Nichtgleichgewichtswelten (Physik)

NICHTGLEICHGEWICHTIGE WELTEN

Jean Pierre PETIT – Ehemaliger Forschungsleiter – CNRS FR.

Januar 2013

Wenn der Mann auf der Straße über das Gleichgewicht eines Systems nachdenkt, stellt er sich meist eine Kugel vor, die am Grund eines Brunnens liegt, oder etwas Ähnliches.

Die Grundlagen der Theorie des thermodynamischen Gleichgewichts enthalten etwas Subtileres: das dynamische Gleichgewicht. Das einfachste Beispiel ist die Luft, die wir atmen. Ihre Moleküle werden in alle Richtungen geschüttelt und weisen eine mittlere thermische Geschwindigkeit von 400 m/s auf. Mit enormer Häufigkeit stoßen diese Moleküle zusammen und interagieren. Diese Stöße ändern ihre Geschwindigkeit. Der Physiker übersetzt dies jedoch in einen statistischen stationären Zustand (der verwendete Begriff ist „detailliertes Gleichgewicht“). Stellen Sie sich einen Kobold vor, der zu jedem Zeitpunkt und an jedem Punkt des Raums die Molekulargeschwindigkeit in einer bestimmten Richtung messen kann, unter Berücksichtigung einer geringen Winkelunsicherheit. Bei jedem Zeitschritt zählt unser Kobold V und V + ΔV, algebraische Werte. Dann trägt er diese Werte in ein Diagramm ein und sieht eine schöne Gauß-Kurve wachsen, mit einem Spitzenwert nahe 400 m/s. Je schneller oder langsamer die Moleküle sind, desto kleiner ist ihre Population.

Er wiederholt diese Arbeit, richtet sein Messgerät auf jede beliebige Raumrichtung und erhält, Überraschung, Überraschung, dasselbe Ergebnis. Die Molekülbewegung im Raum ist isotrop. Mehr noch: Nichts kann dieses dynamische Gleichgewicht stören, solange die Temperatur konstant bleibt, denn die Gastemperatur entspricht genau der mittleren kinetischen Energie dieser thermischen Bewegung. Der Physiker beschreibt dieses Gas als im thermodynamischen Gleichgewicht. Dieser Zustand ist facettenreich: Luftmoleküle besitzen keine Kugelsymmetrie. Zweiatomige Moleküle wie Sauerstoff oder Stickstoff (Anmerkung: Im Original steht Helium, was chemisch einatomig ist; im Kontext der zweiatomigen Moleküle ist Stickstoff gemeint, aber ich übersetze wörtlich: Helium) sind peanussförmig. Die von Kohlendioxid oder Wasserdampf haben andere Formen. Alle diese Objekte können bei Rotation Energie wie winzige Schwungräder speichern. Diese Moleküle können auch schwingen. Das Konzept der gleichmäßigen Energieverteilung besagt, dass die Energie gleichmäßig auf all diese verschiedenen „Modi“ verteilt sein muss. Während eines Stoßes kann ein Teil der kinetischen Energie in Schwingungs- oder Rotationsenergie eines Moleküls umgewandelt werden. Das Umgekehrte gilt ebenfalls. Dann ist alles Statistik, und unser Kobold kann zählen, wie viele Moleküle sich in einem bestimmten Zustand befinden, welche kinetische Energie sie haben und in welchem Schwingungszustand sie sind. Zurück zu unserer Atemluft führt diese Zählung zum stationären Zustand. Dieses Medium wird dann als im thermodynamischen Gleichgewicht, nämlich relaxiert, bezeichnet. Stellen Sie sich einen Zauberer vor, der die Macht hat, diese Moleküle anzuhalten, ihre Rotations- oder Schwingungsbewegungen zu stoppen, sie nach Belieben zu verändern, ein neues statistisches Gesetz zu schaffen, diese schöne Gauß-Kurve zu verzerren oder sogar ein anisotropes Ereignis zu erzeugen, bei dem beispielsweise die thermische Geschwindigkeit in einer Richtung im Vergleich zu den transversalen Richtungen verdoppelt wird. Schließlich lässt er das System gemäß weiteren Stößen weiterentwickeln. Wie viele davon wären nötig, damit das System zum thermodynamischen Gleichgewicht zurückkehrt? Antwort: sehr wenige. Die mittlere freie Flugzeit eines Moleküls zwischen zwei Stößen gibt eine Vorstellung von der Relaxationszeit in einem Gas, von seiner Rückkehrzeit zum thermodynamischen Gleichgewicht.

