Dreieinhalb Milliarden Grad und alle scheren sich nicht drum …

Dreieinhalb Milliarden Grad und alle sind gleichgültig...

3,7 Milliarden Grad und alle sind gleichgültig

2. Juli 2006

Am 19. Juni letzten Jahres hatte ein Leser im Agoravox-Forum einen Artikel mit dem Titel eingestellt:

2 Milliarden Grad. Die Menschheit entdeckt das absolute Feuer und alle sind gleichgültig!

Ein Artikel, der mehr als 300 Reaktionen hervorrief. Da mich ein Leser auf die Existenz dieses Forums aufmerksam gemacht hatte, habe ich daran teilgenommen. Der interessierte Leser kann die dort geführten Diskussionen im Archiv nachlesen:

http://www.agoravox.fr/article.php3?id_article=10680

Ich sitze vor meinem leeren Bildschirm und überlege, was ich schreiben soll, welchen Ton ich anschlagen soll, auf welcher Ebene ich mich positionieren soll. Es stimmt, dass man sich angesichts einer solchen Situation von den Ereignissen – oder vielmehr von den ... Nicht-Ereignissen – etwas überfordert fühlt.

Bevor ich dieses Thema wieder aufgreife, möchte ich für diejenigen, die meine Aussagen und Texte auf meiner Website über die „Z-Maschine“ und diese Entdeckung verfolgt haben, Folgendes sagen: Um den 25. Juni herum besuchte mich ein Journalist. Er ging mit der Aussage, er werde einen Artikel seinem Chefredakteur vorlegen. Die Reaktion war sofortig und einfach:

- Das habe ich weder bei AFP noch bei der Agentur TASS gesehen, noch in irgendeiner anderen Nachrichtenagentur.

Das stimmt. Dennoch sind seit der Verbreitung dieser Nachricht drei Monate vergangen, ohne dass die Presse in allen Ländern und die Nachrichtenagenturen reagiert hätten. Das ist ... erschütternd und ... macht auch Angst.

Ich werde also den Faden dieser Geschichte von vorne aufnehmen, für die Leser, die gerade erst dazukommen.

Alles begann am 9. März 2006 mit einer Meldung auf der Website Futura-Science

http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php

Dieser Artikel basierte auf einer sehr offiziellen Ankündigung der Website der Sandia-Labors in New Mexico, USA. Für alle, die es nicht wissen: Sandia ist ein großer Labor-Komplex, der größtenteils an Projekten zu Waffen aller Art arbeitet. Zur Einordnung: Zwei Labore in den USA stehen seit Jahrzehnten systematisch im Wettbewerb bei der Entwicklung von Kernwaffen (und anderen):

Sandia
Los Alamos (Hier wurde die erste Atombombe auf der „Mesa“ entwickelt)

Die Website von Los Alamos, New Mexico, USA, wo die erste Atombombe entwickelt wurde

Wenn man den Faden der Geschichte weiterverfolgt und in der Zeit zurückgeht, findet man diese Ankündigung der Sandia-Labors vom 8. März 2006:

http://www.sandia.gov/news-center/news-releases/index.html

Hier ist die besagte Ankündigung:

„Two billions degrees Kelvin“ auf Englisch bedeutet „zwei Milliarden Grad absolut“

Tatsächlich folgt diese Ankündigung kurz auf die Veröffentlichung eines sensationellen Artikels von Malcolm Haines (Imperial College, London), einem international bekannten Spezialisten für Plasmaphysik, sowie von Deeney (Leiter der Experimente an der Z-Maschine von Sandia) und vier weiteren Forschern, erschienen in der hochrangigen Zeitschrift Physical Review Letters am 24. Februar 2006. Die beiden oben genannten Links beziehen sich nur auf medienwirksame Ankündigungen. Das Schlüsseldokument ist der zitierte Artikel. Aufgrund seiner Bedeutung habe ich ihn nach dem Kauf auf meiner Website zum Download bereitgestellt.

