Hochenergiedichtephysik

Unter Hochenergiedichtephysik (HEDP) versteht man ein interdisziplinäres Fachgebiet aus der Physik und Technik, gekennzeichnet durch hohe Energiedichten. Man untersucht in der Hochenergiedichtephysik die Prozesse und Veränderungen von Materie unter Extrembedingungen[1], z. B. ab Drücken von 1 Mbar bzw. ab 100 GPa – also dem millionenfachen des normalen Luftdrucks – und extrem hohen Temperaturen. Andere physikalische Parameter, die ebenfalls verändert werden, sind häufig über eine Zustandsgleichung verbunden.

Die Hochenergiedichtephysik ist nicht zu verwechseln mit der Hochenergiephysik (HEP).

Forschungsgebiete

Die HEDP untersucht und erforscht Phänomene und Probleme aus: Materialwissenschaft, Astrophysik, Strahlungs- oder Transportprobleme, Thermodynamik, Atom- und Kernphysik, Kernfusion, Strahlungshydrodynamik, Plasmaphysik, Schockwellen[2], Gasdynamik, Explosionen usw.

Laborgeräte der HEDP sind z. B. die Diamantstempelzelle[3], Stoßwellenrohre, Hochenergieanlagen (Plusenergie z. B. die Z-Maschine), oder Hochenergielaserfusionsanlagen (z. B. NIF).

Laserfusion

Bei der Laserfusion wird ein kleines Target, das aus Deuterium-Tritium-(D-T)-Brennstoff und anderen Spezialmaterialien besteht, zur Implosion und (falls erreichbar) zum sogenannten thermonuklearen Brennen gebracht. Derartige Systeme werden seit vielen Jahrzehnten entwickelt. Ein Beispiel hierfür ist das OMEGA-Lasersystem.[4] OMEGA ist ein gepulstes Hochenergiesystem des Laboratory for Laser Energetics (LLE) der University of Rochester (UR), wurde von Infrarotlicht (1.054 nm) auf Ultraviolettlicht (351 nm) umgebaut und war 1985 einsatzbereit. Die Brennstoffkapsel (Target) wird innerhalb weniger Sekunden uniform auf eine Dichte von etwa 20 g/cc unter Ablation und Schockwellen zusammengepresst, wobei die D- und T-Kerne verschmelzen, die Reaktionsprodukte entstehen und Bindungsenergie frei wird. Für die Kernfusion von D-T sind mehrere Millionen Grad erforderlich. Zum Vergleich: Die Dichte im Inneren der Erde beträgt etwa 15 g/cc. Die Dichte im Inneren der Sonne (eine Materie aus Plasma und Strahlung) etwa 150 g/cc.[5][6][7] Die Trägheitsfusion wurde Jahrzehnte später an der National Ignition Facility (NIF) erfolgreich demonstriert (Q > 1). Die Sonne entnimmt ihre Energie jedoch der Proton-Proton Kernfusionsreaktion.

Literatur

  • P. W. Bridgman: The Physics of High Pressure. G. Bell and Sons, London 1931 (englisch, archive.org).
  • Ya B. Zel’dovich, Yu. P. Raizer: Physics of Shock Waves and High-Temperature Hydrodynamic Phenomena. Dover Publications, Mineola, NY 2002, ISBN 978-0-486-42002-8 (englisch, archive.org – Originaltitel: Id. 1966. Übersetzt von Wallace D. Hayes ; Ronald F. Probstein, Volumen 1 und 2).
  • Anatolii I. Burshtein: Introduction to Thermodynamics and Kinetic Theory of Matter. John Wiley & Sons, New York Chichester Brisbane 1996, ISBN 978-0-471-04755-1 (englisch, archive.org).
  • Vladimir E. Fortov: Extreme States of Matter: High Energy Density Physics (= Springer Series in Materials Science. Band 216). Springer International Publishing, Cham 2016, ISBN 978-3-319-18952-9, doi:10.1007/978-3-319-18953-6 (englisch).
  • James R. Asay et al.: Impactful Times (= Shock Wave and High Pressure Phenomena). Springer International Publishing, Cham 2017, ISBN 978-3-319-33345-8, doi:10.1007/978-3-319-33347-2 (Sandia National Laboratories).
  • R Paul Drake: High-Energy-Density Physics (= Graduate Texts in Physics). 2. Auflage. Springer International Publishing, Cham 2018, ISBN 978-3-319-67710-1, doi:10.1007/978-3-319-67711-8 (englisch).
  • Surinder M. Sharma, Rajagopala Chidambaram: High Pressure Physics: A Treatise. Springer Nature Singapore, Singapore 2024, ISBN 978-981-9707-82-9, doi:10.1007/978-981-97-0783-6 (englisch).

Einzelnachweise

  1. ↑ F. Hund: Materie unter sehr hohen Drucken und Temperaturen. In: Ergebnisse der exakten naturwissenschaften. Band 15. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1936, ISBN 978-3-540-77187-6, S. 189–228, doi:10.1007/bfb0111968 (springer.com [abgerufen am 9. September 2025]).
  2. ↑ L V Al’tshuler, R I Il’kaev, V E Fortov: Use of powerful shock and detonation waves to study extreme states of matter*. In: Physics-Uspekhi. Band 64, Nr. 11, 1. November 2021, ISSN 1063-7869, S. 1167–1179, doi:10.3367/UFNe.2021.09.039092 (englisch, ufn.ru [abgerufen am 17. Juli 2025]).
  3. ↑ A. Jayaraman: Diamond anvil cell and high-pressure physical investigations. In: Reviews of Modern Physics. Band 55, Nr. 1, 1. Januar 1983, ISSN 0034-6861, S. 65–108, doi:10.1103/RevModPhys.55.65 (englisch, aps.org [abgerufen am 17. Juli 2025]).
  4. ↑ R. S. Craxton et al.: Direct-drive inertial confinement fusion: A review. In: Physics of Plasmas. Band 22, Nr. 11, 1. November 2015, ISSN 1070-664X, doi:10.1063/1.4934714 (englisch, aip.org [abgerufen am 10. Oktober 2025]).
  5. ↑ J. Christensen-Dalsgaard, M. P. Di Mauro, H. Schlattl, A. Weiss: On helioseismic tests of basic physics. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Band 356, Nr. 2, Januar 2005, S. 587–595, doi:10.1111/j.1365-2966.2004.08477.x (englisch, oup.com [abgerufen am 10. Oktober 2025] 2.2 Seismic solar model).
  6. ↑ Sarbani Basu, William J. Chaplin: Helioseismic Inferences on the Internal Structure and Dynamics of the Sun. In: The Sun as a Guide to Stellar Physics. Elsevier, 2019, ISBN 978-0-12-814334-6, S. 87–125, doi:10.1016/b978-0-12-814334-6.00004-2 (englisch, elsevier.com [abgerufen am 10. Oktober 2025] 3. INFERENCES ABOUT SOLAR STRUCTURE).
  7. ↑ OpenStax, UCF: 16.3 The Solar Interior: Theory. In: Astronomy. 2017 (englisch, ucf.edu [abgerufen am 10. Oktober 2025] Figure 16.16.).
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