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Präzisionsmessungen für das Kraftwerk der Zukunft

Mit einer der präzisesten Waagen der Welt wird am Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität (TU) Wien Kernfusionsforschung betrieben.

Katharina Dobes vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien arbeitet an der Quarz-Mikrowaage.

Katharina Dobes vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien arbeitet an der Quarz-Mikrowaage.

Katharina Dobes vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien arbeitet an der Quarz-Mikrowaage.

Katharina Dobes vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien arbeitet an der Quarz-Mikrowaage.

Univ.Prof. Friedrich Aumayr, Leiter der Arbeitsgruppe für Atom- und Plasmaphysik

Univ.Prof. Friedrich Aumayr, Leiter der Arbeitsgruppe für Atom- und Plasmaphysik

Univ.Prof. Friedrich Aumayr, Leiter der Arbeitsgruppe für Atom- und Plasmaphysik

Univ.Prof. Friedrich Aumayr, Leiter der Arbeitsgruppe für Atom- und Plasmaphysik

Die Vakuumkammer, in deren Inneren Versuche mit der Quarzkristall-Mikrowaage durchgeführt werden

Die Vakuumkammer, in deren Inneren Versuche mit der Quarzkristall-Mikrowaage durchgeführt werden

Die Vakuumkammer, in deren Inneren Versuche mit der Quarzkristall-Mikrowaage durchgeführt werden

Die Vakuumkammer, in deren Inneren Versuche mit der Quarzkristall-Mikrowaage durchgeführt werden

Wien (TU). - Eine saubere, umweltfreundliche, praktisch unerschöpfliche Energiequelle: Kernfusion zur Erzeugung von elektrischer Energie zu verwenden, gehört seit Jahrzehnten zu den großen Träumen der Wissenschaft. Noch immer ist es allerdings nicht gelungen, einen Fusionsreaktor zu konstruieren, der den enormen Energieflüssen aus dem extrem heißen Fusionsplasma standhält. Zur Erforschung dieses technischen Problems wurde am Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Wien eine ganz besondere Messmethode entwickelt: Eine der präzisesten Waagen der Welt.

Zukunftshoffnung Kernfusion

In Cadarache (Südfrankreich) wird derzeit an einem internationalen Forschungsreaktor gebaut – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung eines Fusionskraftwerks, doch auch dort wird man wieder auf bereits bekannte Probleme stoßen: Um die Kernfusion in einem Reaktor aufrechterhalten zu können, sind Temperaturen von mehreren hundert Millionen Grad nötig. Bei dieser Hitze können geladene Teilchen (Ionen) aus dem Fusionsplasma mit so hoher Energie auf die Wand des Reaktors einschlagen, dass diese Wand rasch zerstört wird. „Die Wechselwirkung der Teilchen aus dem Plasma mit den Reaktorwänden muss genau untersucht werden, wenn wir einen Weg finden wollen, dauerhaft stabile Fusionsreaktoren zu konstruieren“, meint Prof. Friedrich Aumayr vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien.

Oberflächenanalyse mit der Mikrowaage

In der Arbeitsgruppe für Atom- und Plasmaphysik, die Prof. Aumayr leitet, werden die Bedingungen im Wandbereich eines Fusionsreaktor experimentell nachgestellt. Im Labor lässt sich so die Auswirkung der energetischen Ionen auf Festkörperoberflächen viel genauer studieren, als das im Inneren eines Fusionsreaktors möglich wäre. Besonders hilfreich ist dabei eine von Prof. Michael Schmid am Institut entwickelte Quarz-Mikrowaage: Ein Stück des Oberflächenmaterials, das im Fusionsreaktor verwendet werden soll, wird mit energetischen Teilchen beschossen, und dabei wird seine Gewichtsänderung durch diese Quarz-Mikrowaage äußerst präzise gemessen. So stellt man fest, ob das Teilchenbombardement Atome aus dem Oberflächenstück herausschlägt (Zerstäubung) und seine Masse abnimmt, oder ob im Gegenteil die Projektile in die Oberfläche eingelagert werden (Implantation) und so die Masse des untersuchten Oberflächenstückes vergrößern.

 


Rekordverdächtige Genauigkeit

Die Mikrowaage, die an der TU entwickelt wurde, ist eine der präzisesten Waagen der Welt: „Masseänderungen von etwa einem Milliardstel Gramm können damit noch gemessen werden“, erklärt Katharina Dobes, Projektassistentin am Institut für Angewandte Physik. Selbst wenn durch das Teilchenbombardement nur eine einzelne Atomschicht von der Oberfläche abgetragen wird, kann die Mikrowaage den minimalen Masseunterschied messen, der sich daraus ergibt.

Die Grundidee, die diese herausragende Präzision ermöglicht, ist eigentlich recht einfach: Ein Quarzkristall wird in hochfrequente Schwingung versetzt und seine Eigenfrequenz wird gemessen. Diese Eigenfrequenz hängt von der Masse des Kristalls ab. Beschichtet man ihn mit dem für die Reaktoroberfläche vorgesehenen Material und beschießt dieses mit Teilchen, kann man aus der Eigenfrequenz des schwingenden Kristalls direkt die Massenänderung der Beschichtung ablesen, und somit feststellen, welchen Einfluss der Teilchenbeschuss auf die Oberfläche hat.

Der Anwendungsbereich dieser ultra-genauen Messmethode beschränkt sich nicht nur auf die Fusionsforschung. „Bei der Wechselwirkung von Teilchen mit Oberflächen spielen viele quantenphysikalische Phänomene eine Rolle. Im Bereich der Oberflächenphysik gibt es sicher noch eine ganze Menge von spannenden, grundlegenden Fragen zu untersuchen“, ist Prof. Aumayr sicher.

Link zum YouTube-Video: http://www.youtube.com/watch?v=55oQALwLQ0I

Fotodownload: http://tuweb.tuwien.ac.at/index.php?id=10493

Rückfragehinweis:
Univ.Prof. Friedrich Aumayr
Technische Universität Wien
Institut für Angewandte Physik
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-134 30
friedrich.aumayr@tuwien.ac.at

Aussender:
Technische Universität Wien
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Operngasse 11/5. Stock, 1040 Wien
Dipl.-Ing. Florian Aigner
T: +43-1-58801-41027
florian.aigner@tuwien.ac.at