Turbulenz in Full-f und Full-k

Turbulenz ist ein häufiges Phänomen in Strömungen von Flüssigkeiten und Gasen. Sowohl für das Verständnis natürlicher Strömungsvorgänge wie der Wetterdynamik, als auch für die Entwicklung und Optimierung vielfältiger technischer Anwendungen, sind genaue und aussagekräftige Modelle und Computersimulationen von turbulentem Verhalten nötig. Bei sehr hohen Temperaturen lösen sich in Gasen die Elektronen von den Atomen, und ein solches ionisiertes Gas bezeichnet man als Plasma. Plasma ist der Stoff, aus dem die Sonne und die Sterne sind, und Plasmen werden in vielen technischen Anwendungen oft durch Magnetfelder zusammen gehalten. Eine viel versprechende mögliche Zukunftsanwendung ist die Erforschung der Fusionsenergie mit Hilfe von hunderte Millionen Grad heißen, magnetisierten Plasmen. Große Temperatur-Unterschiede innerhalb von Fusionsplasmen können heftige und ungünstige turbulente Strömungen und Transportverluste verursachen. Ein vertieftes Verständnis der Turbulenz und deren physikalischer Grundlagen in Plasmen durch Experimente und passende theoretische Modelle ist daher auch eine wichtige Aufgabe der Fusionsforschung. Bisherige Modelle und Computersimulationen von Turbulenz in magnetisierten Plasmen haben meistens effiziente Näherungen und Vereinfachungen verwendet, wie etwa die Einschränkung auf geringe Amplituden, oder auf bestimmte Größenskalen der turbulenten Wirbel. Allerdings treten besonders am Rand von Fusionsplasmen turbulente Strukturen mit hoher Amplitude auf. Weiters gibt es einige wesentliche physikalische Wechselwirkungen zwischen turbulenten Wirbeln auf solchen Skalen, die bisher gerade bei Modellen für höhere Amplituden immer vernachlässigt wurden. Kürzlich konnte ein neues nichtlineares Turbulenz-Modell für magnetisierte Plasmen entwickelt werden, das sowohl für große Amplituden als auch alle relevanten Skalen anwendbar ist. In diesem Projekt werden die neuen, verallgemeinerten Modelle für Turbulenz in magnetisierten Plasmen für die gleichzeitige Anwendung auf beliebige Amplituden ("full-f") und auf beliebige relevante Größenskalen ("full-k") erweitert und erstmals mit numerischen Simulationen auf aktuelle Fragestellungen in der Fusionsforschung angewendet. Die Entwicklungen und erwarteten Ergebnisse dieses Projekts sind nicht nur für das erweiterte Verständnis von Turbulenz in Fusionsplasmen anwendbar, sondern auch auf andere grundlegende nichtlineare Phänomene in magnetisierten Plasmen, wie sie in der Astrophysik oder im Labor beispielsweise bei Elektron-Positron Plasmen auftreten.

Turbulenz ist ein häufiges Phänomen in Strömungen von Flüssigkeiten und Gasen. Sowohl für das Verständnis natürlicher Strömungsvorgänge wie der Wetterdynamik, als auch für die Entwicklung und Optimierung vielfältiger technischer Anwendungen, sind genaue und aussagekräftige Modelle und Computersimulationen von turbulentem Verhalten nötig. Bei sehr hohen Temperaturen lösen sich in Gasen die Elektronen von den Atomen, und ein solches ionisiertes Gas bezeichnet man als Plasma. Plasma ist der Stoff, aus dem die Sonne und die Sterne sind, und Plasmen werden in vielen technischen Anwendungen oft durch Magnetfelder zusammen gehalten. Eine viel versprechende mögliche Zukunftsanwendung ist die Erforschung der Fusionsenergie mit Hilfe von hunderte Millionen Grad heißen, magnetisierten Plasmen. Große Temperatur-Unterschiede innerhalb von Fusionsplasmen können heftige und ungünstige turbulente Strömungen und Transportverluste verursachen. Ein vertieftes Verständnis der Turbulenz und deren physikalischer Grundlagen in Plasmen durch Experimente und passende theoretische Modelle ist daher auch eine wichtige Aufgabe der Fusionsforschung. Bisherige Modelle und Computersimulationen von Turbulenz in magnetisierten Plasmen haben meistens effiziente Näherungen und Vereinfachungen verwendet, wie etwa die Einschränkung auf geringe Amplituden, oder auf bestimmte Größenskalen der turbulenten Wirbel. Allerdings treten besonders am Rand von Fusionsplasmen turbulente Strukturen mit hoher Amplitude auf. Weiters gibt es einige wesentliche physikalische Wechselwirkungen zwischen turbulenten Wirbeln auf solchen Skalen, die bisher gerade bei Modellen für höhere Amplituden immer vernachlässigt wurden. Kürzlich konnte ein neues nichtlineares Turbulenz-Modell für magnetisierte Plasmen entwickelt werden, das sowohl für große Amplituden als auch alle relevanten Skalen anwendbar ist. In diesem Projekt wurden die neuen, verallgemeinerten Modelle für Turbulenz in magnetisierten Plasmen für die gleichzeitige Anwendung auf beliebige Amplituden ("full-f") und auf beliebige relevante Größenskalen ("full-k") erweitert und erstmals mit numerischen Simulationen auf aktuelle Fragestellungen in der Fusionsforschung angewendet. Die Entwicklungen und Ergebnisse dieses Projekts sind nicht nur für das erweiterte Verständnis von Turbulenz in Fusionsplasmen anwendbar, sondern auch auf andere grundlegende nichtlineare Phänomene in magnetisierten Plasmen, wie sie in der Astrophysik oder im Labor beispielsweise bei Elektron-Positron Plasmen auftreten.