de.wedoany.com-Bericht: Forscher der University of California, Davis (UC Davis) und des Lawrence Berkeley National Laboratory haben herausgefunden, dass umgebende Materialien die Häufigkeit von Kernfusionen bei niedrigen Energien deutlich erhöhen können. Diese Entdeckung hat ein neues Forschungsfeld namens „materialgetriebene Fusion“ hervorgebracht.
Das Team erklärte in einer Pressemitteilung, dass Forscher möglicherweise nicht mehr nur Materialien entwerfen, die den rauen Bedingungen der Fusion standhalten, sondern auch solche, die Reaktionen unter bestimmten Bedingungen fördern – ähnlich wie Katalysatoren chemische Prozesse beschleunigen.
Um zu testen, wie das Wirtsmaterial die Fusion beeinflusst, kapselte das Team Deuterium (ein schweres Isotop des Wasserstoffs) in dünne Metallfolien aus Titan und Palladium ein. Sie verwendeten zwei verschiedene Techniken, um das Deuterium in die Metalle zu laden, und schossen anschließend einen Strahl von Deuteriumionen über einen Energiebereich hinweg direkt auf die beladenen Folien. Die Häufigkeit der Fusionen wurde gemessen und mit Reaktionen im freien Raum ohne umgebendes Metall verglichen.
Die Standard-Physiktheorie sagt voraus, dass die Fusionsrate bei Kollisionsenergien unter 2,5 Kiloelektronenvolt (keV) drastisch abfällt. Die Messungen des Teams zeigten jedoch ein überraschendes Ergebnis: Bei niedrigeren Energien flachte die Fusionsrate ab und bildete ein Plateau. In einigen Metallproben trat die Fusion etwa hundert Trillionen Mal häufiger auf als bei Reaktionen ohne Wirtsmaterial (das entspricht einer 1 gefolgt von 18 Nullen).
Diese enorme Steigerung der Reaktionsrate wird der subatomaren Struktur des Wirtsmetalls zugeschrieben. Die Elektronen im Inneren des Metalls sowie winzige Defekte in der Folienstruktur wirken wie eine Abschirmschicht um die positiv geladenen Deuteriumkerne. Die Forscher erklärten, dass die Elektronen und Defekte im Material die elektrostatische Abstoßung zwischen den Deuteriumkernen teilweise abschirmen könnten, sodass diese sich leichter annähern und fusionieren können.
Durch die Anpassung der inneren Struktur, des Elektronenverhaltens und der Gesamtzusammensetzung des Materials können Forscher beeinflussen, wie leicht diese Kernreaktionen ablaufen. Neben der Stromerzeugung erzeugt die kontrollierte Niederenergiefusion auch subatomare Teilchen, sogenannte Neutronen. Arun Persaud, Leiter der Gruppe für Fusionswissenschaft und Ionenstrahltechnologie in der Abteilung für Beschleunigertechnologie und angewandte Physik (ATAP) des Berkeley Lab, fasste zusammen: Wenn dieser Effekt besser verstanden werde, könne dies die Grundlage für die Entwicklung neuer Materialien schaffen, die unter bestimmten Bedingungen die Fusionsrate beeinflussen. Zukünftige Fortschritte könnten kompaktere und effizientere Neutronengeneratoren hervorbringen, die in der Frachtkontrolle, Planetenforschung, medizinischen Behandlung und Bildgebung breite Anwendung finden.
Die Arbeit des Teams etablierte eine zuverlässige, reproduzierbare Methode, um zu testen, wie feste Metalle Kernwechselwirkungen beeinflussen, und schafft neue Verbindungen zwischen Fusionswissenschaft, Materialwissenschaft und Chemie. Diese Entdeckung knüpft an laufende Arbeiten am Ames National Laboratory an, das darauf abzielt, besser zu verstehen, wie Materialien mit Kernprozessen umgehen. Dort erweitern Wissenschaftler ein KI-Tool namens DuctGPT, um die Vorhersage des Verhaltens von Materialien in aktiven Fusionsenergiesystemen zu verbessern. Der Betrieb von Fusionssystemen setzt die umgebenden Komponenten extremen Bedingungen aus, darunter hohe Temperaturen, Strahlung und mechanische Belastung. Durch die Integration neuer Daten und Modelle in DuctGPT können Forscher besser vorhersagen, wie sich verschiedene Materialien im Laufe der Zeit unter diesen extremen Bedingungen verhalten.
