Z-Maschine

Z-Maschine (2012). Gleitentladungen auf der Wasseroberfläche.
Aufbau der Z-Maschine (2020)
Gebäudekomplex der Z-Maschine (2020)

Die Z-Maschine oder offiziell die Z Pulsed Power Facility (umgangssprachlich kurz "Z") ist eine experimental-physikalische Versuchsanlage, um Materialversuche unter sehr hohen Temperaturen 1 Mio. Grad Celsius[1] und extremen Druckverhältnissen 10 Mbar durchzuführen.[2] Man ordnet die Physik von derartigen Anlagen der Hochenergiedichtephysik zu.

Der Betreiber von Z sind die Sandia National Laboratories (SNL) in Albuquerque, New Mexico, USA. Die Anlage hat einen Doppelnutzen, d. h. wird für zivile als auch militärische Zwecke genutzt. Sandia ist das nichtnukleare Labor des US-amerikanischen Kernwaffenkomplex und betreibt eine einzigartige Infrastruktur zur Forschung und Entwicklung. Sandia war ursprünglich die "Z-Division" in dem Manhattan Engineer District (MED).

Der Name ist abgeleitet von

  • der vertikalen Austrittsrichtung der Röntgenstrahlen (siehe auch Z-Achse) und
  • den vertikal verlaufenden Drähten (siehe Aufbau).

Die Z-Maschine ist ein Beispiel für eine Pinch-Anordnung und beruht auf dem Pincheffekt, d. h. eine Kompression oder Einschnürung (siehe Literatur).

Geschichte

Z ist eine Gepulste Energieanlage oder Pulsenergieanlage. Die Anfänge dieser Experimentalanlagen geht bis in die 1950er Jahre und dortigen Forschungsaktivitäten zurück. Erste theoretische Überlegungen zu magnetischen Einschlüssen stammen aus den 1930er Jahren.[3][4]

Frühere Maschinen oder experimentelle Aufbauten waren Columbus-II, Columbus S-2, oder das Perhapsatron S-5 am Los Alamos National Laboratory (LANL).[5] Es gab auch Experimente zur "Einschnürung" in Großbritannien (Harwell) oder anderen Ländern, z. B. Russland, China[6] oder Frankreich[7].

Die Anlage Z ging etwa 1996 in Betrieb.[8] Z ist eine von vielen Plusenergieanlagen am SNL.[9]

Forschungsaktivitäten

Simulator an der Kirtland AFB für einen elektromagnetischen Puls (EMP) mit einer B-52 ca. 1980

Mit der Z-Maschine werden verschiedene Teilbereiche der Physik erforscht. Es wird beispielswiese an Themen der Astrophysik[10], Plasmaphysik, Zustandsgleichungen, oder Kernfusion geforscht.[11]

Z kann als Energiequelle für Trägheitsfusion genutzt werden.[12][13] Die Anlage ist eine der leistungsstärksten, künstliche Röntgenquellen[14]; diese Eigenschaft wird ebenfalls für Versuche genutzt.

Z dient ursprünglich zu Testzwecken für die nationale Sicherheit der USA. Genauer können mit Z elektronische Komponenten von Kernwaffen o. a. Geräten getestet werden, um sicherzustellen, dass diese nicht durch benachbarte Kernexplosionen gestört werden (vgl. Elektromagnetischer Impuls und andere Störeffekte).[5]

Einer der leitenden Wissenschaftler ist Thomas W. L. Sanford.

Aufbau

Drähte mit einem Durchmesser von 1/10 eines menschlichen Haares werden von einem Techniker der Z-Anlage für ein Experiment aufgebaut. (2013)

Die Z-Maschine ist ein rundes Gefäß mit einem Durchmesser von 33 m und einer Höhe von 6 m mit 36 Marxgeneratoren und radial angeordneten Pulsformungsnetzwerk (PFN). In der Mitte des Gefäßes, das zur Isolierung mit deionisiertem Wasser gefüllt ist, befindet sich eine Vakuumkammer mit 3 m Durchmesser. In dieser befindet sich die sogenannte Z-Pinch, eine zylindrische Anordnung aus 300 in Z-Richtung verlaufenden, parallelen Wolframdrähten in der Form eines Zylinders mit einer Höhe von ca. 20 cm. Die Wolframdrähte haben einen Durchmesser von 10 µm, etwa 1/7 der Dicke eines menschlichen Haares. Im Zentrum dieses Drahtzylinders sind verschiedene Experimente platziert, zum Beispiel eine Fusionskapsel, ein dünner Metallzylinder mit einem Gemisch aus Deuterium und Tritium. Damit die Atomkerne fusionieren können, muss die Kapsel auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Größe komprimiert und außerordentlich hoch erhitzt werden. Durch Bremsstrahlung entsteht bei der Draht-Implosion sehr intensive Röntgenstrahlung.

