Das “Dutch Institute for Fundamental Energy Research” (DIFFER) entwickelt kohlenstoffneutrale Energiegewinnung mittels Kernfusionen. Das Kontrollsystem Mantis nutzt dabei eine Multi-Kamera-Lösung von Ximea, um einen stabilen Zustand zu gewährleisten. Die PCIe-Technologie ermöglicht einen Datenabruf mit virtuell null Latenz und garantiert die Echtzeit-Fähigkeiten des Systems.

Eine der Herausforderungen des 21. Jahrhunderts ist die Energiewende hin zu einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft. Dies könnte mit Solar- und Windkraft erreicht werden. Diese erneuerbaren Energien sind jedoch abhängig von Jahreszeiten und den damit einhergehenden Veränderungen. Um diese Stromquellen zu unterstützen und den Übergang von fossilen Brennstoffen zur grünen Energie voranzutreiben, wird eine wetterunabhängige Energiequelle benötigt. Kernfusion bietet hier eine saubere, nachhaltige und unerschöpfliche Alternative. Im Prozess der Kernfusion werden zwei leichte Atomkerne miteinander verschmolzen, um schwerere Elemente zu erzeugen, wobei Energie freigesetzt wird. Dies ist auch die Quelle fast aller Energie auf der Erde: Die Sonne betreibt Kernfusion, bei der Wasserstoff in Helium umgewandelt wird. Die dort herrschenden Bedingungen für Kernfusion können in einem heißen Plasma mit 150 Millionen °Celsius nachgestellt werden. Dies geschieht in experimentellen Kernfusions-Reaktoren, die man „Tokamaks“ nennt. In diesen donutförmigen Vakuumgefäßen werden magnetische Felder genutzt, um das heiße Plasma an Ort und Stelle zu halten. Die Reaktoren sind dafür bestimmt, ein Plasma mit 150 Millionen °Celsius Kerntemperatur zu erzeugen. Daher müssen Komponenten, die der Innenwand zugerichtet sind, Betriebstemperaturen von etwa 1500° Celsius aushalten. Die weitere Herausforderung besteht darin, die Wärmeenergie zur Stromerzeugung zu extrahieren, und dabei die empfindlichen Komponenten weder der großen Hitze noch dem vom Plasma ausgehenden Teilchenfluss auszusetzen.

Das Institut

Am „Dutch Institute for Fundamental Energy Research“ DIFFER (dt.: niederländischen Institut für fundamentale Energieforschung) arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure zusammen, um theoretische Modelle, diagnostische Instrumente und fortschrittliche Kontrollsysteme zu entwickeln, die eine sichere Energiegewinnung durch Fusionsplasmas ermöglichen. DIFFER konzentriert sich bei seiner Forschung auf die Verbindung von Physik und Prozesssteuerung, um die Abgabeleistung der Fusionsreaktion über einen weiten Bereich beeinflussen zu können. Das Ziel, die sogenannte Plasmatrennung (von den Reaktorwänden und den Energie-Ableitern), wird durch die Zusammenführung atomarer und molekular-physischer Vorgänge erreicht. Die Herausforderung bei der kontrollierten Kernfusion besteht darin, das Fusionsplasma im Gleichgewicht zu halten. Zu starke Kühlung der abzuführenden Fusionsprodukte kann den Plasmakern stören und die Effizienz der Energieerzeugung verringern, unzureichende Kühlung führt zur Zerstörung der dem Plasma zugewandten Reaktorkomponenten.

Aufbau mit Kameras von Ximea

Um das Ableiten zu erreichen, hat DIFFER ein neues Diagnosesystem namens Mantis entwickelt, ein fortschrittliches, multispektrales, schmalbandiges Tokamak Bildgebungssystem. Das Mantis System ist mit 10 PCIe xiX Kameras von XIMEA ausgestattet, die simultan eine große Menge an Bildern in verschiedenen spektroskopischen Emissionslinien aufzeichnen. Dies ermöglicht den Forschern, verschiedenen atomaren und molekular-physischen Prozessen gleichzeitig zu folgen. Die Bilder werden dann in theoretischen Modellen als Input dafür verwendet, einen modellbasierten Ableitungs-Controller zu entwickeln, der die Energieextraktion in Echtzeit modifiziert. Die technische Herausforderung von Mantis ist die gleichzeitige Aufnahme und Verarbeitung von Bildern auf 10 Kameras. Ermöglicht wird dies durch den Direct Memory Access (DMA), den die Ximea-Kameras bereitstellen. Die Datenübertragung wird bei nahezu null Latenz und ohne CPU-Overhead durchgeführt, sodass die Prozessoren frei für die Verarbeitung der eingehenden Datenströme sind. Mantis ist viel mehr als ein Multi-Kamera-System, es ist auch ein Kontrollsystem. Um die Kontrollziele zu erreichen, müssen die Kameras Echtzeit-Performance mit einer zeitlichen Genauigkeit von Zehntel-Mikrosekunden und mit so wenig Latenz wie möglich liefern. Ein einzelnes Standbild könnte das Gleichgewicht zwischen ausreichender Kühlung und der maximalen Plasma-Performance gefährden. Das ist der Punkt, an dem Integration zum Problem wird.
Der originale Ximea PCIe Treiber arbeitet mit event-basierter Synchronisation, bei der eine Kamera ein Event zur Bearbeitung durch den Event-Treiber an die Warteschlange gesendet wird. Dieser Ansatz funktioniert einwandfrei, um den Energieverbrauch und die CPU Auslastung bei der Aufnahme zu minimieren. Mit zunehmender Anzahl an Events jedoch, wird das Timing ungewisser. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, hat das Mantis Team eine Erweiterung zum Ximea Treiber entwickelt. Es nutzt die zirkulären DMA Puffer von Ximea, um vorherzusagen, wo der nächste Frame geliefert wird. Dann erfragt es das letzte Pixel des Frames bis dieses ungleich null ist, was bedeutet, dass der Frame gerade zum DMA Puffer geliefert wurde. Dieser Ansatz erzielte eine Reduktion des Kommunikationsflattern von etwa einer Millisekunde auf weniger als 200 Nanosekunden auf 10 Kameras gleichzeitig. „Ich war geschockt, als ich herausfand, wie gut die Kameras in unserer Echtzeit-Anwendung funktionierten, und das nur durch eine einfache Änderung des Synchronisationsschemas“, so Artur Perek, Mantis Systementwickler.

Gute Zusammenarbeit

Das Team von Ximea entwickelte die Idee weiter, indem der PCIe Treiber dahingehend geändert wurde, Metadaten mit dem Gleichen Zeitrahmen aufzuzeichnen. Diese Änderungen ermöglichten die vollständige Echtzeit-Fähigkeit der xiX Kameras für Mantis und viele andere Anwendungen.
Raue Umgebung
Zusätzlich zu der spektakulären Echtzeit-Performance überlebten die Kameras eine ganze experimentelle Kampagne im Kernfusionsreaktor des Schweizer Plasma Centers, dem Tokamak à Configuration Variable (TCV). Während dieser Kampagne waren die Kameras verschiedenen magnetischen Feldern, sowie Neutronen-, Gamma- und Röntgenstrahlung ausgesetzt. Durch diese Erfahrungen haben sich andere Fusionsforschungsgruppen an Ximea gewandt, um deren Kameras in einem ähnlichen Umfeld einzusetzen.