Arnulf Schlüter und Rudolf Wienecke - Max-Planck

Arnulf Schlüter und Rudolf Wienecke Pioniere der Fusionsforschung
IPP 16/22
Juli 2012
Inhaltsübersicht
SibylleGünter
InmemoriamArnulfSchlüterundRudolfWienecke.............................................
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UweSchumacher
ArnulfSchlüterunddieAnfängederFusionsforschunginDeutschland................
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MartinKeilhacker
RudolfWieneckeunddiegroßenFusionsanlagenEuropas....................................
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AllenBoozer
ThecontinuinginfluenceofArnulfSchlüterandRudolfWienecke
onfusionresearch...................................................................................................
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DieserReportentstandausVorträgenanlässlicheines
KolloquiumszumGedenkenandieehemaligenWissenschaftlichenDirektorendesMax-Planck-Institutsfür
Plasmaphysik,Prof.Dr.ArnulfSchlüter(†Juni2011)
undProf.Dr.RudolfWienecke(†Mai2011)am4.November2011imIPPinGarching
Fotos:IPP
Redaktion:IsabellaMilch
Copyright2012
Max-Planck-InstitutfürPlasmaphysik(IPP)
GarchingundGreifswald
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In memoriam
Arnulf Schlüter und Rudolf Wienecke
Sibylle Günter, IPP
Prof. Dr. Arnulf Schlüter (22.8.1922 - 24.6.2011)
Prof. Dr. Rudolf Wienecke (5.5.1925 - 17.5.2011)
ImJahr2011verstarbendieehemaligenWis-
soll.AllePlasmaphysikerkennendiePfirschSchlüter-StrömeunddieGrad-Schlüter-Shafranov-Gleichung.Jeder,derPlasma-Gleichgewichteausrechnet,benutztsie.
senschaftlichenMitgliederundWissenschaftlichenDirektorendesMax-Planck-Instituts
fürPlasmaphysik,ProfessorDr.RudolfWieneckeundProfessorDr.ArnulfSchlüter.Beide
habendasInstitutvomerstenTagangeprägt.
ArnulfSchlüterkam1958mitdemMaxPlanck-InstitutfürPhysikundAstrophysik
nachMünchenundwurdeordentlicherProfessoranderLudwig-Maximilians-Universität.1959wurdeerWissenschaftlichesMitgliedundLeiterderAbteilungTheoretische
PlasmaphysikimneugegründetenInstitutfür
Plasmaphysik(IPP).AlsNachfolgerWerner
Heisenbergswurdeer1965WissenschaftlicherDirektordesIPP,einAmt,daserfüracht
Jahreinnehatte.UnterseinerLeitungwurde
1970dieursprünglicheIPPGmbHzumMaxPlanck-Institut.
ArnulfSchlüterwareinerdergroßenPioniere
derPlasmaphysikundFusionsforschungweltweit.GemeinsammitLudwigBiermannund
ReimarLüstbegründeteerdiedeutscheForschungzummagnetischenPlasmaeinschluss.
ErgiltalsMitentdeckerdesTokamakprinzips– dasheuteITERzugrundeliegt,der
erstenFusionsanlage,dieEnergieerzeugen
NachseinerZeitalsWissenschaftlicherDirektorwandteersichderOptimierungvon
Stellaratorenzu.ErgebniswardieAnlage
Wendelstein7-AS.NachseinerEmeritierung
warervon1986bis1991PräsidentderBayerischenAkademiederWissenschaften.ErerhieltzahlreicheAuszeichnungen,darunterdas
Bundesverdienstkreuz.
AuchRudolfWieneckewareinIPPlerder
erstenStunde.Erwurde1960zumWissenschaftlichenMitgliedundLeiterderAbteilungExperimentellePlasmaphysikberufen.
ErarbeitetezunächstüberLichtbögenin
MagnetfeldernunduntersuchteStoßwellen
undMethodenderPlasmabeschleunigung,
späterauchMHD-Generatoren.
1969wurdeRudolfWieneckealsordentlicher
ProfessorandieUniversitätStuttgartberufen
undbautedortdasInstitutfürPlasmaforschungauf,dasbisheutemitAbstandwichtigstePartnerinstitutdesIPPaneiner
deutschenUniversität.1973kehrteRudolf
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WieneckeandasIPPzurückundwurdenach
ArnulfSchlüterfürachtJahredessenWissenschaftlicherDirektor.
