Antwort auf die Eingangsfrage Wie kann man Plasma für die Kernfusion mit Hilfe von Magnetfeldern einschließen? Kernfusion ist die Energiequelle der Sonne. Sie findet im Zentrum der Sonne statt und ist die Umwandlung (Verschmelzung) von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen, mehr zur Kernfusion erfährst du in Physik 8. Diesen Prozess auf der Erde zur Energieversorgung nutzen zu können, ist ein Traum von Politik, Wirtschaft und Forschung. Damit Kernfusion möglich wird, müssen die positiv geladenen Kerne des „Brennstoffs“ Wasserstoff so hohe Energie haben, dass sie ihre gegenseitige Abstoßung überwinden und bei Zusammenstößen verschmelzen. Dafür sind Temperaturen von etwa hundert Millionen Grad notwendig. Wie kann das erreicht werden? Ein besonders intensiv verfolgter Ansatz ist der Tokamak-Reaktor. Das Wort Tokamak ist eine Abkürzung für „Toroidale (= ringförmige) Kammer mit Magnetspulen“ (124.1). In der ringförmigen Vakuumkammer befinden sich einige Gramm Wasserstoffgas. In mehreren Schritten wird von außen Energie zugeführt, bis 100 Millionen Grad erreicht sind. Die Atome in dem heißen Gas sind vollständig ionisiert und bilden ein Plasma (siehe S. 76) aus positiv geladenen Atomkernen und Elektronen. Wie kann man verhindern, dass das heiße Plasma die Wand der Vakuumröhre berührt und dabei Energie verliert? Die Lösung ist eine magnetische Flasche. Durch eine Kombination von Magnetspulen, welche die Vakuumkammer horizontal bzw. vertikal umschließen, wird ein schraubenförmig gewundenes Feld erzeugt, dessen Feldlinien einen Ring durch die Kammer bilden. In diesem Ring ist nun das Plasma eingeschlossen. Bisher sind Experimente zur Kernfusion noch weit von der praktischen Umsetzung zur Energiegewinnung entfernt. Mit dem europäischen Forschungsprojekt JET (Joint European Torus, 1983–2023) wurden mehrmals Kernfusionen von einigen Sekunden Dauer erzielt. Das Nachfolgeprojekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) baut auf den Resultaten bei JET für den nächsten Entwicklungsschritt auf. Ziel ist vor allem, die Brenndauer des Plasmas auf eine Stunde und die freigesetzte Fusionsleistung auf ein Mehrfaches der Heizleistung zu erhöhen. Das Projekt wird von 35 Ländern finanziert. Als Baukosten wurden anfangs 5,5 Mrd. € genannt, wie viel es bis zur geplanten Fertigstellung im Jahr 2036 kosten wird, ist ebenso wenig absehbar wie die Höhe der späteren Betriebskosten. 124.1 Bildliche Darstellung des Inneren eines Kernfusionsreaktors 124.2 Blick in die Vakuumkammer des Forschungsreaktors JET. Sie ist ca. 4 m hoch, ihr äußerer Durchmesser ist 8,4 m. Der Reaktor befindet sich in England. 124.3 Der Forschungsreaktor ITER in Frankreich ist seit 2011 in Bau (Bild von 2023) und soll 2036 in Betrieb gehen. 1 S1 Neben GPS-Geräten ist der Magnetkompass weiterhin eine wichtige Navigationshilfe. Wie stellt sich die horizontal drehbare Magnetnadel ein? Informiere dich über den nördlichen Magnetpol der Erde. Ist in seiner Nähe eine Orientierung mittels Magnetkompass möglich? 2 S3 Beschreibe die Aufgaben von Massenspektrometern. Nach welchen Prinzipien sind sie aufgebaut? Beschleuniger-Massenspektrometer (z. B. Vienna Environmental Research Accelerator VERA) können kleinste Mengen seltener Isotope nachweisen. Recherchiere dazu eine Fallstudie. 3 W4 Im Van Allen-Gürtel pendeln Protonen und Elektronen auf Schraubenbahnen zwischen den Polregionen. Das Erdmagnetfeld wirkt als „magnetische Flasche“. Beschreibe, wie es zu dieser Pendelbewegung kommt. 4 S3 Bei einigen Lebewesen (Bakterien, Pflanzen, …) ist erwiesen, dass ihr Verhalten durch Magnetfelder beeinflusst wird, und dass sie daher Magnetfelder wahrnehmen (Magnetorezeption). Suche Beispiele für Magnetorezeption und recherchiere, wie in einem dich besonders interessierenden Fall die Magnetfeldwahrnehmung (vermutlich) funktioniert. Viele wissenschaftlichen Aussagen auf diesem noch kaum erforschten Gebiet beruhen auf wenigen Beobachtungen einzelner Forscher. Versuche, die Güte der Aussagen einzuschätzen. Weiterführende Fragestellungen 124 Felder Praxis und Vertiefung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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