Der Artikel von Malcolm Haines, Deeney und anderen, als PDF

Hier ist die erste Seite:

„Over 2 x 109 Kelvin“ bedeutet „über zwei Milliarden Grad Kelvin“

Zu beachten ist das Datum der ersten Einreichung des Artikels, der 13. Mai 2005. Dieses Dokument bezieht sich daher auf experimentelle Ergebnisse vor diesem Datum.

Das ist tatsächlich das interessante Dokument, und ich habe es genau unter die Lupe genommen. Ich habe diese Analyse für Wissenschaftler (und Wissenschaftsjournalisten) erstellt und ihr eine populärwissenschaftliche Zusammenfassung vorangestellt. Der wissenschaftlich orientierte Leser kann sich auf diese Analyse beziehen. Aber die vorliegende Seite, das vorliegende Dossier, richtet sich an ein möglichst breites Publikum. Wer nicht wissenschaftlich oder „naturwissenschaftlich orientiert“ ist, kann diesen Link überspringen.

Meine Analyse des Artikels von Haines und Deeney vom 24. Februar 2006

Bevor ich auf allgemeine Aspekte der Kernfusion (neutronengenerierend und „a-neutronisch“), auf Fusion in einem Tokamak wie ITER oder durch „Trägheitskonfinement“ eingehe – das Thema dieses Dossiers, das ich so populärwissenschaftlich wie möglich gestalten werde – einige Worte zum Wesentlichen im erwähnten Artikel.

Seit 1998 wurden in Sandia (und in verschiedenen anderen nuklear bewaffneten Ländern: Russland, China, England, Frankreich, aber nicht mit gleicher Ausstattung) Experimente zur Kompression eines Plasmas durchgeführt. Das Ziel war, durch Kompression der Materie mittels elektromagnetischer Kräfte (darauf wird später eingegangen) diese aufzuheizen und dazu zu bringen, Röntgenstrahlen zu emittieren. Die Z-Maschine und alle Maschinen dieser Art waren ursprünglich nicht für die Fusion konzipiert. Es handelte sich einfach um leistungsstarke Röntgenstrahlenquellen mit 100 % militärischem Zweck, um die Widerstandsfähigkeit von Sprengköpfen gegen starke Röntgenstrahlungsflüsse zu testen, die von einer im Vakuum des Weltraums explodierenden Atombombe stammen. Diese Bombe ist das Schlüsselelement der Raketenabwehrwaffen, deren Ziel es ist, durch diese starke Bestrahlung die empfindlichen Lenk- und Zündsysteme der Bomben zu zerstören. Seit 1998 zeigten die in Sandia durchgeführten Experimente, dass die Temperatur der Ionen unnormal hoch sein musste. Aber man maß sie nicht. Was man maß, war anhand der Röntgenemission die Elektronentemperatur. Die Ionentemperatur wurde abgeleitet. Wie, wird später erläutert. Seltsamerweise führten diese Experimente zu Ionentemperaturen, die deutlich höher sein mussten als die Elektronentemperatur (hundertfach!). „Bitemperatur“-Systeme haben Sie ... in Ihrer Küche. Das sind die ... Neonröhren. Die Neon-Ionen (Neon-Atome, die Elektronen verloren haben) sind kalt, bei Raumtemperatur. Sie können die Hand auf die Röhre legen, ohne sich zu verbrennen. Die Elektronen hingegen sind Tausende von Grad heiß (darauf kommen wir später zurück). In den Sandia-Experimenten ließen sich die Dinge nur erklären, wenn das „Ionengas“ viel heißer war als das Elektronengas.
Im Jahr 2005 konnten die an der Z-Maschine arbeitenden Forscher direkte Messungen dieser Ionentemperatur durchführen, die im Artikel von Haines, Deeney und anderen beschrieben werden. Sie bestätigten die früheren Berechnungen. Diese Temperatur, wie der Titel angibt, liegt „über 2 Milliarden Grad Kelvin“. Wenn man sich jedoch in den Artikel (und in meine zweistufige Analyse) vertieft, sieht man, dass diese Temperatur während der Messungen ansteigt und von 2,66 Milliarden Grad auf 3,77 Milliarden Grad steigt. Diese Messungen sind zu 100 % zuverlässig (die Temperaturmessung durch Messung der Linienverbreiterung mittels Doppler-Effekt ist ein Klassiker der Physik und insbesondere der Astrophysik. Artefakte sind auszuschließen).
Untergeordnet fragen sich Haines und seine Kollegen (er ist Theoretiker) nach dem Mechanismus, der eine solche Aufheizung der Ionen gewährleisten würde. Er beruft sich auf MHD-Instabilitäten. Auch darauf wird später eingegangen.