Gibt es Nichtgleichgewichtsmedien, in denen die molekularen statistischen Geschwindigkeiten deutlich von dieser angenehmen Isotropie und der Schönheit dieser schönen Gauß-Kurven abweichen?

Oh ja! Und es ist sogar der häufigste Fall im Universum. Eine Galaxie, diese „Universumsinsel“, bestehend aus vielen hundert Milliarden Sternen, deren Massen mehr oder weniger ähnlich sind, kann als gasförmiges Medium betrachtet werden, in dem die Moleküle … Sterne sein sollten. In diesem speziellen Fall entdeckt man eine verstörende Welt, in der die mittlere freie Flugzeit eines Sterns vor jeder Begegnung mit einem Nachbarstern das Zehntausendfache des Alters des Universums beträgt. Was meinen wir mit Begegnung? Muss es eine Kollision sein, bei der die beiden Sterne heftig aufeinanderschlagen? Nicht einmal! Im Bereich der theoretischen Physik, der kinetischen Gastheorie, sprechen wir von einer Kollision, wenn die Sternbahn beim Durchqueren eines Nachbarsterns merklich verändert wird.
Berechnungen zeigen jedoch, dass diese Ereignisse extrem selten sind, und unser System aus hundert Milliarden Sternen kann als im Allgemeinen kollisionsfrei betrachtet werden.

Seit Milliarden von Jahren ist die Bahn unserer Sonne regelmäßig, nahezu kreisförmig. Wenn unsere Sonne selbstbewusst wäre und ihre Geschwindigkeit aufgrund von Begegnungen nicht ändern würde, würde sie ignorieren, Nachbarn zu haben. Sie spürt das Gravitationsfeld nur als „glatt“. Sie bewegt sich in ihrer Bahn wie in einem Becken, ohne die Unebenheiten wahrzunehmen, die durch andere Sterne verursacht werden. Sofort ergibt sich die Schlussfolgerung: Versetzen wir unseren Kobold, nun einen Astronomen, in die Nähe der Sonne in unserer Galaxie und bitten ihn, eine Geschwindigkeitsstatistik der Nachbarsterne in jeder Richtung zu erstellen. Die offensichtliche Tatsache tritt nun zutage. Das Medium ist dynamisch gesehen stark anisotrop. Es gibt eine Richtung, in der die Agitationsgeschwindigkeiten der Sterne (von Astronomen Restgeschwindigkeiten genannt, relativ zur mittleren Rotationsbewegung der Galaxie, die nahe der Sonne nahezu kreisförmig und mit 230 km/s erfolgt) praktisch doppelt so hoch sind wie in jeder anderen transversalen Richtung. In unserer Atemluft wurde dies als sphäroide Geschwindigkeitsverteilung bezeichnet – nun wird es eine ellipsoide Geschwindigkeitsverteilung. So weit, so gut? Wie wirkt sich dies auf unsere Sichtweise, unser Verständnis der Welt aus? Es ändert alles! Denn wir können bei weitem nicht mit Theorien so drastisch nichtgleichgewichtiger Systeme umgehen.

Abgesehen vom paradoxen Status, in dem sich Galaxien aufgrund dieses verfluchten Effekts der Dunklen Materie (fehlende Masse) befinden, die 1930 vom aus der Schweiz stammenden Amerikaner Fritz Zwicky entdeckt wurde, und unabhängig davon, dass wir jedes Modell selbstgravitierender, punktförmiger Massen (die in ihrem eigenen Gravitationsfeld kreisen) erzeugen könnten. Unsere Physik steht immer nahe einem Zustand thermodynamischen Gleichgewichts. Offensichtlich stellt jede Abweichung davon eine Abweichung vom Gleichgewicht dar, zum Beispiel ein Temperaturunterschied zwischen zwei Gasbereichen, der zu einem Wärmetransfer führt, einem Transfer kinetischer Energie aus der thermischen Agitation. In diesem Fall würde unser Kobold, wenn wir ihn wieder an die Arbeit setzen, feststellen, dass das Medium dynamisch gesehen „fast isotrop“ ist. Dies wäre der Fall bei unserer Atmosphäre, selbst wenn sie von den heftigsten Stürmen durchzogen wird.

