Ik hou van dit voorbeeld van een van de meest complexe vormen die ik me ooit kan voorstellen, omdat er veel diepte in de vorm zit om uit te pakken. Voorbeelden als deze werken vaak goed voor veel doelgroepen omdat iedereen zijn eigen niveau van interesse kan kiezen. De vele lagen van het project kunnen op verschillende niveaus interessant zijn; men kan de visuele vorm waarderen, of de diepgaande wetenschap achter de ontwikkeling van de vorm bestuderen. Omdat ik nieuwsgierig ben, duik ik er meteen in.
In het vakgebied van de architectuur, waar ruimtelijk denken en ruimtelijke creativiteit hoog in het vaandel staan, scherpt het bestuderen van de parametrisering van de Wendelstien 7-X Stellarator en de resulterende vorm ons kritisch denken en onze analytische vaardigheden aan, zodat we dergelijke vormen op onze werkplek kunnen begrijpen en produceren. Ik vind de vorm van de supergeleidende magneten van de Stellarator sculpturaal en modern, en ik ben diep ontroerd te weten dat de vorm in de eerste plaats is afgeleid van natuurlijke krachten. De uiteindelijke vorm van elke magneet is zo delicaat, contemplatief en mooi.
Ten slotte vertegenwoordigt de Stellarator voor mij de beste resultaten die men zich kan wensen van een gezamenlijk ontwerp. Een enkel persoon had nooit zo’n ontwerp kunnen ontwikkelen. De expertise van meerdere teamleden moest worden gebundeld. Toegepaste wiskundigen waren nodig om het plasma en de magnetische velden nauwkeurig te modelleren; experimentele natuurkundigen waren nodig om de precieze krachten in het spel te berekenen en de resultaten te analyseren; en tenslotte waren ingenieurs nodig om het ding veilig te bouwen. “
Als deze krachten te verwachten zijn, hoeveel versteviging en structuur is er dan nodig?
Om een beter begrip te krijgen van de gebruikte parameters, en waarom er een gezamenlijk ontwerp nodig is om zo’n complexe vorm te bereiken, maken we een korte omweg naar de wetenschap van fusie-energie. We werpen slechts een blik op het onderwerp – aangezien dit een architectuurblog is, zijn we al vrij ver afgedwaald van ons oorspronkelijke onderwerp om een complexe vorm te bestuderen – maar er moet iets worden gezegd over de kenmerken van fusie-energie, omdat die sterk bepalend zijn voor de variabelen en parameters die voor het ontwerp zijn gekozen. Het samensmelten van de kernen van twee atomen vergt extreme hitte en druk. Dit gebeurt in het laboratorium met behulp van zeer sterke magnetische velden. Eerdere ontwerpen van fusiereactoren hadden de vorm van een torus, een zogenaamde tokamak, die de vorm van magnetische velden in de natuur nabootst. Een illustratie van het ontwerp is hieronder te zien (links) door de Joint European Torus gehuisvest in Oxfordshire, UK. De afbeeldingen geven geen goede indruk van de grote omvang van de reactoren, veel groter dan een mens.
De Duitsers zijn veel ambitieuzer geweest met hun ontwerp. De stellarator (rechts) is net zo groot en vertoont een aantal overeenkomsten met een tokamak, omdat hij ook torusvormig is (met een gat in het midden als een donut). Maar wie van wiskunde houdt, zal onmiddellijk een belangrijk verschil opmerken. Het plasma van de 7-X is geknikt en geplooid en als het ware vijf keer in een lus over zichzelf gelegd. Dit gedrag wordt voorspeld door de veralgemeende knoop-theorie waar dergelijke patronen worden bestudeerd. Wat betreft de vraag waarom het een efficiënter ontwerp is, verwijs ik naar de analogie van het uitwringen van een natte handdoek.
Het ontwerp van de tokamak lijkt veel op het proberen water uit een handdoek te persen met alleen compressie. We leren allemaal van jongs af aan dat het veel effectiever is om de doek te draaien om er zoveel mogelijk water uit te krijgen. Dit is in feite wat de stellarator doet op de buigpunten; die draaiende beweging die inherent is aan het ontwerp verhoogt drastisch de druk die kan worden uitgeoefend op de fuserende nucleasus, die op zijn beurt – in theorie – meer energie zou moeten vrijgeven dan erin gestopt.
Wetenschappers gebruiken geen abstracte knooptheorie om deze velden te modelleren, omdat ze in werkelijkheid niet nauwkeurig genoeg zijn. De knooptheorie suggereert alleen de vorm. Om uit te rekenen welke krachten je kunt verwachten, moet je samenwerken om het ontwerp te voltooien. Computationele vloeistofdynamica speelt een grote rol bij het modelleren van, ten eerste, het plasma, en ten tweede, het magnetisch veld. Als de vorm, de vorm en de dichtheid van het plasma dat nodig is om kernen te laten samensmelten eenmaal bekend zijn, is het een kwestie van het magnetisch veld te parametriseren met de magneten die nodig zijn om het op te wekken.
Dit wetenschappelijke proces resulteert in die prachtige serpentijnvormige magneten, die waarschijnlijk nauwkeuriger zouden moeten worden omschreven als supergekoelde, supergeleidende magneten. Het is de enige manier om magnetische velden te genereren die sterk genoeg zijn. De buitenvorm van de magneten is nodig om het plasma onder zichzelf te krullen. Het ontwerp voorziet in 50 gebogen en 20 schaafmagneten om de vereiste veldsterkte en vorm te genereren. De 50 gebogen magneten hebben een ongelooflijk complexe vorm, zelfs hun dwarsdoorsnede past zich aan naarmate ze het plasma omcirkelen. En toch vind ik ze griezelig sculpturaal, klaar om ontdekt te worden in een modern kunstmuseum. En de hele tijd blijf ik denken dat ze alleen maar een model van de natuur zijn. Gewoon een ander element in het universum.
De afbeeldingen in dit bericht doen nauwelijks recht aan de vorm. Elke ring is afzonderlijk prachtig, en ik wou dat ik er in een galerie omheen kon lopen om een idee te krijgen van de ruimtelijke effecten. Om een beter idee te krijgen van hoe deze objecten er in 3D uitzien, moedig ik de lezers aan de video te bekijken die bij dit bericht is gevoegd. Hopelijk geeft het een beter gevoel van wat voor soort 3D-ruimte deze objecten creëren.