Der Inhalt der Debatten hat gezeigt, dass für die große Mehrheit der Leser und Teilnehmer Fusion sich auf die Mischung der beiden Wasserstoffisotope beschränkt:

Deuterium + Tritium ergibt Helium plus ein Neutron, was einer Energie von 14 MeV (Megaelektronenvolt) entspricht.

Siehe beispielsweise das Dossier von Wikipedia:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire

Darin findet man nur eine einzige schematische Darstellung der Fusion:

Schema der Fusion der beiden Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium bei hundert Millionen Grad

Man sieht, dass das Neutron die meiste Energie mitnimmt: viermal so viel wie der produzierte Heliumkern.

Die Leser müssen sich nun andere Fusions-Schemata einprägen.

Ab 500 Millionen Grad, die von Lithium und Wasserstoff (leicht):

„A-neutronische“ Fusion Lithium-Wasserstoff

Ab einer Milliarde Grad, die von Bor und Wasserstoff (leicht):

„A-neutronische“ Fusion Bor-Wasserstoff

A-neutronisch, weil keine Neutronen. Diese Neutronen, die mit relativistischer Geschwindigkeit emittiert werden, führen dazu, dass Tokamaks (ITER ist ein Tokamak), bei denen diese Fusion stattfindet, Radioaktivität erzeugen, indem sie die umgebenden Strukturen „aktivieren“. Diese Neutronen können zudem nicht durch „magnetisches Konfinement“ gestoppt werden. Nichts hält sie auf, außer physischen Hindernissen. Wie der Nobelpreisträger de Gennes betonte, erweisen sie sich als extrem aggressiv gegenüber der Struktur des supraleitenden Magneten, der das Konfinement sicherstellt, der ein Vermögen kostet und nicht periodisch ersetzt werden kann.

Die Energie wird einfach durch Heliumkerne transportiert, durch das schlichte Helium. Wo ist die Radioaktivität? Es gibt keine. Wo sind die „radioaktiven Abfälle“? Antwort: Helium. Sie könnten neben einem a-neutronischen Fusionskraftwerk wohnen. Entweder würde es sein Helium durch Schornsteine abgeben, in diesem Fall würde das Gas aufsteigen. Helium ist leicht. Oder man würde es zur Füllung von Ballons zurückgewinnen, günstig. Derzeit ist Helium teuer. Man könnte sich Fahrzeuge in Form von heliumgefüllten Ballons vorstellen, angetrieben beispielsweise durch Solarenergie. Es sei denn, diese Luftfahrzeuge oder Fahrzeuge funktionieren mit miniaturisierten a-neutronischen Fusionsgeneratoren.

Nun muss man die Fragen beantworten, die sich die Leser berechtigt stellen. Was ist Temperatur?