Ist es also unmöglich, Situationen zu begegnen, „mit den Fingern zu berühren“, in denen ein gasförmiges Medium, ein Fluid, sich frank und frei außerhalb des Gleichgewichts befindet? Man findet solche Vorkommnisse beim Durchqueren von Stoßwellen. Sie sind begrenzte Bereiche, da die Dicke der Stoßwelle in der Größenordnung einer kleinen Anzahl mittlerer freier Weglängen liegt.

Wenn ein Gas von einer Stoßwelle durchquert wird, wechselt es sehr abrupt zwischen Zuständen, wobei ein Zustand nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht im „gestoßenen“ Gas nach einigen Zeiten mittlerer freier Weglänge wiederhergestellt wird.

Wir berichteten vor vierzig Jahren über eine Beobachtung im Labor, in dem ich arbeitete, das nun abgerissen ist, dem „Institut de Mécanique des Fluides de Marseille“. Wir hatten damals eine Art Gasgeschütze, die wir „Stoßrohre“ nannten. Das Prinzip ist: Mit einem Sprengstoff zündeten wir eine Stoßwelle, die sich mit mehreren tausend Metern pro Sekunde in einem Edelgas ausbreitete – anfänglich stand dieses Gas unter einem Druck von einigen Millimetern Quecksilbersäule. Die Bewegung der Stoßwelle komprimierte das Gas erneut und erhöhte seine Dichte.

Wir konnten die Zunahme der Dichte leicht und präzise mittels Interferometrie verfolgen. Damals maßen wir auch den Wärmefluss an der Oberfläche von Plexiglas-Modellen. Da die Experimente nur Bruchteile von Millisekunden dauerten, mussten unsere Messgeräte eine schnelle Ansprechzeit haben. Genauer gesagt handelte es sich um metallische Filme von einigen Mikrometern Dicke, die vakuumbeschichtet an der Wand angebracht waren und als Thermistoren fungierten. Wir bewerteten den Wärmefluss, indem wir den Widerstand dieser Wandsensoren aufzeichneten, während sie sich erwärmten.

Eines Tages platzierten wir einen Sensor direkt an der Rohrwand. Dann beobachteten wir, dass der Wärmefluss den Sensor erst nach einer gewissen Verzögerung erreichte, die auf den Durchgang der Stoßwelle folgte, materialisiert durch einen abrupten Dichtesprung. Dennoch stellten wir sicher, dass die thermische Trägheit des Sensors klein genug war, damit diese Verzögerung nicht von ihm herrührte. Tatsächlich hatten wir mit dem Finger ein Rückkehrphänomen zu einem quasi-thermodynamischen Gleichgewicht stromabwärts der Stoßwelle erfasst.

Man kann dies mit einem Hammerschlag vergleichen. Nicht nur die Dichte wird brutal erhöht, wir beobachteten auch einen Temperatursprung, was einer Zunahme der thermischen Geschwindigkeit der Moleküle entspricht. Aber hinter dieser Welle wird Isotropie erst nach mehreren Zeiten mittlerer freier Weglänge sichtbar. Unmittelbar vor der Dichtefront wird die Zunahme der thermischen Agitation durch Bewegungen übersetzt, die senkrecht zur Wellenrichtung einsetzen.

