Das neue Max-Planck-Columbia-Center „Optimizing Symmetry in Fusion Plasmas“ wird während seiner fünfjährigen Laufzeit mit einem Budget von insgesamt 11,4 Millionen Euro ausgestattet und soll 2027 seine Arbeit aufnehmen. Das Center wird von Thomas Klinger, Direktor am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, und Carlos Paz-Soldan, Associate Professor für Angewandte Physik und Angewandte Mathematik an der ingenieurwissenschaftlichen Fakultät der Columbia University (Columbia Engineering) und Direktor des Columbia Fusion Research Center, gemeinsam geleitet.
Prof. Thomas Klinger sagt: „Mit dem Max-Planck-Columbia-Center bringen wir zwei führende Standorte der Plasmaphysik und Fusionsforschung zusammen. Wir wollen die Stärken von Tokamak und Stellarator gemeinsam nutzen, um zentrale physikalische und technologische Fragen auf dem Weg zu einem Fusionskraftwerk zu lösen. Besonders wichtig ist mir, dass junge Forschende dabei früh internationale Erfahrung an einer Spitzenuniversität sammeln und dauerhafte wissenschaftliche Netzwerke aufbauen.“
Prof. Carlos Paz-Soldan fügt hinzu: „Ich freue mich sehr, dass die Partnerschaft zwischen Columbia Engineering und der Max-Planck-Gesellschaft wächst und sich vertieft. Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik ist eine der herausragenden Forschungseinrichtungen auf diesem Gebiet und betreibt weltweit führende Fusionsanlagen. Gemeinsam können wir einzigartige Möglichkeiten bieten – sowohl um Fachkräfte für die Fusion auszubilden als auch um zentrale offene wissenschaftliche Fragen auf dem Weg zur Fusionsenergie voranzubringen.“
Internationale Plattform für Forschung und Nachwuchs
Das Max-Planck-Columbia-Center ist eines von sieben neuen Max Planck Centers, die die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) in diesem Jahr gründen wird. Diese virtuellen Zentren sind ein wesentliches Element der Internationalisierungsstrategie der MPG. Sie sind keine physischen Einrichtungen, sondern virtuelle Exzellenzzentren, in denen Max-Planck-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler mit erstklassigen ausländischen Partnern kooperieren, um Erkenntnisse in zukunftweisenden Forschungsgebieten zu gewinnen. Max-Planck-Centers sind zunächst auf fünf Jahre angelegt (mit einmaliger Verlängerungsoption).
Ein zentraler Bestandteil ist der Austausch des wissenschaftlichen Nachwuchses, von Studierenden bis hin zu Promovierenden und PostDocs. Sie können die für gemeinsame Projekte angemessene Zeit bis zu einem Jahr an der Partnerinstitution verbringen – entweder in Greifswald, Garching oder in New York City.
Die Zusammenarbeit wird durch den Zugang zu den beiden Hauptanlagen des IPP – dem Stellarator Wendelstein 7-X in Greifswald und dem Tokamak ASDEX Upgrade in Garching – weiter unterstützt. Forscher der Columbia University erhalten automatisch Teammitgliedschaft bei beiden Einrichtungen und können an Experimenten teilnehmen.
Zusätzlich wird an der Columbia University eine befristete Assistenz-Professur eingerichtet, die auf zwei Jahre befristet ist und über die fünfjährige Laufzeit des Centers zweimal besetzt wird. Diese Position soll von führenden Forschenden besetzt werden und wird sowohl Lehre als auch Forschung umfassen.
Darüber hinaus bietet das Center die Möglichkeit, mit einem Netzwerk assoziierter Partner aus der Privatwirtschaft zusammenzuarbeiten, die bei der Entwicklung der nächsten Generation von Fusions-Demonstrationsanlagen eine Vorreiterrolle einnehmen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von Commonwealth Fusion Systems, Proxima Fusion, Thea Energy, Type One Energy und gegebenenfalls weiteren Unternehmen werden eingeladen, sich an den Arbeitsgruppen zu beteiligen, Ideen einzubringen und konkrete Anwendungsfälle auszuarbeiten, in denen die neu gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden können.
Sechs Forschungsfelder für den Weg zur Fusionsenergie
Das wissenschaftliche Programm des neuen Centers gliedert sich in sechs Arbeitspakete. Jedes davon hat jeweils einen Verantwortlichen von IPP- und Columbia-Seite. Gemeinsam steuern sie die Zusammenarbeit in ihrem jeweiligen Forschungsgebiet.
Die sechs großen Arbeitspakete im Überblick:
1. Leistungsabfuhr in Stellaratoren
Das erste Arbeitspaket befasst sich mit dem teilweise ungelösten Problem der Leistungs- und Teilchenabfuhr in Stellaratoren. Dazu werden neuartige Transport- und Turbulenzcodes entwickelt, verbessert und anhand von Vergleichsrechnungen und experimentellen Daten validiert. Ziel ist es, quantitative Vorhersagemöglichkeiten zu schaffen.
2. Hybride Tokamak-Stellarator-Konzepte
Hier geht es darum, eine Hybridlösung zwischen Stellarator und Tokamak zu finden. Gesucht wird eine kompakte, stabile Magnetfeldkonfiguration mit hervorragenden Einschlusseigenschaften.
3. Simulation von Plasmatransienten
Die Forschenden werden hier Plasmatransienten in Tokamaks und Stellaratoren mithilfe von Computersimulationen untersuchen. Solche größeren Ereignisse brechen die Symmetrie des Plasmas und führen zu einem abrupten Verlust thermischer Energie sowie schließlich zur Entstehung schneller Teilchen. Beide Effekte können die dem Plasma zugewandten Wandkomponenten gefährden.
4. Nichtplanare supraleitende Magnete
In diesem Arbeitspaket geht es um die technische Entwicklung von Hoch- und Tieftemperatursupraleitermagneten. Ziel ist es, das Quench-Verhalten (also die physikalischen Phänomene beim Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand) besser zu verstehen und die mechanischen Spannungen und Verformungen zu untersuchen, die bei nichtplanaren Magneten auftreten.
5. Energetische Teilchen in Stellaratoren
Hier soll ein besseres Verständnis der Wechselwirkung zwischen schnellen Teilchen und Alfvén-Moden erzielt werden. Dabei werden auch neuartige Aspekte ihrer Kopplung mit der Mikroturbulenz im Plasma berücksichtigt. Alfvén-Moden sind charakteristische Schwingungen eines magnetisierten Plasmas, bei denen sich Plasma und Magnetfeld gekoppelt bewegen.
6. Randstabilitäten in Tokamaks
Forschende werden koordinierte Experimente durchführen und große Instabilitäten am Plasmarand von Tokamaks anlagenübergreifend modellieren. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der quasi-kontinuierlichen Leistungsabfuhr und auf Plasmen mit negativer Triangularität.
Die Gesamtfinanzierung des Centers beläuft sich auf 7,5 Millionen US-Dollar von Seiten der USA und 5 Millionen Euro vom IPP. Die Mittel decken die Personalkosten, die Durchführung von Workshops, die Koordination von Forschungsprojekten sowie die Reise- und Aufenthaltskosten für den Austausch von Wissenschaftlern. Das IPP profitiert unmittelbar von den zusätzlichen Personalkapazitäten, die die Columbia University einbringt, sowie von neuen Möglichkeiten, hochqualifizierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu gewinnen.
Die Finanzierung erfolgt durch das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), die Simons Foundation International, verwaltet von der Simons Foundation (USA), das amerikanische Energieministerium (US Department of Energy – Office of Fusion Energy Sciences, DOE-FES), und die Columbia University.