Wir definieren die absolute Temperatur T eines Gases. Ich betone, dass dies seine Definition ist. Ein Gas ist eine Ansammlung von Teilchen mit einer Masse m. Teilchen, die in alle Richtungen bewegt sind. Man nennt diese Bewegung thermische Agitation. Die Luft, die Sie atmen, besteht aus Molekülen, die sich im Durchschnitt mit 400 Metern pro Sekunde bewegen. Das ist ein Mittelwert. Es gibt schnellere und langsamere, aber man macht keinen großen Fehler, wenn man sich alle mit derselben Geschwindigkeit vorstellt. Warum zerreißen diese Luftmoleküle nicht Ihre Lungenbläschen? Weil es Objekte mit sehr geringer Masse sind. Ein Luftmolekül in voller Geschwindigkeit würde einer Fliege nichts anhaben können. Spüren Sie es jetzt?

In einem Tokamak beträgt die absolute Temperatur 100 Millionen Grad. Die Wasserstoffkerne bewegen sich mit fast tausend Kilometern pro Sekunde. Es handelt sich um ihre thermische Agitationsgeschwindigkeit. Für angehende Physiker siehe den Kasten rechts:

Alle Physiker

Definition der absoluten Temperatur in einem Gas:

k ist eine Konstante, die Boltzmann-Konstante genannt wird und den Wert

k = 1,38 10

Wir betreiben nun hohe Physik. Die Masse eines Wasserstoffatoms, eines Protons, beträgt:

m = 1,67 10

Kilo

Wir betreten einen Tokamak. Temperatur (solange es funktioniert): 100 Millionen Grad absolut. Inhalt

Deuterium. Kernmasse: 3,34 10

Kilo

Tritium. Kernmasse: 5 10

Kilo

Halb und halb. Durchschnittliche Kernmasse. 4,17 10

Kilo

Bei einer absoluten Temperatur von hundert Millionen Grad Kelvin beträgt die durchschnittliche thermische Agitationsgeschwindigkeit dieser Kerne:

Ein Bruch, Zehnerpotenzen, eine Quadratwurzel. Sie haben bereits mehr als die Hälfte der Physik in Reichweite Ihrer Neuronen. Nun ist das, was sich in einem Tokamak befindet, eine Mischung aus positiv geladenen Kernen und negativ geladenen Elektronen. Das Medium ist kollisionsbehaftet. Das bedeutet, dass die Ionen und Elektronen viel Energie untereinander austauschen. Man kann sagen, dass der Inhalt des Tokamaks eine Mischung aus zwei Gasen ist:

Das Ionengas, aus schweren Wasserstoffkernen mit einer durchschnittlichen Masse von 4,17 10

Kilo

Das „Elektronengas“, bestehend aus Teilchen mit einer Masse von 0,9 10-30 Kilo

Die Kollisionen neigen dazu, einen thermodynamischen Gleichgewichtszustand herzustellen. Das bedeutet, dass wenn das Medium eine Mischung aus verschiedenen Spezies ist, alle dieselbe Temperatur haben. Sie haben dieselbe absolute Temperatur: hier hundert Millionen Grad. Aber was ist die Elektronentemperatur, die Temperatur des „Elektronengases“? Sie wird auf dieselbe Weise definiert.

Die Boltzmann-Konstante ändert sich nicht. Wenn die beiden „koexistierenden“ Gase sich im „thermodynamischen Gleichgewicht“ befinden, dann sind die Temperaturen gleich, was bedeutet, dass die durchschnittlichen kinetischen Energien (der thermischen Agitation) gleich sind.

Da Elektronen leichter sind, sind sie schneller, aber wir sind noch nicht im relativistischen Bereich, bei Weitem nicht.