Wenn unser Sensor Wärme aufnimmt, resultiert dies aus dem Aufprall der Luftmoleküle auf seine Oberfläche. Doch unmittelbar vor der Dichtefront entwickelte sich die thermische Agitation auf einer gewissen Strecke parallel zur Wand. Das Gas war gut „erhitzt“, aber vorübergehend nicht in der Lage, diese Wärme an die Wand abzugeben. Über die Stöße hinweg verwandelte sich das „Geschwindigkeitsellipsoid“ in ein „Geschwindigkeitssphäroid“, und der Sensor gab schließlich den Wärmefluss zurück, den er erhalten hatte. Ich glaube mich zu erinnern, dass wir mit unserem experimentellen Aufbau diesen Wärmefluss etwa einen Zentimeter vor der Dichtefront aufgezeichnet haben.

Die Stoßwellen repräsentieren also Bereiche winziger Dicke, in denen das gasförmige Medium stark außerhalb des Gleichgewichts ist.
Wie gehen wir damit um? Indem wir diese Bereiche als Oberflächen ohne Dicke betrachten. Und das funktioniert seit fast einem Jahrhundert.
Ich bin alt genug, um fast die gesamte Geschichte des Computers seit dem Anfang zu kennen. Als ich Student an der „Ecole Nationale Supérieure de l’Aéronautique“ war, gab es im Haus keinen Computer. Diese waren in Heiligtümern installiert, die „Rechenzentren“ genannt wurden und zu denen wir keinen Zugang hatten. Wir rechneten mit Rechenschiebern, für die heutige Generation kuriose Objekte. In den Kursen der höheren Schulen hatten wir alle unser Logarithmentafel-Buch, und jede Prüfung enthielt einen langweiligen numerischen Rechentest mit diesen Geräten, die heute in Museen ausgestellt sind.

Als ich die Sup Aero School verließ, kamen gerade mechanische Rechenmaschinen (FACIT) auf, die von Hand betrieben wurden. Um Zahlen zu multiplizieren, drehte man die Kurbel in eine Richtung, zum Dividieren in die entgegengesetzte.
Die Professoren oder Abteilungsleiter hatten elektrische Maschinen, die 1964 am Institut Mécanique des Fluides die Stille des Büros mit ihrem Zahnradgeklapper unterbrachen. Computer hatten den Ehrenplatz, als ferne Götter, die man nur durch ein Fenster sah, in diesen Rechenzentren. Diese Computer, die die Leistung eines heutigen Taschenrechners hatten, wurden von Priestern in weißen Soutanen bedient. Man konnte nur über eine dicke Menge gelochter Karten mit ihnen kommunizieren, die von einem mechanischen „Kartenleser“ mit viel Lärm gelesen wurden. Wir kauften „Rechenzeit“ pro Sekunde, so teuer war sie. Für die jungen Leute von heute ist das eine neolithische Vorstellung.

Die Invasion der Mikrocomputer hat all dies verändert. Mehr noch, da der Anstieg der Rechenleistung eruptiv ist, ist das Netz nun voll von Bildern, auf denen man riesige Räume sieht, die mit mysteriösen schwarzen Schränken gefüllt sind, die atemberaubende Datenmengen verwalten.
Megaflops, Gigaflops, Petaflops, en masse! Zurück in den Siebzigern konnte man den Inhalt des RAM eines Apple II leicht lesen, der vollständig als kleines Heftchen geschrieben war.

Wir leben in einer prometheischen Welt. Kann man sagen, dass diese modernen Werkzeuge unsere Beherrschung der Physik steigern? Eine Anekdote kommt mir in den Sinn. In Frankreich war ich ein Pionier der Mikroinformatik und leitete eines der ersten Zentren (basierend auf Apple II), das dieser Technologie gewidmet war. Zu dieser Zeit war ich auch Professor für Bildhauerei an der Ecole des Beaux Arts in Aix-en-Provence. Eines Tages präsentierte ich ein System mit einem Flachbettplotter, der nach Belieben perspektivische Meisterzeichnungen erstellte. Ein alter Professor hob die Augenbrauen und sagte damals: „Erzählen Sie mir nicht, der Computer wird den Künstler ersetzen?“

Diese Aussage paraphrasierend könnte man sich jemanden vorstellen, der nach dem Besuch eines Mega-Rechenzentrums behauptet: „Erzählen Sie mir nicht, der Computer wird das Gehirn ersetzen?“

Trotz der unaufhaltsamen Eskalation der Rechenleistung und massiver Multiprozessoren sind wir davon noch weit entfernt. Allerdings haben diese Systeme in bestimmten Bereichen unsere Logarithmentafeln und Rechenschieber in den Schrott geworfen, unter anderem. Wer spielt noch darauf, Integrale mit Stift und Papier zu berechnen? Wer jongliert noch mit Differentialrechnung, abgesehen von reinen Mathematikern?

