News: Maxwells Dämon im Tokamak
Das Feuer der Sonne für die Menschheit zu bändigen, ist keine leichte Aufgabe. Vielleicht kann ein Dämon aus dem 19. Jahrhundert dabei helfen.
© Fusion (Ausschnitt)
James Clerk Maxwell hatte eine Idee. Der Physiker schuf in Gedanken eine zwergenhafte Gestalt, mit der er den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik widerlegen wollte. So sollte der Winzling dafür sorgen, dass sich ein heißes Gas auf Kosten eines kühlen erhitzt – ein Ding der Unmöglichkeit, schenkt man dem Entropiesatz Glauben.
Das Ganze sollte etwa wie folgt funktionieren: Ein Kasten wäre mit einem Gas bestimmter Temperatur gefüllt, wobei eine Trennwand in der Mitte den Kasten in zwei Kammern aufteilt, die nur über eine kleine Tür miteinander verbunden sind. Diese Tür könne der Zwerg öffnen und schließen. Seine Aufgabe wäre es, die schnellen Teilchen nur in die eine Richtung durch die Pforte reisen zu lassen, die langsamen dürften hingegen ihren Weg nur in die andere Richtung antreten. Wenn genug Zeit verginge, so mutmaßte der Physiker, müsste sich eine Kammer immer stärker erwärmen, während sich die andere abkühlt.
So schön das Gedankenexperiment aus dem 19. Jahrhundert auch ist, "Maxwells Dämon" kann den zweiten Hauptsatz nicht gefährden, wie Wissenschaftler zeigen konnten. Denn schließlich muss der Zwerg Energie aufwenden, um die umherfliegenden Moleküle im Auge zu behalten und zu sortieren. So würden er und der ganze Türmechanismus Entropie gewinnen – mehr als durch das Sortieren der Moleküle dem System verloren ginge. Es ist halt ein schweißtreibender Job, für Ordnung zu sorgen.
Nicht minder schweißtreibend ist der Arbeitplatz, den Wissenschaftler nun dem hilfreichen Gnom andrehen wollen. Inmitten eines Fusionsreaktors soll er, oder besser gesagt ein elektromagnetisches Abbild seiner selbst, die Richtung weisen. Bislang wird mit Magnetspulen rund um den Fahrradschlauch-förmigen Ring eines Tokamak-Reaktors das Plasma samt seiner Elektronen auf Trab und Temperatur gehalten. Doch das könnte sich in Zukunft ändern, zumindest wenn man die Idee von Nat Fisch von der Princeton University und seinen Kollegen verfolgt.
Die Forscher finden die übliche Methode nämlich reichlich aufwändig. Nach ihrer Vorstellung würde es reichen, wenn in einer kleinen Region eine Einbahnstraße in den Torus eingebaut würde, den die Elektronen nur in einer Richtung passieren können. Die Einbahnstraße sollte aus zwei Teilen bestehen – nein, nicht aus Tür und Dämon, sondern aus zwei Feldern, die senkrecht zueinander orientiert sind. Zum einen handelt es sich um ein elektromagnetisches Wechselfeld, das eine Wand quer durch die Ringröhre zieht und für Elektronen normalerweise undurchlässig ist, zum anderen soll ein statisches Magnetfeld senkrecht auf dieser Wand stehen, also entlang der Röhre weisen.
Nähert sich nun ein Elektron der Wand, dann wird es durch das statische Magnetfeld und die damit verbundene Lorentzkraft auf Kreisbahnen gezwungen. Das Teilchen bewegt sich also auf einer helikalen Bahn auf das Hindernis zu. Dabei ist die Stärke des Magnetfeldes gerade so gewählt, dass in der Nähe der Wand die Kreisfrequenz der Elektronen gerade der Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes entspricht. Das Resultat: Die Elektronen bekommen an ganz bestimmten Punkten ihrer Umlaufbahn einen Schubs, der sie in ganz bestimmte Richtung auf die andere Seite der elektromagnetischen Wand katapultiert – und zwar unabhängig ihrer Herkunft. So sorgen die beiden Felder also für einen kontinuierlichen gerichteten Teilchenstrom entlang des Torus.
Einen echten Maxwell'schen Dämon, so gestehen Fisch und sein Team, hätten sie damit jedoch nicht geschaffen. Denn schließlich verlören die Elektronen durch die Stöße an der elektromagnetischen Wand einen Teil ihrer Energie. Auch wenn sich ihre Erfindung vielleicht nicht in einen Tokamak integrieren lässt – schließlich sind Plasmen anspruchsvoll und verhalten sich häufig nicht so, wie es die Theorie vorhersagt –, so sind die Forscher doch zuversichtlich, dass ihr Konzept zumindest für neuartige Teilchenfallen taugen könnte. Maxwells Dämon, so scheint es, muss also keine Arbeitslosigkeit fürchten.
