Permanenta magneter som liknar de som används på kylskåp kan påskynda utvecklingen av fusionsenergi - samma energi som produceras av solen och stjärnorna.

I princip, sådana magneter kan avsevärt förenkla konstruktionen och produktionen av vridna fusionsanläggningar som kallas stellaratorer, enligt forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) och Max Planck Institute for Plasma Physics i Greifswald, Tyskland. PPPL-grundaren Lyman Spitzer Jr. uppfann stellaratorn i början av 1950-talet.

De flesta stellaratorer använder en uppsättning komplexa vridna spolar som spiralformar som ränder på en godisrör för att producera magnetiska fält som formar och kontrollerar plasman som ger bränsle till fusionsreaktioner. Kylskåpsliknande permanentmagneter kan producera den hårda delen av dessa viktiga fält, forskarna säger, gör det enkelt, icke-tvinnade spolar för att producera den återstående delen i stället för de komplexa spolarna.

Vridna spolar dyrast

"De vridna spolarna är den dyraste och mest komplicerade delen av stellaratorn och måste tillverkas med mycket stor precision i en mycket komplicerad form, sade fysikern Per Helander, chef för Stellarator Theory Division vid Max Planck och huvudförfattare till en artikel som beskriver forskningen i Fysiska granskningsbrev ( PRL ). "Vi försöker lätta på kraven på spolarna genom att använda permanentmagneter."

Förenkla stjärnbildare, som löper utan risk för skadliga störningar som mer utbredda tokamak-fusionsenheter står inför, kan ha stor överklagande. "Jag är extremt exalterad över användningen av permanentmagneter för att forma plasman i stellaratorer, "sa Steve Cowley, PPPL-direktör och medförfattare till tidningen. "Det leder till mycket enklare teknisk design."

Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, kombinerar lätta element i form av plasma - det varma, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor – som genererar enorma mängder energi. Forskare runt om i världen använder tokamaks, stellaratorer, och andra anläggningar i ansträngningen att skapa och kontrollera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillförsel av säker och ren kraft för att generera el.

Den nya idén för permanenta magneter är en utlöpare av ett science fair-projekt som Jonathan Zarnstorff, son till PPPL -chefsforskaren Michael Zarnstorff, en medförfattare till tidningen, satt ihop på ungdomsskolan. Jonathan ville bygga en järnvägspistol, en enhet som vanligtvis använder högspänningsström för att generera ett magnetfält som kan avfyra en projektil. Men högspänningsströmmen skulle vara farlig att använda i ett klassrum.

Far och son lösning

Lösningen som far och son kom fram till var att använda neodym, eller sällsynta jordartsmetaller, permanentmagneter för att på ett säkert sätt producera magnetfältet. Sällsynta jordartsmagneter har överraskande och användbara egenskaper. De genererar ganska kraftfulla fält för magneternas lilla storlek, och dessa är "hårda" fält som nästan inte påverkas av andra fält i närheten. Dessa magneter skulle således kunna ge vad fysiker kallar den "poloidala" delen av ett spiraliserande stellaratorfält, medan enkla runda spolar kan ge den "toroidala" delen som utgör resten av fältet. "Jag hade tänkt på det genom åren men hade inte tid att utveckla idén, ", sa Zarnstorff. Tanken kom till slut att förverkligas under diskussioner med Cowley och fysikern Cary Forest vid University of Wisconsin-Madison.

Permanenta magneter är alltid "på" i skarp kontrast till de vanliga elektromagnetiska spolarna som stellaratorer och tokamaker använder. Sådana spolar skapar magnetiska fält när en elektrisk ström går genom dem - ström som kräver strömförsörjning som permanentmagneter inte behöver. Andra fördelar med användningen av permanentmagneter för att förenkla stellaratorspolar inkluderar:

• Lägre kostnad än handgjorda elektromagneter;
• Skapande av gott om utrymme mellan de förenklade spolarna för att underlätta underhållet;
• Möjlighet att flytta magneterna för att skapa en mängd olika former för magnetfälten;
• Minskade ingenjörs- och tillverkningsrisker.

Permanenta magneter har nackdelar, för. "Du kan inte stänga av dem, "Sa Helander, vilket innebär att de kan dra in allt de kan locka inom räckvidd. De producerar också begränsad maximal fältstyrka, han sa. Ändå, sådana magneter "kan vara bra för att skapa experiment på väg till en reaktor, " han lade till, "och starkare permanentmagneter kan bli tillgängliga."

Ny uppsättning verktyg

För Zarnstorff, permanenta magneter är "en strategi och en ny uppsättning verktyg, och vi måste ta reda på hur vi ska använda dem." Han planerar nu flera användningsområden. Först kommer konstruktionen av en bordsstjärna med permanentmagneter installerade. Längre fram hoppas han att PPPL kan producera världens första enkla optimerade stellarator, en designad för att uppfylla specifika prestationsmål. Den anläggningen skulle kunna uppgraderas för att öka dess fältstyrka, som förberedelse för fortsatt utveckling av den förenklade maskinen. Så småningom, en stellarator inklusive permanentmagneter kan producera energi för att generera elektricitet för hela mänskligheten.