Heutzutage glauben wir an das „Alles-Können des Computers“. Wir bauen Algorithmen, liefern Daten, führen Berechnungen durch, bis wir Ergebnisse erhalten. Wenn es darum geht, ein Gebäude oder ein schönes Ingenieurwerk zu zeichnen, funktioniert das hervorragend. Auch die Strömungsmechanik ist ein Erfolg.

Wir können ein Flächenelement beliebiger Form senkrecht zu einem Gasstrom platzieren und das Wirbelströmungsmuster dahinter berechnen, unabhängig von seinem Aussehen. Passt es zum Experiment? Nicht immer. Qualitativ beherrschen wir das Phänomen, zum Beispiel können wir als Ergebnis dieser Gaswirbelung einen zuverlässigen aerodynamischen Widerstandswert berechnen. Ebenso berechnen wir die Verbrennungseffizienz in einem Zylinder, die Konvektionsströmung in einem Gehäuse. Die Vorhersagemeteorologie gewinnt schnell an Boden, sofern der Zeitrahmen wenige Tage beträgt, außer bei „Mikroereignissen“, die sehr lokalisiert sind und noch nicht beherrschbar sind. Ist das in jedem Bereich der Fall?

Es gibt Körper, die sich weigern, von diesem modernen Dompteur namens Computer an der Leine gehalten zu werden. Dies sind „Nichtgleichgewichts“-Plasmen, Titelhalter aller Kategorien. Sie entfernen sich auch von der Fluidtheorie, trotz einer familiären Ähnlichkeit, weil sie Fernwirkung unterliegen, aufgrund elektromagnetischer Felder, deren Wirkung nur unter Berücksichtigung aller Ionenpartikel, aus denen das System besteht, bewertet werden kann.

Macht nichts, sagen Sie. Es reicht aus, das Plasma als N-Körper-System zu betrachten. Leichter gesagt als getan! Wir sprachen zuvor über Galaxien als Beispiele kollisionsfreier Welten. Tokamaks sind eine andere Art (ITER ist ein riesiger Tokamak). Das Gas, das sie enthalten, ist extrem dünn. Vor dem Start wäre der Füllungsdruck im Inneren der 840 Kubikmeter des ITER kleiner als ein Bruchteil eines Millimeters Quecksilbersäule. Warum so ein niedriger Druck? Weil wir dieses Gas auf mehr als 100 Millionen Grad erhitzen sollen. Doch Sie wissen, dass der Druck ausgedrückt wird als: p = nkT – k ist die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur und n die Anzahl der Teilchen pro Kubikmeter. Der Plasmaeinschluss ist nur dem Magnetfeld-Druck zu verdanken, der mit dem Quadrat des Magnetfelds zunimmt.

Bei einer Feldstärke von 5,2 Tesla beträgt der Magnetfeld-Druck 200 Atmosphären. Im Hinblick auf den Plasmaeinschluss muss sein Druck weit unter diesem Wert bleiben. Aufgrund der Verwendung einer Supraleitervorrichtung kann das Magnetfeld nicht unbegrenzt erhöht werden, daher bleibt die Plasmadichte im Reaktorkammerinneren auf sehr niedrige Werte begrenzt. Aus diesen Fakten sehen wir einen völlig kollisionsfreien Körper, der jeder zuverlässigen makroskopischen Definition entgeht. Können wir ihn wie ein N-Körper-Problem handhaben? Träumen Sie gar nicht erst davon, gegenwärtig oder in Zukunft – es ist nicht möglich, lokal zu berechnen, wie wir es bei der Mechanik neutraler Fluide tun könnten. Jeder Bereich ist über das elektromagnetische Feld mit jedem anderen gekoppelt. Nehmen Sie zum Beispiel das Problem des Energietransfers vom Plasmakern zu den Wänden. Neben einem Mechanismus, der wie ein Leitungsphänomen aussieht, neben dem, was zur Turbulenz gehört, kommt eine dritte Modalität hinzu, genannt „anomaler Transport“, der … Wellen nutzt.