Das Ganze sollte etwa wie folgt funktionieren: Ein Kasten wäre mit einem Gas bestimmter Temperatur gefüllt, wobei eine Trennwand in der Mitte den Kasten in zwei Kammern aufteilt, die nur über eine kleine Tür miteinander verbunden sind. Diese Tür könne der Zwerg öffnen und schließen. Seine Aufgabe wäre es, die schnellen Teilchen nur in die eine Richtung durch die Pforte reisen zu lassen, die langsamen dürften hingegen ihren Weg nur in die andere Richtung antreten. Wenn genug Zeit verginge, so mutmaßte der Physiker, müsste sich eine Kammer immer stärker erwärmen, während sich die andere abkühlt.
So schön das Gedankenexperiment aus dem 19. Jahrhundert auch ist, "Maxwells Dämon" kann den zweiten Hauptsatz nicht gefährden, wie Wissenschaftler zeigen konnten. Denn schließlich muss der Zwerg Energie aufwenden, um die umherfliegenden Moleküle im Auge zu behalten und zu sortieren. So würden er und der ganze Türmechanismus Entropie gewinnen – mehr als durch das Sortieren der Moleküle dem System verloren ginge. Es ist halt ein schweißtreibender Job, für Ordnung zu sorgen.
Nicht minder schweißtreibend ist der Arbeitplatz, den Wissenschaftler nun dem hilfreichen Gnom andrehen wollen. Inmitten eines Fusionsreaktors soll er, oder besser gesagt ein elektromagnetisches Abbild seiner selbst, die Richtung weisen. Bislang wird mit Magnetspulen rund um den Fahrradschlauch-förmigen Ring eines Tokamak-Reaktors das Plasma samt seiner Elektronen auf Trab und Temperatur gehalten. Doch das könnte sich in Zukunft ändern, zumindest wenn man die Idee von Nat Fisch von der Princeton University und seinen Kollegen verfolgt.
Die Forscher finden die übliche Methode nämlich reichlich aufwändig. Nach ihrer Vorstellung würde es reichen, wenn in einer kleinen Region eine Einbahnstraße in den Torus eingebaut würde, den die Elektronen nur in einer Richtung passieren können. Die Einbahnstraße sollte aus zwei Teilen bestehen – nein, nicht aus Tür und Dämon, sondern aus zwei Feldern, die senkrecht zueinander orientiert sind. Zum einen handelt es sich um ein elektromagnetisches Wechselfeld, das eine Wand quer durch die Ringröhre zieht und für Elektronen normalerweise undurchlässig ist, zum anderen soll ein statisches Magnetfeld senkrecht auf dieser Wand stehen, also entlang der Röhre weisen.
Nähert sich nun ein Elektron der Wand, dann wird es durch das statische Magnetfeld und die damit verbundene Lorentzkraft auf Kreisbahnen gezwungen. Das Teilchen bewegt sich also auf einer helikalen Bahn auf das Hindernis zu. Dabei ist die Stärke des Magnetfeldes gerade so gewählt, dass in der Nähe der Wand die Kreisfrequenz der Elektronen gerade der Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes entspricht. Das Resultat: Die Elektronen bekommen an ganz bestimmten Punkten ihrer Umlaufbahn einen Schubs, der sie in ganz bestimmte Richtung auf die andere Seite der elektromagnetischen Wand katapultiert – und zwar unabhängig ihrer Herkunft. So sorgen die beiden Felder also für einen kontinuierlichen gerichteten Teilchenstrom entlang des Torus.
Einen echten Maxwell'schen Dämon, so gestehen Fisch und sein Team, hätten sie damit jedoch nicht geschaffen. Denn schließlich verlören die Elektronen durch die Stöße an der elektromagnetischen Wand einen Teil ihrer Energie. Auch wenn sich ihre Erfindung vielleicht nicht in einen Tokamak integrieren lässt – schließlich sind Plasmen anspruchsvoll und verhalten sich häufig nicht so, wie es die Theorie vorhersagt –, so sind die Forscher doch zuversichtlich, dass ihr Konzept zumindest für neuartige Teilchenfallen taugen könnte. Maxwells Dämon, so scheint es, muss also keine Arbeitslosigkeit fürchten.
Schreiben Sie uns!