Was haben Kernfusion und Lebensmittelverpackungen gemeinsam?

„Eine Idee, die es nur auf dem Papier gibt, bringt gar nichts. Sie muss auch in der Praxis funktionieren“, sagt Philippe Guittienne. Der Physiker gründete 2003 das Unternehmen Helyssen, als Ausgründung aus dem Swiss Plasma Center. Eine medizinische Anwendung inspirierte ihn dazu, Plasmaquellen neu zu denken. Nun hat seine neu entwickelte Antenne nicht nur das Potenzial, die Verpackungen von Lebensmitteln zu revolutionieren, sondern vielleicht sogar Fusionsplasmen.

Laut Guittienne war diese Entwicklung ein reiner Glücksfall. Kurz bevor er im Jahr 2002 seine Doktorarbeit abschloss, lernte er zufällig jemanden kennen, der auf der Suche nach unternehmerischen Ideen war. „Auf der Suche nach Informationen zu verschiedenen Plasmaquellen stieß ich auf eine theoretische Studie zu Helikonwellen. Das Wellenmuster erinnerte mich an das Feld, das von der 'Vogelkäfig'-Antenne erzeugt wird, die üblicherweise in der Kernresonanztomografie verwendet wird.“

Plasma – Überall Plasma

Philippe begann ein Forschungsprojekt mit der französischen Firma Alcatel. Da er damals noch keine Erfahrung mit Plasmaforschung hatte, nahm er Kontakt zum Swiss Plasma Center (kurz SPC; ehemals Center for Research in Plasma Physics) auf. Das Labor ermöglichte es ihm, seine „Vogelkäfig“-Antenne auf die Erzeugung von Helikonplasmen zu testen. Solche Plasmen sind in verschiedenen Bereichen äußerst begehrt. Nicht nur die Lebensmittelverpackungsindustrie zeigte Interesse (siehe Infobox), auch Fusionsforscher konnten es gar nicht abwarten, Guittiennes neue Plasmaquelle zu testen.

Eine neue Methode zur Neutralisation von Partikeln

Die Neutralteilcheninjektion (Englisch: Neutral Beam Injection, kurz NBI) ist eine der gebräuchlichsten Methoden Plasma zu erhitzen. Allerdings weist diese Methode nur einen geringen Gesamtwirkungsgrad auf, der in einem zukünftigen Fusionsreaktor noch deutlich erhöht werden muss.

Die NBI umfasst vier Stufen (siehe Abbildung oben). Die dritte Stufe des Prozesses ist die Neutralisation der geladenen Ionen. Dies geschieht üblicherweise durch die Beschleunigung positiver Ionen. Die Ionen werden – ebenfalls im dritten Schritt – durch die Rekombination mit Elektronen neutralisiert. Diese Neutralisation kann zum Verlust von Ionen führen.

Eine der vorgeschlagenen Lösungen zur Vermeidung eines Ionenverlusts ist die Photoneutralisation, bei der die Elektronen durch Photoablösung von den Ionen befreit und auf diese Weise neutralisiert werden. Dieses Verfahren erfordert jedoch eine lange, dünne Plasmasäule in der Ionenquelle.

In der Praxis ist es extrem schwierig, die erforderliche Plasmaform präzise zu formen. Und hier kommt Guittiennes Vogelkäfig-Antenne ins Spiel. Denn ihre induzierten Wellen erzeugen genau die negative, ionenreiche Plasmasäule, die man benötigt. „Die Helikonquelle erwies sich für Plasmen mit hoher Dichte und mäßiger Injektionsleistung als sehr effizient“, sagt Ivo Furno vom SPC, der seit einigen Jahren mit Guittienne zusammenarbeitet.

Neue Dimensionen in Frankreich

Nun arbeiten die beiden Wissenschaftler daran, diesen Ansatz auf ein neues Level zu heben. Gemeinsam mit der französischen Forschungseinrichtung CEA, die wie SPC Mitglied des Konsortiums EUROfusion ist, entwickeln sie derzeit in Cadarache einen 10-kW-Helikon-Plasma-Generator für Neutralstrahlen. Dieser soll in Fusionsanlagen der nächsten Generation eingesetzt werden. Die Quelle wird bei CEA im Cybele-Gerät installiert, das die Photoneutralisation von negativen Ionenstrahlen testet.

Hilfe beim Rühren der Werbetrommel

Es bleibt abzuwarten, ob Guittiennes Idee die Heizsysteme   zukünftiger Fusionsanlagen verbessern wird. In jedem Fall zeigt seine Entwicklung, dass Lösungen aus der Wissenschaft zu Anwendungen in der Industrie führen können. „Die Industrie kann wissenschaftliche Forschung mit praktischem Know-how, mit Werkzeugen und mit Arbeitskräften unterstützen“, sagt Furno. Doch besonders für kleine und mittlere Unternehmen ist es sehr schwierig, sich in derart komplizierten Forschungsgebieten einzubringen oder bei multinationalen und komplexen Projekten wie ITER oder DEMO einzusteigen. „Meiner Meinung nach muss man zuallererst verstehen, was der Forscher braucht“, so Guittienne weiter. „Sobald das Vorhaben dann in die Praxis umgesetzt wurde, verfügt man über ein hervorragendes Verkaufsargument. Wenn die Anwendung in einem großen wissenschaftlichen Projekt verwendet wird, kann man damit so richtig die Werbetrommel rühren – und das hilft natürlich beim Gewinnen neuer Kunden", sagt Guittienne.

Helyssen und Tetra Pak: Endlich ist das Recycling von Milchverpackungen möglich

Helyssen arbeitet mit der Tetra Pak Processing GmbH zusammen, dem Unternehmen, das Milch in die allseits bekannten praktischen Kartons abfüllt. Das Verpackungsmaterial besteht aus beschichtetem Papier, das wasserdicht ist und Sauerstoff komplett auschließt. Bisher verhinderte die Beschichtung aus Aluminiumfolie das Recycling von Milch- und anderen Getränkekartons. Daher testet Tetra Pak umweltfreundliche Lösungen, die unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden müssen. Hier kommt die Vogelkäfig-Antenne von Guittienne ins Spiel: Sie ist in der Lage, die extrem dünnen Barrierebeschichtungen (die lediglich etwa 10 nm dick sind) akkurat abzuscheiden und trägt damit dazu bei, die umweltgerechte Entsorgung solcher Kartons zu verbessern.