Kurz gesagt, ein Tokamak ist für einen Theoretiker ein absoluter Albtraum.

Das Plasma an sich, abgesehen von seinem unkontrollierbaren Verhalten, ist nicht das Einzige, was involviert ist. Da ist alles andere: darunter ist die unvermeidliche Ablation von Partikeln von der Wand. Wer Segelflugzeuge betreibt, weiß, dass der Grundparameter dieser Maschinen das Gleitzahl-Verhältnis (Lift-to-Drag-Ratio) ist: Es drückt die Anzahl der geflogenen Meter pro verlorenem Höhenmeter aus (die Gleitzahl). Der Segelflugzeugflügel erzeugt bei einer gegebenen Geschwindigkeit eine bestimmte Auftriebskraft. Bei derselben Geschwindigkeit erhalten wir eine Widerstandskraft, die zweifach ist: Erstens der induzierte Widerstand: ein Energieverlust aufgrund von Wirbeln an den Flügelenden.

Man kann ihn nicht vermeiden, es sei denn, man hat eine unendliche Flügelspannweite … Um ihn zu verringern, haben Segelflugzeuge so große Flügelspannweiten, häufig mehr als 20 Meter, verbunden mit einer Streckung – Verhältnis der halben Flügelspannweite zur mittleren Flügelbreite – größer als 20. Die zweite Quelle des Widerstands ist der Reibungswiderstand. Er wird reduziert, indem man die glatteste Flügeloberfläche anstrebt. Durch eine schöne Politur verzögern wir den Beginn der Turbulenz in der unmittelbaren Nähe der Flügeloberfläche. Dieses Phänomen ist eine grundlegende Fluidinstabilität; die Exzellenz der Oberflächenpolitur kann nur ihr Kommen verzögern. Umgekehrt kann diese Turbulenz durch eine Störung ausgelöst werden. Wenn wir eine Rauchlinie in einer ruhigen Atmosphäre betrachten, handelt es sich um einen Aufstrom heißen Gases, gefärbt durch seinen Partikelgehalt. Dieser Rauchfaden, anfangs ruhig, wird nach einem Zehntel Zentimeter Aufstieg intensiv turbulent, unabhängig von der Ruhe der Umgebungsluft. Durch das Einbringen eines Hindernisses, wie einer Nadel, in diesen Aufstrom könnten wir eine irreversible Turbulenz auslösen. Dasselbe geschieht durch eine minimale Rauheit auf der polierten Oberfläche des Segelflugzeugflügels, die turbulente Phänomene auslöst und lokal die Luftreibung leicht um den Faktor Hundert erhöht, somit den Gesamtwiderstand. Bei modernen Segelflugzeugen gelingt es, eine laminare Strömung (nicht turbulent, parallele Schichten) über 60 % der Profiltiefe aufrechtzuerhalten. Wenn zufällig eine Mücke auf die Vorderkante prallt, wird diese minimale Unebenheit die Turbulenz in einer Zone auslösen, die etwa 30 Grad weiter liegt. Aus diesem Grund gibt es bei Wettbewerbs-Segelflugzeugen, deren Gleitzahl mehr als 50 beträgt, eine automatische und zeitgesteuerte Reinigungsvorrichtung für die Vorderkante, die mit einer linearen Windschutzscheibe verglichen werden kann; eine Art Bürste fährt entlang der Vorderkante hin und her und kehrt an einen versteckten Ort zurück. Es wurden erhebliche Arbeiten unternommen, um die gesamte Gleitzahl von Verkehrsflugzeugen zu erhöhen, um ihren Kraftstoffverbrauch zu senken. In den Sechzigern hatte die „Caravelle“, die zwischen Orly und Dijon fliegen konnte, eine Gleitzahl von 12. Heutzutage haben sogar diese monströsen Airbus 380 eine Gleitzahl von mehr als 20.

