Was ist ein Plasma?
Plasma ist ein Zustand der Materie neben Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen. Es besteht aus einem teilweise ionisierten Gas, das Ionen, Elektronen und neutrale Atome enthält.
Was bedeutet das?
In einem Plasma werden einige Elektronen von ihren Atomen befreit, wodurch Strom und Elektrizität fließen können. Eines der wenigen natürlich vorkommenden Plasmen auf der Erde ist der Blitz!
Kannst du dir andere Plasmen vorstellen?
- Glühbirnen enthalten Quecksilberplasma.
- Sterne, wie die Sonne, sind heiße Plasmabälle.
- Aurora Borealis und Aurora Australis
- Fusionsreaktoren wie der NSTX-U verwenden Plasma, um Atome zur Energiegewinnung zu verschmelzen.
- Plasmadisplays verwenden kleine Plasmazellen, um Bilder zu beleuchten.
Was ist Fusion?
Leichte Atome wie Wasserstoff (ein Proton und ein Neutron) können so fest miteinander verschmelzen, dass sie Energie freisetzen. Dies geschieht nur, wenn sich die beiden positiv geladenen Kerne so weit annähern, dass sie die elektrische Kraft überwinden, die sie auseinander treibt. Wenn sich die Kerne nahe genug kommen, übernimmt die Kraft, die Protonen und Neutronen aneinander bindet, die starke Kraft, und zieht die Kerne noch enger zusammen.
Der Kern der Sonne ist ein natürlicher Fusionsreaktor. Bevor die Sonne entstand, war sie eine Gaswolke, die hauptsächlich aus Wasserstoff und etwas Helium bestand. Irgendwann wurde die Wolke so massiv, dass sie durch die Schwerkraft in sich zusammenfiel und einen Stern bildete. Bei zahlreichen Kollisionen im Kern der Sonne wurden Elektronen von Ionen befreit, wodurch ein Plasmazustand entstand. Die Fusion in der Sonne begann, als die Zusammenstöße zwischen den Ionen so häufig wurden, dass die Ionen nahe genug kamen, um miteinander zu verschmelzen.
Die Sonne nutzt die Schwerkraft, um ihre Kerne nahe genug und heiß genug zu bekommen, um die Fusion zu starten. Auf der Erde versuchen Forscher, ihre eigenen Fusionsreaktoren zu bauen. Sie versuchen, die Atome nahe genug zusammenzubringen, indem sie die Anzahl der Ionen in einem kleinen Bereich und die Zeit, in der sie dicht beieinander bleiben, maximieren. Dazu werden die Reaktoren auf Temperaturen aufgeheizt, die viel heißer sind als der Kern der Sonne (>100.000.000 °C), wodurch Wasserstoffgas in ein Wasserstoffplasma umgewandelt wird. Starke Magnetfelder oder Hochleistungslaser grenzen das Plasma dann in einen kleinen, kontrollierbaren Bereich ein, in dem die Fusion stattfinden kann.
Tokamak-Fusionsreaktoren wie der NSTX-U pumpen den Großteil der gewonnenen Energie in schnelle Neutronen. Die Energie dieser Neutronen kann in einer Hülle gesammelt werden, die das Plasma umgibt und aus einer geschmolzenen Mischung aus Lithium und Blei bestehen kann. Die überschüssige Wärme in dieser Hülle kann dann zur Erzeugung von Dampf genutzt werden, um Turbinen anzutreiben und Strom zu erzeugen.