Quelle: DESY.

Auf dem Weg zu den Teilchenbeschleunigern der Zukunft hat ein Forscherteam bei DESY einen wichtigen Meilenstein erreicht: Erstmals weltweit ist ein sogenannter Plasmabeschleuniger länger als einen Tag gelaufen und hat dabei kontinuierlich Elektronenstrahlen geliefert. Die Anlage LUX, gemeinsam entwickelt und betrieben von DESY und der Universität Hamburg, erreichte eine Betriebsdauer von 30 Stunden. „Damit sind wir dem Regelbetrieb dieser innovativen Teilchenbeschleunigertechnik ein gutes Stück nähergekommen“, sagt Teamleiter Andreas R. Maier von DESY. Die Wissenschaftler berichten über ihren Rekord im Fachblatt „Physical Review X“. „Die Zeit ist reif, um die Laser-Plasmabeschleunigung aus dem Labor zur Anwendung zu führen“, ergänzt der Direktor des DESY-Beschleunigerbereichs, Wim Leemans.

Von der Technik der Plasmabeschleunigung versprechen sich Physiker eine neue Generation kompakter, leistungsfähiger Teilchenbeschleuniger mit einzigartigen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen. Bei dieser Methode erzeugt ein Laser oder ein energiereicher Teilchenstrahl eine Plasmawelle in einer feinen Kapillare. Als Plasma wird ein Gas bezeichnet, bei dem die Gasmoleküle von ihren Elektronen getrennt wurden. LUX verwendet Wasserstoffgas.

Die Laserpulse pflügen als schmale Scheiben durch das Gas und entreißen den Wasserstoffmolekülen ihre Elektronen, die wie von einem Schneepflug zur Seite gefegt werden“, beschreibt Maier, der am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) arbeitet, einer Gemeinschaftseinrichtung von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft. „Elektronen im Kielwasser des Blitzes werden von der elektrisch positiv geladenen Plasmawelle vor ihnen beschleunigt – ähnlich wie ein Wakeboard-Surfer in der Heckwelle eines Schiffs.“

Plasmabeschleuniger können auf diese Weise eine bis zu tausendfach höhere Beschleunigung erreichen als die stärksten Maschinen, die heute im Einsatz sind. Damit können kompaktere und stärkere Anlagen mit einem breiten Einsatzspektrum von der Grundlagenforschung bis zur Medizin möglich werden. Eine Reihe technischer Herausforderungen gibt es vor einer Anwendung noch zu meistern. „Auch diese Herausforderungen können wir dank des langen und stabilen Betriebs unserer Anlagen jetzt besser angehen“, erläutert Maier.

Die Physiker haben während ihres Rekordbetriebs mehr als 100 000 Elektronenpakete beschleunigt, jede Sekunde eines. Mit dieser großen Zahl lassen sich die Eigenschaften des Beschleunigers, des Lasers und der Teilchenpakete miteinander in Verbindung setzen und sehr viel genauer auswerten. „Unerwünschte Variationen im Elektronenstrahl lassen sich beispielsweise auf konkrete Punkte im Laserpuls zurückführen, so dass wir jetzt genau wissen, an welcher Stelle wir ansetzen müssen, um einen noch besseren Teilchenstrahl zu bekommen“, sagt Maier. „Dieser Ansatz legt die Grundlage für eine aktive Stabilisierung der Strahlen, so wie sie an allen modernen Beschleunigern weltweit eingesetzt wird“, erläutert Leemans.

Grundlage für den Erfolg ist laut Maier die Verknüpfung von zwei Feldern: die Expertise in der Plasmabeschleunigung mit dem Know-how für einen stabilen Beschleunigerbetrieb. „Beides ist bei DESY in weltweit einzigartiger Weise vorhanden“, betont Maier. Zu dem stabilen Langzeitbetrieb haben demnach zahlreiche Faktoren beigetragen, von der Vakuumtechnik über Laserexpertise bis hin zu einem umfangreichen und ausgeklügelten Kontrollsystem. „Im Prinzip wäre unsere Anlage auch noch länger gelaufen, wir haben den Betrieb nach 30 Stunden abgebrochen“, berichtet Maier. „Und inzwischen haben wir das noch dreimal wiederholt.“

„Diese Arbeit zeigt, dass Laser-Plasmabeschleuniger eine reproduzierbare und kontrollierbare Leistung bieten können. Das liefert eine konkrete Grundlage für die Weiterentwicklung dieser Technologie zu künftigen beschleunigerbasierten Lichtquellen bei DESY und anderswo“, fasst Leemans zusammen.