Während einer Zeit von weniger als 100 Nanosekunden fließt ein elektrischer Strom von 26 MA (Millionen Ampere) gleichzeitig durch die feinen Wolframdrähte im Zentrum. Sie verdampfen dadurch schlagartig und verwandeln sich in ein heißes Plasma. Der Stromfluss erzeugt sodann ein starkes Magnetfeld in dem (elektrisch leitenden) Plasma, welches radial zur senkrechten Achse stark komprimiert und erhitzt wird (sogenannter Pinch-Effekt). Dadurch wiederum erhitzt das Plasma das Wandmaterial des Proben-Zylinders in dessen Innerem auf eine Temperatur von bis zu einigen Milliarden Kelvin. Der Zylinder sendet einen intensiven Röntgenpuls aus mit einer Spitzenleistung von 290 TW. Die Fusionskapsel wird auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Größe zusammengepresst und dabei stark aufgeheizt. Für wenige Nanosekunden tritt hier die ca. 80fache Leistung aller Kraftwerke der Erde auf.

Die elektrische Energie von Z wird durch Marx-Generatoren bereitgestellt. Es ist ca. 1 Schuss pro Tag möglich. Zur Diagnose und für weitere Versuche können Laserstrahlen verschiedener Laser zum Target geführt werden.

Betrieb

2003 gelang es den Wissenschaftlern, durch den Röntgenpuls von 120 TW die Fusionskapsel auf ein Sechstel ihres ursprünglichen Durchmessers zu komprimieren. Die Dichte der Deuteriumkerne stieg dabei auf das Zweihundertfache. Unter diesen Bedingungen werden zwei Kerne der schweren und überschweren Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium so dicht zusammengebracht, dass sie zu einem Heliumkern verschmelzen. Die Forscher schätzen, dass ihre Fusion eine Energie von etwa 4 mJ freisetzte.

2006 wurde bekanntgegeben, dass ein Plasma mit einer Temperatur von über 2 Milliarden Kelvin erzeugt werden konnte, eine Temperatur, die höher ist als die im Inneren von Sternen (im Kern der Sonne werden beispielsweise lediglich ca. 15 Millionen Kelvin erreicht). Zudem war die Energie der abgegebenen Röntgenstrahlung viermal so groß, wie es bei der zugeführten Menge kinetischer Energie zu erwarten gewesen wäre. Diese Ergebnisse konnten bisher zwar über einen Zeitraum von 14 Monaten mehrfach experimentell bestätigt, jedoch noch nicht vollständig erklärt werden.[15]

Von 2007 bis 2009 wurde die Z-Maschine zur „ZR-Maschine“ überarbeitet. Die neu installierte Hardware, v. a. stärkere Marxgeneratoren, erlaubt Ströme von bis zu 26 MA, statt zuvor 18 MA, und Anstiegszeiten innerhalb von 95 ns. Die Strahlungsleistung wurde auf 350 TW erhöht und Energieabgabe in Form von Röntgenstrahlung auf 2,7 MJ.[16]

Unter den im Jahre 2018 durchgeführten 152 Entladungen waren 32 Strahlungsexperimente, 54 Materialuntersuchungen und 49 Fusionsexperimente.[17]

Literatur

  • Samuel Glasstone, Ralph H. Lovberg: Controlled Thermonuclear Reactions. Robert E. Krieger Publishing Company, New York 1975 (englisch, archive.org – Originaltitel: Id. 1960.). — Chapter 7: The Pinch Effect
  • D. D. Ryutov, M. S. Derzon, M. K. Matzen: The physics of fast Z pinches. In: Reviews of Modern Physics. Band 72, Nr. 1, 1. Januar 2000, S. 167–223, doi:10.1103/RevModPhys.72.167 (englisch).
  • James R. Asay, Marcus D. Knudson: Use of Pulsed Magnetic Fields for Quasi-Isentropic Compression Experiments. In: Lalit C. Chhabildas, Lee Davison, Yasuyuki Horie (Hrsg.): High-Pressure Shock Compression of Solids VIII (= High-Pressure Shock Compression of Condensed Matter). Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2005, ISBN 978-3-540-22866-0, S. 329–380, doi:10.1007/3-540-27168-6_10 (englisch).
  • Andrew Porwitzky: Z for Beginners. (englisch, sandia.gov [PDF]).

