Rätselhafter Materiezustand: Forscher kommen der warmen dichten Materie näher

16. Oktober 2016, 18:10
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Internationale Wissenschafter entwickelten erstmals exakte Simulationen

Sogenannte "warme dichte Materie" kommt auf der Erde auf natürliche Weise gar nicht vor, dennoch ist sie in der Plasmaphysik und der Materialwissenschaft aktuell ein "heißes Thema": Seine besonderen Eigenschaften machen es extrem schwierig, diesen Materiezustand experimentell oder mit theoretischen Modellen zu untersuchen. Ein Forscherteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat jetzt zusammen mit Kollegen vom Los Alamos National Laboratory (USA) und dem Imperial College London einen Weg gefunden, genaue Simulationen der warmen dichten Materie vorzunehmen.

Die Simulationen könnten in Zukunft dabei helfen, zentrale Fragen der Astrophysik zu beantworten oder wichtige Erkenntnisse für neue Verfahren der Energiegewinnung zu gewinnen. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" veröffentlicht.

In Riesenplaneten und Sternen

Tausendmal dichter als gewöhnliche Festkörper und zehntausendmal wärmer als die Raumtemperatur – die warme dichte Materie unterscheidet sich komplett von den auf der Erde vorkommenden festen, flüssigen oder gasförmigen Aggregatzuständen oder von Plasmen. Während sie im Kern von Riesenplaneten oder in Sternatmosphären in natürlicher Form existiert, kann sie auf der Erde nur künstlich im Labor über Kompression durch intensive Laserstrahlung hergestellt werden.

Unter diesen extremen Bedingungen besteht ein komplizierter Zusammenhang zwischen Temperatur- und Quanteneffekten sowie zu der elektrischen Wechselwirkung der geladenen Teilchen. Dies macht die Simulation dieses Materiezustandes besonders aufwändig und die Untersuchung seiner physikalischen Eigenschaften zu einer großen Herausforderung.

"Wenn wir mehr über die warme dichte Materie wissen, hilft uns das bei der Klärung von fundamentalen Fragen der Astrophysik – zum Beispiel bei der Bestimmung des Alters von Sternen, ihrer chemischen Zusammensetzung oder ihrer Wärmeleitfähigkeit", sagt Michael Bonitzvon der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Außerdem sind genaue Informationen über die warme dichte Materie entscheidend für künftige technische Anwendungen, wie etwa die Energiegewinnung durch die sogenannte Trägheitsfusion.

Rechnerisch schwer zu erfassen

Theoretische Modelle, die bisher in der Forschung genutzt wurden, um warme dichte Materie zu beschreiben, lieferten nur unsichere Ergebnisse. Computersimulationen erwiesen sich als so aufwändig, dass sie nur für sehr kleine Systeme aus sehr wenigen Teilchen praktikabel waren. Die Kieler Wissenschafter wählten einen anderen Ansatz und entwickelten stattdessen zwei einzelne, sich ergänzende Simulationstechniken, mit denen sie sehr viel genauer Daten berechnen können. In einem zweiten Schritt entdeckten sie jetzt eine Lösung, die es ihnen ermöglicht, die Simulationsergebnisse für kleine Systeme sehr genau auf beliebig große Systeme zu übertragen, wodurch erstmals ein direkter Vergleich mit realistischen experimentellen Systemen möglich wird.

Die dafür benötigten, aufwändigen Berechnungen erforderten den Einsatz von Supercomputern mit besonders hoher Rechenleistung. "Wenn man alle diese Rechnungen nacheinander auf nur einem Rechner vornehmen würde, müsste dieser 200 Jahre am Stück arbeiten", so Bonitz. Mit ihren neuen Erkenntnissen liegen nun zum ersten Mal exakte Daten für die thermodynamischen Eigenschaften der Elektronen in warmer dichter Materie vor. Laut Bonitz "ein entscheidender Beitrag für zukünftige Forschungen über warme dichte Materie". (red, 16.10.2016)

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