Alle Physiker

efinition der absoluten Temperatur in einem Gas:

k ist eine Konstante, die Boltzmann-Konstante genannt wird und den Wert

k = 1,38 10

-23

un betreiben wir hohe Physik. Die Masse eines Wasserstoffatoms, eines Protons, beträgt:

m = 1,67 10

-27

Kilo

Wir betreten einen Tokamak. Temperatur (solange es funktioniert): 100 Millionen Grad absolut. Inhalt

Deuterium. Kernmasse: 3,34 10

-27

Kilo

Tritium. Kernmasse: 5 10

-27

Kilo

Halb und halb. Durchschnittliche Kernmasse. 4,17 10

-27

Kilo

Bei einer absoluten Temperatur von hundert Millionen Grad Kelvin beträgt die durchschnittliche thermische Agitationsgeschwindigkeit dieser Kerne:

Das Ionengas, aus schweren Wasserstoffkernen mit einer durchschnittlichen Masse von 4,17 10

-27

Kilo

Das „Elektronengas“, bestehend aus Teilchen mit einer Masse von 0,9 10-30 Kilo

Da Elektronen leichter sind, sind sie schneller, aber wir sind noch nicht im relativistischen Bereich, bei Weitem nicht.

Ein gasförmiges Medium auf hohe Temperatur zu bringen bedeutet, die thermische Agitationsgeschwindigkeit der Ionen zu erhöhen. In einem Lithium-Plasma bei 500.000 °K beträgt die thermische Agitationsgeschwindigkeit der Lithiumkerne 1.330 km/s. In einem Bor-Plasma bei einer Milliarde Grad beträgt sie 1.516 km/s

Detail der Berechnung im Kasten:

Lithium bei 500.000 °K

emperatur absolut in einem Gas:

k ist eine Konstante, die Boltzmann-Konstante genannt wird und den Wert

k = 1,38 10

eschwindigkeit der thermischen Agitation in einem Gas bei einer absoluten Temperatur T:

Masse eines Lithiumkerns: 7-mal die Masse des Nukleons (Proton und Neutron), also:

1,67 10

Kilo = 1,17 10

Kilo

Was uns eine thermische Agitationsgeschwindigkeit von:

1.330 km/s ergibt

Bor bei einer Milliarde °K

eschwindigkeit der thermischen Agitation in einem Gas bei einer absoluten Temperatur T:

Masse eines Lithiumkerns: 11-mal die Masse des Nukleons (Proton und Neutron), also:

1,67 10

Kilo = 1,83 10

Kilo

Was uns eine thermische Agitationsgeschwindigkeit von:

1.516 km/s ergibt

Finden Sie nicht, dass man jetzt etwas klarer sieht?

Lithium bei 500.000 °K

emperatur absolut in einem Gas:

k ist eine Konstante, die Boltzmann-Konstante genannt wird und den Wert

k = 1,38 10

-23

eschwindigkeit der thermischen Agitation in einem Gas bei einer absoluten Temperatur T:

Masse eines Lithiumkerns: 7-mal die Masse des Nukleons (Proton und Neutron), also:

1,67 10

-27

Kilo = 1,17 10

-26

Kilo

Was uns eine thermische Agitationsgeschwindigkeit von:

1.330 km/s ergibt

Bor bei einer Milliarde °K

eschwindigkeit der thermischen Agitation in einem Gas bei einer absoluten Temperatur T:

Masse eines Lithiumkerns: 11-mal die Masse des Nukleons (Proton und Neutron), also:

1,67 10

-27

Kilo = 1,83 10

-26

Kilo

Was uns eine thermische Agitationsgeschwindigkeit von:

1.516 km/s ergibt

Finden Sie nicht, dass man jetzt etwas klarer sieht?

Aber wie erzeugt man diese thermischen Agitationsgeschwindigkeiten? Nun, wenn ich es schaffen würde, ein Plasma zu implodieren und die Implosionsgeschwindigkeit diese Werte erreichen würde, würde sich diese kinetische Energie in thermische Agitationsgeschwindigkeit umwandeln. Das ist ganz einfach. Die Energie muss ja erhalten bleiben. Dies geschieht, wenn es während des Prozesses nicht zu viele Strahlungsverluste gibt.

