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Wie star­ke Strö­mungen ent­ste­hen

Die Forschungs­gruppe „Komplexe Systeme“ beschäftigt sich mit der Entstehung von starken Strömungen aus turbulenten Wirbeln in für die Erforschung von Fusionsenergie wichtigen heißen Plasmen. Ihre neuesten Erkenntnisse wurden kürzlich von der Fachzeitschrift „Nuclear Fusion“ zu einem Highlight des Jahres gekürt.

Die Erforschung der Fusionsenergie hat das Ziel, die Art der Energieerzeugung der Sterne durch Kernfusion in sicheren und umweltfreundlichen Kraftwerken auf der Erde zu untersuchen und entwickeln. In der Arbeit mit dem Titel „Non-Oberbeck-Boussinesq zonal flow generation“ von Markus Held aus der Arbeitsgruppe „Komplexe Systeme“ am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Uni Innsbruck werden neue physikalische Modelle zur Erzeugung von langlebigen, starken Strömungen aus turbulenten Wirbeln heraus beschrieben. Denn ähnlich wie sich in der Atmosphäre Hoch- und Tiefdruckgebiete zu größeren Strömungen, den Jetstreams, zusammenschließen und unser Wetter wesentlich beeinflussen können, werden auch in Plasmen solche Strömungen (sogenannte „Zonal flows“) aus Wirbeln erzeugt. In der Natur beeinflussen Jetstreams beispielsweise die Siebenschläfer-Regel und damit die Stabilität unseres Sommerwetter. Und in Fusionsexperimenten führen „Zonal flows“ zu heißerem und wesentlich besser eingeschlossenem Plasma.

Dieser Effekt ist in Plasmen aus Fusionsexperimenten gut bekannt. Bisherige theoretische Modelle und Simulationen dazu konnten aber nur den Einfluss sehr kleiner Wirbel beschreiben. In einem wichtigen Bereich am Rand von Fusionsplasmen sind die Amplituden der Turbulenzen aber derart hoch, dass die mathematische Näherung kleiner Wirbel nicht genügt. Unter der Leitung von Alexander Kendl am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik forscht die Arbeitsgruppe für „Komplexe Systeme“ an theoretischen Modellen und numerischen Simulationen, um auch starke Turbulenz mit großen Amplituden und die entstehenden Strömungen zu untersuchen. Der Physiker Markus Held wendet dazu neuartige statistische Mittelungsmethoden an, um erstmals Modelle für beliebige Stärke der Turbulenz zu entwickeln. Damit konnten neue physikalische Effekte zur Strömungserzeugung vorhergesagt und in Computersimulationen untersucht werden. Diese 2018 in der Fachzeitschrift „Nuclear Fusion“ veröffentlichte Arbeit wurde nun von dem wichtigsten wissenschaftlichen Journal zur Erforschung der Fusionsenergie zu einem Highlight des Jahres erklärt.

Kendl erläutert: „Die neuen Modelle geben uns die Möglichkeit, Turbulenz und Strömungen in Plasmen auch bei starken Nichtlinearitäten wesentlich realistischer zu beschreiben und vorherzusagen.“ Der turbulente Transport in Plasmen sei ein starker Verlustmechanismus von Energie und Teilchen in Fusionsexperimenten, so Kendl weiter. Ein besseres theoretisches Verständnis könne wesentlich zum Erfolg zukünftiger Experimente oder Kraftwerke beitragen. Ein Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe liegt auf der Entwicklung sehr effizienter Modelle, die den Simulationsaufwand von Plasmaturbulenz auf Computern stark reduzieren, und auf dem Verständnis der nichtlinearen, chaotischen Wechselwirkungsprozesse in Flüssigkeiten und Plasmen.

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