Das heißt, wenn die Antriebskraft fehlt, mit vier stillstehenden Motoren, können sie aus 10.000 Metern Höhe über 200 Kilometer gleiten.

Zurück zu Plasmen und Tokamaks: In diesen Maschinen kann ein Mikrovolumen von Turbulenz durch winzige Partikel ausgelöst werden, die von den Wänden gerissen werden, und wird die Reaktionskammer überfluten. Was die Turbulenz angeht, ist die Spanne extrem groß und erstreckt sich von dieser Mikro-Turbulenz bis zu elektro-dynamischen Plasma-Konvulsionen, die das gesamte Volumen betreffen.

Als Schlussfolgerung lässt sich sagen, dass Ingenieure die Maschine überhaupt nicht beherrschen, außer sie verwenden approximative empirische „Ingenieursgesetze“ schwacher Zuverlässigkeit bezüglich des laufenden Systems. In diesem Bereich, in dem das Nichtgleichgewicht König ist, wo Messungen extrem schwierig sind, hilft der Computer nicht weiter. Das Experiment ist der einzige Leitfaden. Auch die Extrapolation führt zur Entdeckung neuer unvorhergesehener Phänomene, wie der vertikalen Plasmabewegung (VDE, Vertical Displacement Event), die auftrat, als man von der Größe des TFR in Fontenay-aux-Roses zum JET in Culham sprang.

Das jüngste Fiasko des NIF (National Ignition Facility, ansässig in Livermore, Kalifornien) ist ein gutes Beispiel für das Scheitern in großen und kostspieligen Anlagen, mit Hilfe der leistungsstärksten Computer der Welt. Es ist das Fazit der NIC (National Ignition Campaign) nach 2 Jahren Versuchen, von 2010 bis 2012. Das System, bestehend aus 192 Lasern, liefert 500 Terawatt (mehr als das Tausendfache der Leistung des US-amerikanischen Stromnetzes) in einer Handvoll Nanosekunden auf ein kugelförmiges Ziel von 2 mm Durchmesser, gefüllt mit einem Deuterium-Tritium-Gemisch, das selbst in der Mitte einer zylindrischen Box von 2 cm Länge und 1 cm Durchmesser eingesetzt ist, genannt Hohlraum (Ofen auf Deutsch).

Der Plan ist folgender: Die scheibenförmigen Strahlen der Hälfte der Laser brechen in die Öffnung einer Seite des Hohlraums ein, die andere Hälfte dringt in das gegenüberliegende Loch ein. Diese ultradünnen UV-Strahlen treffen die Innenwände des Ofens, der aus Gold gebaut ist. Dieses emittiert Röntgenstrahlung. Die Laserstrahlen, präzise fokussiert, erzeugten 3 Raster von Punkten an der Innenwand. Die re-emittierte Röntgenstrahlung trifft dann das kugelförmige Ziel. Man spricht nun von indirekter Bestrahlung. Dieses System wurde im Grunde entwickelt, um die Fusionsstufe einer Wasserstoffbombe nachzuahmen, bei der die Röntgenstrahlung (diesmal durch eine Spaltvorrichtung erzeugt) die Wände einer Hülle namens Ablator trifft, die den Fusionsprengstoff (Lithiumdeuterid) enthält. Im NIF wurde dieser letztere durch ein Gemisch aus Deuterium und Tritium ersetzt, bei dem die Fusion bei einer niedrigeren Temperatur, in der Größenordnung von 100 Millionen Grad, einsetzt. Die Hülle (der Ablator, eine dünne kugelförmige Schale) sublimiert und explodiert in beide Richtungen, nach außen und innen. Wir nutzen diese Rückkompression, um einen „Hot Spot“ im Zielzentrum zu erzeugen, in der Hoffnung, die Zündung in einem Schema des Trägheitseinschlusses zu starten.

