HIBEF zapewnia wgląd w strukturę materiałów i bardzo szybkie procesy naturalne, takie jak te zachodzące w próbkach ciepłej, gęstej materii.

Niezwykle wysokie ciśnienia i temperatury wymagane w procesach fuzji jądrowej uzyskuje się poprzez ściskanie początkowo bardzo zimnej kapsuły wypełnionej izotopami wodoru – deuterem i trytem. Podczas reakcji fuzji wodór wchodzi na pewien czas w szczególny stan – stan ciepłej gęstej materii (WDM). Ta sfera, znajdująca się mniej więcej pomiędzy materią skondensowaną a gorącą plazmą pod względem ciśnienia i temperatury, jest obszarem specjalizacji Dornheima. Pod koniec 2022 r. młody badacz otrzymał w ramach procedury konkursowej „Starting Grant” od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych o wartości prawie 1,5 mln euro. Prace nad projektem są obecnie w toku: Dornheim i jego zespół opracowują metody uczenia maszynowego, które powinny umożliwić wiarygodny teoretyczny opis WDM. Projekt transformacji strukturalnej koncentruje się obecnie na bardziej praktycznym wyzwaniu.

„Jednym z głównych problemów fuzji laserowej jest osiągnięcie stabilnej kompresji za pomocą wybuchu lasera”, wyjaśnia Dornheim, lider grupy młodych badaczy „Frontiers of Computational Quantum Many-Body Theory” w CASUS i odpowiedzialny za projekt ROLF. „Konieczne jest, aby kapsuła paliwowa implodowała tak równomiernie, jak to możliwe, tj. bez żadnych niestabilności, aby zapewnić, że jak najwięcej paliwa zostanie stopione i uwolniona zostanie odpowiednia ilość użytecznej energii. Aby to osiągnąć, musimy najpierw lepiej zrozumieć, jak zachowuje się WDM”.

Ciepła, gęsta materia, którą można znaleźć na przykład w rdzeniach planet i gwiazd, jest badana eksperymentalnie w dużych ośrodkach badawczych, takich jak Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) w europejskim XFEL i National Ignition Facility (NIF) w Lawrence Livermore National Laboratory w USA. W tych obiektach WDM może być generowany przez ułamki sekund przy użyciu potężnych błysków laserowych. Zespół Dornheima współpracuje z obiema instytucjami. Ważną metodą eksperymentalną do analizy fuzji laserowej jest rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego Thomsona (XRTS) i to właśnie w tym miejscu pojawia się nowy projekt ROLF.

W przypadku diagnostyki wykorzystującej rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego, źródło promieniowania rentgenowskiego jest kierowane na próbkę. Zmiany energii fotonów odbitych od próbki są mierzone i wykorzystywane do wyciągania wniosków na temat właściwości materiału. Do tej pory ocena zmierzonych danych opierała się głównie na szeregu niekontrolowanych przybliżeń. Rok temu zespół CASUS wykazał jednak, że precyzyjna ocena danych jest możliwa bez użycia jakichkolwiek symulacji lub modeli ze wszystkimi ich przybliżeniami i założeniami.

Dornheim i jego zespół uciekają się do podstawowej metody matematycznej, a mianowicie transformaty Laplace’a. W ramach projektu ROLF naukowcy planują stworzyć pakiet oprogramowania typu open-source, aby udostępnić tę metodę oceny wszystkim ekspertom w dziedzinie fuzji laserowej. Ponadto zamierzają dalej rozwijać tę metodę, aby ułatwić zastosowania wykraczające poza wolne od modeli, precyzyjne określanie temperatury za pomocą pomiarów XRTS. W przyszłości powinno być również możliwe określenie innych istotnych zmiennych, takich jak gęstość lub stopień jonizacji WDM.

Zespół w Görlitz zamierza następnie wykorzystać nowo zaprojektowane oprogramowanie do analizy istniejących danych XRTS, na przykład z europejskiego XFEL, w celu opracowania i eksperymentalnego przetestowania nowych metod pomiaru rozpraszania promieniowania rentgenowskiego. Gdy diagnostyka XRTS będzie miała solidne podstawy, wyniki uzyskane z rozpraszania promieniowania rentgenowskiego zostaną włączone do symulacji fuzji laserowej. „Zakładamy, że parametry uzyskane z tych symulacji umożliwią znacznie lepszą kompresję kapsuły i zapoczątkują zupełnie nową generację eksperymentów fuzyjnych”, mówi Dornheim, przedstawiając krótką perspektywę.

Niedawno Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (BMBF) przedstawiło nowy program finansowania badań nad fuzją jądrową. Celem jest odegranie decydującej roli w międzynarodowym wyzwaniu, jakim jest osiągnięcie ekonomicznej eksploatacji elektrowni termojądrowej. Niedawno opublikowane stanowisko BMBF podkreśla potrzebę „wyrafinowanej diagnostyki w celu walidacji kodów i modeli”. Prof. Sebastian M. Schmidt, dyrektor naukowy HZDR, jest niezwykle zadowolony z zatwierdzenia finansowania projektu CASUS: „Dzięki HIBEF, CASUS i naszym laserom dużej mocy DRACO i PENELOPE, HZDR jest w doskonałej pozycji, aby wnieść znaczący wkład w badania nad fuzją laserową. Możemy rozszyfrować podstawowe procesy, które utorują drogę do zastosowania”.

Fundusz na rzecz Sprawiedliwej Transformacji (FST) to instrument finansowania Unii Europejskiej, który przynosi korzyści przede wszystkim regionom zależnym od węgla kamiennego i brunatnego. Dla saksońskiej części łużyckiego regionu wydobycia węgla brunatnego dostępna jest łączna kwota 375 mln euro. Chociaż większość funduszy jest zarezerwowana na wsparcie gospodarki w obszarach najbardziej dotkniętych zmianami strukturalnymi, instytucje akademickie mogą również ubiegać się o finansowanie projektów badawczo-rozwojowych. W ten sposób CASUS był w stanie zapewnić 100% finansowania w wysokości ponad 700 000 euro dla ROLF za pośrednictwem dyrektywy finansowej „Research InfraProNet 2021 – 2027”.