Wechselwirkung von turbulentem Teilchen- und Impulstransport

• Antragsteller: Mirko Ramisch, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471314753

Die turbulente Dynamik, wie sie z.B. in fluiden Systemen zu finden ist, stellt ein Multiskalenproblem dar, bei dem speziell die Strukturbildung durch Selbstorganisationsprozesse die heutige Wissenschaft immer noch vor große Herausforderungen stellt. Turbulente Systeme mit effizienten Transporteigenschaften können spontane Zustandsänderungen aufweisen, bei denen Energie von den Transport dominierenden, kleineren Skalen zu makroskopischen Strukturen transferiert wird. Die Geometrie des Systems bestimmt dabei insbesondere, wie stark der nichtlineare Antrieb gegenüber der Dissipation wirkt, und legt damit die turbulente Dynamik fest. Ein detailliertes Verständnis über den Zusammenhang von Geometrie und Selbstorganisation eröffnet einen Weg zur gezielten Kontrolle von turbulenten Transportprozessen.Neben den Strömungsmustern in der Jupiteratmosphäre sind zonale Strömungen in magnetisch eingeschlossenen Plasmen exemplarisch für diese Art von Selbstorganisationsprozess. Energie wird von kleinen Wirbeln, die durch turbulenten Transport den Einschluss limitieren, zu zonalen Strömungen transferiert. Dabei können Transportbarrieren entstehen, die den Übergang in ein Regime mit verbessertem Einschluss einleiten. Inhomogenitäten im Magnetfeld können hierbei die Ausbildung zonaler Strömungen begünstigen. Das physikalische Verständnis darüber ist wichtig für die Modellierung des magnetischen Käfigs im Zuge zukünftiger numerischer Optimierungen für den Einschluss heißer Fusionsplasmen.Dieses Projekt widmet sich der experimentellen Untersuchung des Zusammenspiels von turbulentem Teilchen- und Impulstransport in magnetisierten Plasmen in Abhängigkeit der Magnetfeldgeometrie. Die Studien werden am Plasmaexperiment TJ-K durchgeführt, welches einen einzigartigen Zugang zur Plasmadynamik bietet: die magnetisierten Niedertemperaturplasmen können mit elektrostatischen Multisondenanordnungen diagnostiziert werden, die die simultane Erfassung von Plasmadichte- und Plasmapotentialfluktuationen mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Bandbreite ermöglichen. Beide Größen sind zur Beschreibung der ExB-Drift-Dynamik des Plasmas essenziell. Der Impulstransport als Maß für die Verkippung von Wirbeln bestimmt den Reynolds-Stress Antrieb zonaler Strömungen. In vorigen Studien zeigten sowohl Teilchen- als auch Impulstransport Maximalwerte in derselben Region. Während dem Teilchentransport eine Polarisierung von Dichtestörungen, d.h. eine Entkopplung von Dichte- und Potentialstörung, durch z.B. Magnetfeldlinienkrümmung verursacht, zugrunde liegt, basiert der Impulstransport auf einer starken Kopplung beider Störungen. Dieser Widerspruch wird in diesem Projekt durch Korrelation der Transportdynamik mit der zeitlichen Dichte-Potential-Kopplung in Relation zum Auftreten zonaler Strukturen aufgelöst. Die räumliche Struktur der turbulenten Kenngrößen wird in Verbindung zu berechneten Eigenschaften des Hintergrundmagnetfeldes gesetzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen