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28.02.2014 | Aus der Ruhe gebracht

Energiefreisetzung aus angeregten Atomkernen

Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Funktion der "Kernbatterie"

 

Kann man Energie in Atomkernen speichern? Grundsätzlich ist das möglich, wenn man ihnen die Energie von außen zuführt und sie damit in einen angeregten Zustand bringt. Wie man die Energie wieder aus einer solchen "Kernbatterie" herausholt, haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kernphysik und der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH nun ausgerechnet. Dabei kam es zu einem überraschenden Ergebnis: Ein für sekundär gehaltener Effekt dominiert den Prozess.

Ein Atomkern kann sich auf verschiedenen Energieniveaus befinden. Bei den meisten gibt es einen stabilen Grundzustand, den der Kern vorzugsweise einnimmt. Durch die Zuführung von Energie von außen kann man den Kern "aus der Ruhe bringen" und auf einen angeregten Zustand anheben. Diese Zustände sind in der Regel instabil, denn der Kern möchte die überschüssige Energie wieder loswerden und zerfällt unter Aussendung von Licht in seinen Grundzustand. Manche Kerne haben jedoch so genannte metastabile Zustände. Man kann sie auf ein höheres Energieniveau anheben, auf dem sie eine lange Zeit verweilen ohne zu zerfallen. Auf diese Weise könnte man in ihnen Energie speichern, ähnlich wie in einer Batterie.

Aber wie bekommt man die Energie in diese "Kernbatterie" hinein, und wie holt man sie wieder heraus? "Die Zuführung von Energie könnte ein Beschleuniger leisten", erläutert Dr. Yuri Litvinov, der das Phänomen an der GSI-Beschleunigeranlage untersucht. "Bestrahlt man beispielsweise das Metall Niob mit Protonen, beispielsweise aus dem GSI-Beschleuniger UNILAC, kann sich der Niob-Kern ein Proton einfangen und sich zu Molybdän umwandeln." Viele Molybdän-Kerne befinden sich in einem angeregten metastabilen Zustand – die Batterie ist aufgeladen. Den Sprung in den Grundzustand unter Abgabe der Energie erreicht man nun durch die Einstrahlung von intensivem Röntgenlicht, beispielsweise von einem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser. Die Röntgenstrahlung hebt die Energie des Kerns weiter an auf ein geringfügig höheres Niveau, das instabil ist. Der Kern zerfällt quasi sofort in den Grundzustand und gibt die gesamte zugeführte Energie in Form von Licht ab – die Batterie ist wieder entladen.

Doch diese zweite Anregung des Kerns durch das Röntgenlicht ist sehr unwahrscheinlich. Denn durch Bestrahlung mit dem Röntgenlicht tritt ein Nebeneffekt ein: anstatt die Atomkerne anzuregen, ionisiert es die Atome, das heißt, es reißt ihnen die Elektronen aus der Hülle. In einer Materialprobe wie dem angeregten Molybdän führt dies zur Bildung eines Plasmas von ungebundenen Elektronen. Litvinov und seine Kollegen um Projektleiterin Adriana Pálffy vom Max-Planck-Institut für Kernphysik haben nun ausgerechnet, dass dieser Nebeneffekt sehr nützlich sein könnte. "Die Atomkerne fangen ihre Elektronen wieder ein", erklärt Litvinov. "Dabei geben die Elektronen ihre überflüssige Energie in Form von Licht ab. Wenn diese Energie genau zu der Anregungsenergie passt, mit der man den Atomkern auf den instabilen Zustand anheben kann, dann kann eine direkte Energieübertragung an den Atomkern gelingen." Das kann der Auslöser für den Entladungsvorgang sein. Die Rechnungen zeigen, dass der Effekt sogar dominant sein könnte. Das bedeutet, er tritt häufiger auf als die direkte Anregung des Kerns durch das Röntgenlicht.

In Experimenten möchten die Wissenschaftler die berechneten Ergebnisse nun überprüfen. "Nach diesem Phänomen suchen wir an der GSI-Anlage, aber konnten es noch nicht beobachten", sagt Litvinov. "Wir planen Experimente mit unserem GSI-Speicherring und dem PHELIX-Lasersystem Wenn wir die Physik besser verstanden haben, könnte es in der Zukunft vielleicht sogar möglich werden, echte Batterien für unseren Alltag mit dieser Technik zu bauen."

"Am Röntgen-Freie-Elektronen-Laser XFEL, der gerade in Hamburg gebaut wird, könnten wir mehr über Kernanregung mit Elektronen und Photonen in dichten Plasmen erfahren“, sagt Pálffy. "Wir sind leider noch weit weg von der Kernbatterie der Zukunft, aber unsere Ergebnisse zeigen, dass auch positive, in unserem Fall verstärkende Überraschungen auftreten können. Die Physik der metastabilen Kernzuständen bleibt spannend."


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Funktion der "Kernbatterie"
a) Ein Niob-Kern verwandelt sich durch ein Proton aus dem Beschleuniger in einen Molybdän-Kern in einem metastabilen Zustand; b) Intensives Röntgenlicht schlägt Elektronen aus der Atomhülle; c) Beim Rekombinieren eines freien Elektrons mit dem Atomkern kann es Energie direkt an den Kern übertragen; d) Durch die Zusatzenergie wird das Molybdän in einen instabilen Zustand angehoben, aus dem es unter Energieabgabe in den Grundzustand zerfällt.
Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung