabe durch die gewaltigen Gravitationskräfte ihrer riesigen Masse. Der von uns verfolgte Ansatz nutzt die den Gravitationskräften verwandten Trägheitskräfte, um den Fusionsbrennstoff, der gegenüber normaler Materie mehr als 1000fach verdichtet und etwa 100 Million Grad heiß ist, solange zusammenzuhalten, bis schließlich die Zündung der Fusion erfolgt. Die notwendigen Trägheitskräfte werden in kleinen Materieproben durch Bestrahlung mit intensiven Schwerionenstrahlen und Laserstrahlen in geeigneter Bestrahlungsgeometrie erzeugt. Dabei entstehen sehr hohe Temperaturen und extrem hohe Verdichtungszustände von Materie. Die physikalischen Konzepte der Trägheitsfusion können so in skalierbaren Experimenten im Labormaßstab erforscht werden.

Erst seit verhältnismäßig kurzer Zeit wird das Potenzial intensiver Schwerionenstrahlen der GSI-Beschleunigeranlagen genutzt, um Materie in extremen Zuständen zu erzeugen und unter reproduzierbaren Bedingungen im Labor zu untersuchen. Schwere Ionen dringen tief in das Targetvolumen ein und heizen die Materieprobe vom Volumen her gleichmäßig mit geringen Gradienten.

Heating with an ion beam

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Abbildung 3: Prinzip des Heizens von Materie mit dem Ionenstrahl. Das Falschfarbenbild zeigt die Energiedeposition entlang des Strahlpfades mit dem Braggpeak, Bereich hächster Energiedeposition, am Ende der Strahlreichweite.

Von einem Ionenpuls ist die Gesamtenergie mit hoher Präzision bekannt ermöglicht, das zeitliche und räumliche Depositionsprofil der eingetragenen Energie genau zu charakterisieren. Damit ist der Anfangszustand präzise definiert. In Abbildung 3 ist der schematische Aufbau eines Bestrahlungsexperiments bei GSI skizziert. Ein intensiver, zeitlich gesehener sehr kurzer Schwerionenpuls wird auf ein Target fokussiert, um eine hohe Energiedeposition zu erreichen. Der Ionenstrahl dringt wie in der Abbildung gezeigt in das Volumen des Materials ein und heizt es in einer Zeitspanne auf, die sehr kurz ist verglichen mit den hydrodynamischen Responsezeiten der Targetausdehnung. Die schnelle Aufheizung zwingt die Atome, sich neu zu ordnen und es werden Zustände erreicht, die in Temperatur und Dichte ähnlich sind wie im Inneren von großen Planeten oder es können Zustände durchlaufen werden, die für ein Konvertertarget in einem Fusionsreaktor charakteristisch sind. Ein ultra-intensiver Laserpuls, (Abb. 4) wie er von dem PHELIX Laser der GSI zur Verfügung gestellt werden kann, liefert mit Hilfe von sehr kurzen Röntgenblitzen Einblicke in die schnell ablaufenden Vorgänge im Innern des Targets, z.B. über die Repositionierung der Atome während der schnellen Schmelzphase und erlaubt damit erstmals quantitative Einblicke in die Vorgänge während des schnellen Schmelzens. Selbst hochschmelzende Elemente wie Kohlenstoff können untersucht werden, und damit kann zur Beantwortung der Frage beigetragen werden, ob im Inneren von Planeten wie Neptun und Uranus Kohlenstoff in einer flüssigen Phase existieren kann.In einem anderen Experimentszenario (rechter Teil von Abb. 4) wird ein ringförmiger Strahlfokus erzeugt. Dies führt zu einer Kompression des Materials innerhalb des Ringes. Hier ist es das Ziel, hohe Drücke zu erzeugen die dazu führen können, daß nicht leitende Materialien unter diesen Bedingungen metallische Eigenschaften zeigen. Hier ist besonders Wasserstoff interessant, da bei einem Druck von etwa 5 mbar und geringer Temperatur (≤ 1 eV) eine metallische Phase vorausgesagt wird. Es wird vermutet, daß große Bereiche des Jupiterinneren aus metallischem Wasserstoff bestehen.

HiHex Szenario

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Abbildung 4: Schematische Darstellung des HiHex-Szenarios (links) mit Röntgendiagnostik durch einen Petawatt-Laser und des LaPlas-Szenarios (rechts) mit Targetheizung durch einen ringförmigen Strahl

Am Beispiel des Phasendiagramms zeigt Abbildung 5 den derzeitigen Stand der experimentellen und theoretischen Entwicklung. Fast alle Messungen von Zustandsgleichungen beschränken sich auf den schmalen Bereich entlang der Hugoniot Kurve für festes oder poröses Ausgangsmaterial. Nur für wenige Metalle sind die kritischen Punkte bekannt. Von theoretischer Seite her sind in den vergangenen Jahren durch verschiedene Methoden Fortschritte erzielt worden. Hierzu gehören ab initio Rechnungen, Monte-Carlo und Molekular Dynamik Rechnungen und selbstkonsistente Feldmethoden. Die Gültigkeit der Modelle ist jedoch stets auf einen engen Bereich des betreffenden physikalischen Zustands beschränkt.

Moderne und fortgeschrittene Methoden unterscheiden sich darin wie die Zustandsgleichungen berechnet werden und welche Typen von Integral- und Differentialgleichungen herangezogen werden. Während im Festkörper aufgrund der vorhandenen Nah- und Fernordnung die Lösung der Schrödinger Gleichung ausreicht, um die Bandstruktur und die Zustandsdichte zu beschreiben, sind im Falle von Flüssigkeiten oft umfangreichere Rechnungen erforderlich. Dabei ist die Grundlage der Beschreibung das intramolekulare Potential, die Korrelationsfunktion und die Integralgleichung, die beides verbindet.

Phasendiagramm

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Abbildung 5: Phasendiagramm zur Zustandsgleichung von Materie. Der grün markierte Bereich entspricht dem Parameterraum der mit FAIR experimentell getestet werden kann.

Die Beschleunigeranlagen und Laseranlagen der GSI bieten schon heute hervorragende Möglichkeiten, auf einer reduzierten Skala Schlüsselexperimente durchzuführen. Die neuen Anlagen von FAIR bei der GSI werden die Möglichkeiten in vielen Bereichen wesentlich erweitern. Im Vordergrund stehen dabei Experimente, die unser Verständnis von den Eigenschaften von Materie unter den Bedingungen hoher Energiedichte, also hohem Druck und Temperatur, vertiefen.

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