Einzelnachweise

  1. ↑ Sandia Z accelerator. SNL, 1998, abgerufen am 19. Juli 2025 (englisch).
  2. ↑ Hye-Sook Park et al.: Techniques for studying materials under extreme states of high energy density compression. In: Physics of Plasmas. Band 28, Nr. 6, 1. Juni 2021, ISSN 1070-664X, doi:10.1063/5.0046199 (englisch, aip.org [abgerufen am 19. Juli 2025]).
  3. ↑ Willard H. Bennett: Magnetically Self-Focussing Streams. In: Physical Review. Band 45, Nr. 12, 15. Juni 1934, ISSN 0031-899X, S. 890–897, doi:10.1103/PhysRev.45.890 (englisch, aps.org [abgerufen am 19. Juli 2025]).
  4. ↑ L. Tonks: Theory of Magnetic Effects in the Plasma of an Arc. In: Physical Review. Band 56, Nr. 4, 15. August 1939, ISSN 0031-899X, S. 360–373, doi:10.1103/PhysRev.56.360 (englisch, aps.org [abgerufen am 19. Juli 2025]).
  5. ↑ a b D. B. Sinars et al.: Review of pulsed power-driven high energy density physics research on Z at Sandia. In: Physics of Plasmas. Band 27, Nr. 7, 1. Juli 2020, ISSN 1070-664X, doi:10.1063/5.0007476 (englisch, en, aip.org [abgerufen am 19. Juli 2025]).
  6. ↑ Jianjun Deng et al.: Overview of pulsed power researches at CAEP. IEEE, 2014, ISBN 978-1-4799-2711-1, S. 1–6, doi:10.1109/PLASMA.2014.7012736 (englisch, ieee.org [abgerufen am 19. Juli 2025]).
  7. ↑ H. Calamy: Wire Array Z-pinches on Sphinx Machine: Experimental Results and Relevant Points of Microsecond Implosion Physics. Band 808. AIP, 2006, S. 15–20, doi:10.1063/1.2159310 (englisch, aip.org [abgerufen am 19. Juli 2025]).
  8. ↑ Neal Singer: Look who’s turning 25. SNL, 2021, abgerufen am 19. Juli 2025 (amerikanisches Englisch).
  9. ↑ Key Research Facilities. Sandia, abgerufen am 19. Juli 2025 (amerikanisches Englisch).
  10. ↑ Bruce A. Remington, R. Paul Drake, Dmitri D. Ryutov: Experimental astrophysics with high power lasers and Z pinches. In: Reviews of Modern Physics. Band 78, Nr. 3, 8. August 2006, ISSN 0034-6861, S. 755–807, doi:10.1103/RevModPhys.78.755 (englisch, aps.org [abgerufen am 19. Juli 2025]).
  11. ↑ Wayt Gibbs: With a touch of thermonuclear bomb fuel, 'Z machine' could provide fusion energy of the future. In: Science. 9. November 2016, ISSN 0036-8075, doi:10.1126/science.aal0356 (englisch, sciencemag.org [abgerufen am 19. Juli 2025]).
  12. ↑ Jeremy P Chittenden: The Z-pinch: approach to fusion. In: Physics World. Band 13, Nr. 5, Mai 2000, ISSN 0953-8585, S. 39–44, doi:10.1088/2058-7058/13/5/31 (englisch, iop.org [abgerufen am 19. Juli 2025]).
  13. ↑ M. Keith Matzen et al.: Pulsed-power-driven high energy density physics and inertial confinement fusion research. In: Physics of Plasmas. Band 12, Nr. 5, 1. Mai 2005, ISSN 1070-664X, doi:10.1063/1.1891746 (englisch, aip.org [abgerufen am 19. Juli 2025]).
  14. ↑ J. E. Bailey et al.: Radiation science using Z-pinch x rays. In: Physics of Plasmas. Band 9, Nr. 5, 1. Mai 2002, ISSN 1070-664X, S. 2186–2194, doi:10.1063/1.1459454 (englisch, aip.org [abgerufen am 19. Juli 2025]).
  15. ↑ Sandia’s Z machine exceeds two billion degrees Kelvin. Archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 5. November 2015; abgerufen am 7. Mai 2010 (englisch).
  16. ↑ Sandia Z Machine-Like Pulse Nuclear Fusion Startup Has 25% of a Terawatt Driver. In: NextBigFuture.com. 3. November 2023, abgerufen am 20. Juni 2025 (amerikanisches Englisch).
  17. ↑ D. B. Sinars et al.: Review of pulsed power-driven high energy density physics research on Z at Sandia, in Physics of Plasmas 27, 070501 (2020); doi:10.1063/5.0007476, abgerufen am 8. Feb. 2023

Koordinaten: 35° 2′ 1,5″ N, 106° 32′ 33,1″ W

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