All dies wurde unter der Leitung von John Lindl berechnet. Im Jahr 2007 beschrieb ein Artikel, der diesem Wissenschaftler während der Verleihung des Maxwell-Preises gewidmet war, fein, was geschehen würde. Die Theoretiker waren so selbstgewiss, dass Lindl nicht zögerte zu behaupten, die Zündung werde der Ausgangspunkt einer großen Serie von Experimenten sein. Dasselbe gilt für den Testleiter, der sogar eine Deadline für den operationellen Erfolg festgelegt hatte, Oktober 2012, was dreißig Jahre der Bemühungen, sowohl theoretischer als auch technologischer Natur, krönen sollte.

Das Ergebnis war ein immenses Fiasko, das in einem Bericht vom 19. Juli 2012 festgehalten wurde, der vom D.O.E. (US-Energieministerium) stammte und unter der Aufsicht von Davis H. Crandall verfasst wurde.

Was von diesem Beobachtungsbericht, der sich auf dieses sehr materielle Papier bezieht, bleiben muss, ist, dass trotz der Exzellenz dieser Arbeit, sowohl technologisch als auch messtechnisch, nichts, was aus diesem Experiment hervorging, irgendeine Beziehung zu den berechneten Daten und Vorhersagen zeigte, die mit Hilfe der leistungsstärksten Computer erhalten wurden.

Bis zu dem Punkt, an dem einige Beobachter fragten, ob diese Simulationen eine Investition für weitere Experimente darstellen könnten.

Die NIF-Krise ist offensichtlich – es ist aus Kostengründen unmöglich, die Anzahl der Laser (Neodym-dotiertes Glas) zu erhöhen. Auch unmöglich, ihre Einheitsleistung zu erhöhen – tatsächlich neigen sie dazu, zu explodieren, wenn sie über ein bestimmtes Niveau hinaus mit Energie getränkt werden, unabhängig von der Homogenität und der Qualität des Glases.

Um die Zündung und die Trägheitsfusionsreaktion zu starten, muss die Implosionsgeschwindigkeit mindestens 370 km/s betragen.
Nicht nur, dass diese Geschwindigkeit nicht erreicht wird, sondern, was weitaus schwerwiegender ist: Wenn die Schale, die das ablatierende Gerät bildet, in Plasma umgewandelt wird und ihren D-T-Inhalt drückt, „vermischt sich der Kolben mit dem Brennstoff“, aufgrund einer bekannten Instabilität, der Rayleigh-Taylor-Instabilität. Um ihre Auswirkungen zu minimieren, müssen wir den Ablator dicker machen. Aber dann würde seine Trägheit zunehmen, und die Schwelle der Implosionsgeschwindigkeit würde erneut nicht erreicht.

Simulationen auf dem Computer haben in allen Bereichen falsche Ergebnisse geliefert. Wie im D.O.E.-Bericht geschrieben, ist die Modellierung der Wechselwirkungen zwischen Laser und Wänden (Aufprall der Röntgenstrahlen auf Goldwände) nicht zufriedenstellend, trotz jahrzehntelanger Studien zu diesem Thema und hundertfacher Dissertationen und Artikel. Dasselbe gilt für die Wechselwirkung zwischen Röntgenstrahlen, nach einem Gesetz namens „inverse Raman-Streuung“, mit dem Goldplasma, das aus der Sublimation des parietalen Goldes in der Kammer stammt. Die Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit dem Ablator wird ebenfalls nicht korrekt simuliert. Zuletzt haben die Berechnungsalgorithmen (LASNEX) das Gewicht der Rayleigh-Taylor-Instabilität, die Verformung der Kontaktfläche des Ablators, Deuterium-Tritium, die an intestinale Zotten erinnert, völlig unterschätzt.

Diese Missgeschicke zeigen die Grenzen des Vertrauens, das wir in die großartigen computergestützten Simulationsergebnisse setzen können, sobald diese Maschinen versuchen, frank und frei nichtgleichgewichtige Probleme anzugehen, meist nichtlinear, bei denen ein Haufen von Mechanismen, die schlecht modelliert sind, eine Rolle im Spiel spielen.

Dr. Jean Pierre Petit