Die Atome werden ineinander prallen. Die Kollisionen werden diese kinetische Energie in alle Richtungen umverteilen. Auf jeden Fall wird ein Implosionsprozess das Medium erhitzen. Aber wird diese Temperatur lange genug aufrechterhalten, damit die Fusion stattfindet?

Was bedeutet „lange genug“?

Gute Frage. Und das führt uns dazu, über die Bedingungen nachzudenken, unter denen Fusionsreaktionen erzeugt werden können. Wir werden also über das Lawson-Kriterium sprechen. Das ist ein großes Wort für etwas, das im Grunde ziemlich einfach und intuitiv ist. Man sagt, man kann kein Omelett machen, ohne Eier zu zerbrechen. Stellen Sie sich vor, Sie wollten Eier der Masse m zerbrechen (ich weiß nicht, wie viel ein Ei wiegt, aber das ist egal). Nehmen wir also an, wir haben eine Kammer, in der Eier rollen und zusammenstoßen. Damit ein Zusammenstoß zwischen zwei dieser Eier zum Bruch führen kann, muss gelten:

Dass diese Eier tatsächlich kollidieren
Dass ihre Relativgeschwindigkeit ausreicht, um das Brechen der Schalen zu bewirken.

Sei M die Masse der Eier. Jemand wird vielleicht das (übrigens interessante) Experiment durchführen, um zu bestimmen, welche Geschwindigkeit zwei kollidierende Eier haben müssen, damit ein Anfang eines Omeletts entsteht. Nennen wir diese Geschwindigkeit V. Wenn diese Geschwindigkeit eine Agitationsgeschwindigkeit der Eier ist, kann man sie als thermische Agitationsgeschwindigkeit betrachten. Wenn die Geschwindigkeit nicht ausreicht, wird die Schale selbst einem frontalen Stoß widerstehen. Wer aber thermische Agitationsgeschwindigkeit sagt, sagt Temperatur. Ersetzen Sie die Eier durch Kerne und das Brechen der Schale durch eine Fusionsreaktion. Es wird Fusion geben, wenn die Temperatur des Mediums einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Für eine Deuterium-Tritium-Mischung beträgt diese Mindesttemperatur 100 Millionen Grad. Tatsächlich muss für die Fusion von Deuterium und Tritium gelten, dass diese Kerne sich nah genug kommen können, damit „die Fusionsreaktion“ stattfindet. Was sie daran hindert, sich zu nähern, ist die Tatsache, dass sie beide positiv geladen sind und sich daher durch die elektrostatische Kraft abstoßen.

Wir haben oben gesehen, dass diese thermische Agitationsgeschwindigkeit, also Kollisionsgeschwindigkeit, die mit einer Kerntemperatur von Wasserstoff von 100 Millionen Grad verbunden ist, fast 1000 km/s betrug. Um Lithium und Wasserstoff zu fusionieren, muss man ein Proton mit einer elektrischen Ladung und einen Lithiumkern mit drei Ladungen einander nähern. Die aufzubringende Arbeit ist größer. Man wird also eine höhere Fusionstemperatur haben: 500 Millionen Grad. Und das gilt erst recht für einen Borkern (5 Elementarladungen) und ein Proton (Kern von gewöhnlichem Wasserstoff). Es stellt sich heraus, dass diese Temperatur dann eine Milliarde Grad beträgt.

Diese Fusionstemperaturen: 100 Millionen Grad, 500 Millionen, eine Milliarde können surrealistisch erscheinen, aber die Dinge scheinen greifbarer, wenn man in Begriffen der thermischen Agitationsgeschwindigkeiten argumentiert:

1000 km/s 1300 km/s 1500 km/s

Die Tatsache, dass die Komponenten diese Agitationsgeschwindigkeiten erreichen, ist eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung.

Die Agitationsgeschwindigkeiten sind eine

Dreieinhalb Milliarden Grad und alle scheren sich nicht drum …

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