An der Arbeit waren Forscher der Universität Hamburg, des europäischen ELI-Beamlines-Projekts, der Max Planck Research School for Ultrafast Imaging & Structural Dynamics (IMPRS-UFAST) und von DESY beteiligt.

Originalveröffentlichung:
„Decoding sources of energy variability in a laser-plasma accelerator“; Andreas R. Maier, Niels M. Delbos, Timo Eichner, Lars Hübner, Sören Jalas, Laurids Jeppe, Spencer W. Jolly, Manuel Kirchen, Vincent Leroux, Philipp Messner, Matthias Schnepp, Maximilian Trunk, Paul A. Walker, Christian Werle und Paul Winkler; „Physical Review X“, 2020; DOI: 10.1103/PhysRevX.10.031039

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Ein Beitrag von Andreas Tramposch. Quelle: Univ. Washington.

Das Zauberwort heißt magnetischer Strahlenplasma-Antrieb (kurz mag-beam genannt). Robert Winglee, ein Leiter des Projektes, sieht es als Tatsache an, dass schnelle Reise zu entfernten Teilen unseres Sonnensystems durch diese neue Antriebstechnologie Realität werden könnten. Jetzt würden die Astronauten unter Verwendung des bisherigen Antriebes zum Mars und zur Erde zurück ganze 2,5 Jahre benötigen. „Wir versuchen es in nur 90 Tagen zum Mars und zur Erde zurück zu schaffen,“ sagte Winglee. „Unsere Philosophie ist: Je länger die Reise dauert, desto niedriger die Chancen einer erfolgreichen Mission.“

Das Konzept des mag-beam-Antriebes besteht darin, dass das Raumfahrzeug über eine Raumstation mit einem Strahl magnetisierter Ionen (Plasmastrahl) versorgt wird. Mit der Intensität des Plasmastrahls steigt auch die Geschwindigkeit mit der das Raumfahrzeug durch das Sonnensystem reist. Winglee schätzt, dass eine Steuerdüse mit einem Durchmesser von 32 Metern auf der Raumstation einen Plasmastrahl erzeugen kann, der fähig wäre das Raumfahrzeug mit einer Geschwindigkeit von 11,7 Kilometer pro Sekunde anzutreiben. Das entspricht einer Distanz von 42.120 Kilometer in der Stunde oder über einer Million Kilometer am Tag. Der Planet Mars befindet sich durchschnittlich 77 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Die Entfernt hängt aber sehr stark von der Position der zwei Planeten auf ihrem Orbit um die Sonne ab. Bei dieser durchschnittlichen Entfernung würde ein Raumfahrzeug also 77 Tage zum Mars benötigen. Winglee arbeitet aber schon an Wegen noch höhere Geschwindigkeiten zu erreichen, um einen Trip zum Mars und der Erde zurück in nur drei Monaten zu verwirklichen. Bei so hohen Geschwindigkeiten wird aber eine weitere Plasma-Plattform am Ende der Reise benötigt, um eine Abbremsung des Raumfahrzeuges zu gewährleisten.

Eine mag-beam-Testmission könnte innerhalb der nächsten fünf Jahre verwirklicht werden, falls die finanzielle Unterstützung weiterhin aufrecht steht. Diese Projekt wird eines der Themen der sechsten jährlichen Hauptversammlung des NASA Advanced Concept Institutes (ACI) kommenden Mittwoch in Seattle sein. Winglee weiß, dass Investitionen von mehreren Milliarden Dollar notwendig sind, um solche Plasmastrahlen erzeugende Stationen innerhalb unseres Sonnensystems zu platzieren. Aber einmal platziert, würden diese Stationen selbsständig Plasmaenergie erzeugen.

Langfristig gesehen soll die Raumfahrt innerhalb unseres Sonnensystems um einiges kostengünstiger werden, da neben der dramatisch verkürzten Reisezeit auch der Transport des eigenen Treibstoffes entfällt. Die Raumfahrzeuge würden dann schnell durch einen starken Plasmaschub einer Station an Geschwindigkeit aufnehmen, mittels Höchstgeschwindigkeit zum Ziel reisen und dort dann mittels Plasmastrahl einer anderen Plasmastation abgebremst werden. Winglee sagte: „Das wird eine dynamische Präsenz der Menschheit im Weltall zu Folge haben. Und genau das ist es was wir versuchen zu erreichen.“

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