RudolfWieneckehatsichindieserZeitum
dasInstitutsehrverdientgemacht– ineiner
Umbruchphase,inderkleineLaborexperimentefürwesentlicheFortschrittenichtmehr
ausreichten.Erhatnichtnurdieheutenoch
existierendeBereichs-undProjektstrukturim
IPPeingeführt,sondernauchalleNotwendigkeitenbeimManagementvonGroßexperimentenkonsequentzuEndegedacht.Sohat
erdasInstituteigentlicherstindieLageversetzt,GroßprojektewiejetztWendelstein7-X
zukonzipierenundaufzubauen.Nachseiner
TätigkeitimIPPwurdeRudolfWieneckePräsidentderBundeswehrhochschuleinMünchen.ZuseinenzahlreichenEhrungenzählen
dasBundesverdienstkreuzundderBayerische
Verdienstorden.
DasMax-Planck-InstitutfürPlasmaphysikist
seinenehemaligenDirektorenArnulfSchlüter
undRudolfWieneckezugroßemDankverpflichtetundwirdihrAndenkeninEhrenhalten.
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Arnulf Schlüter und die Anfänge
der Fusionsforschung in Deutschland
Arbeit,mitderArnulfSchlüteramBeginn
seinerbeeindruckendenLaufbahnkurznach
demKriegaufgetretenist.EristdamitzugleichinBerührungzudenMagnetfelderngekommenund–nachderPromotioninBonn
beiWalterWeizel–danntiefindiePlasmaphysikeingestiegen.MitderEntwicklungder
GrundlagenderPlasmaphysikvorundnach
demzweitenWeltkrieghater–wieauchLudwigBiermannundLymanSpitzer–erkannt,
dassdieplasmaphysikalischenEigenschaften
beiderLösungastrophysikalischerFragen
vongroßerBedeutungsind.Schon1942war
dasTheoremvonHannesAlfvénbekannt,dass
inhochionisiertenunddamitgutleitfähigen
GasendieMagnetfeldlinieneingefrorensind.
KurzdanachhatArnulfSchlütermitderEntwicklungseinerZweiflüssigkeitstheoriedes
Plasmaserkannt,dasstrotzderengenBindungdergeladenenTeilchenandieMagnetfeldlinieneinelektrischerNettostromquer
zumMagnetfeldmitdergleichengeringen
Spannunggetriebenwerdenkann,diefüreinenStrominRichtungdesMagnetfeldesausreicht.BestimmtwirddiesdurchdasGleichgewicht,beidemderAbfalldesGasdruckes
mitdemStromimMagnetfeldimGleichgewichtsteht.
Grundlagen der Plasmaphysik
DieseArbeitenwurdendannimMax-PlanckInstitutfürPhysikinGöttingenweitergeführt,
wounterLudwigBiermannundmitstarker
MitwirkungvonReimarLüstwesentlicheszu
denGrundlagenderPlasmaphysikerarbeitet
wurde:dasPlasmagleichgewichtimMagnetfeld,dieStabilitätdesPlasmas,Wellenim
Plasma,dieEmissionvonWellenausPlasmen,dieBahnenderPlasmateilchenimErdmagnetfeld,dieWellenheizungvonPlasmen–
wofürSchlüterdenGyrorelaxationseffektentdeckteundnutzbarmachte–unddieTheorie
quasistationärerthermonuklearerProzesse.
DieseFragenwurdenvorallemzurLösung
astrophysikalischerProblemebearbeitet.Ein
typischesBeispielsinddiesolarenFilamente:
DieGleichgewichte,dieheutedenNamen
„Kippenhahn-SchlüterNormalPolarityProminenceMode“tragen,zeigen,dasssichein
heißesPlasmaimstarkenSchwerefeldder
SonneimGleichgewichthaltenkann,wenn
einmagnetischesDipolfeldvorhandenist.
WeiterhinwesentlichwarenUntersuchungen
derBahnengeladenerTeilchen:Wiewerden
dieTeilchendurchdasDipolfeldderErdebewegt,wietreffensieaufdieErde,welche
Teilchenwerdeneinfangen?ZurBerechnung
diesersogenanntenStörmerbahnennutzte
mandieerstenleistungsfähigenRechenmaschinen,wiesieauchimMax-Planck-Institut
fürPhysikinGöttingenentwickeltwurden.
FürdieseArbeiten–zumBeispielmitHilfe
dervonHeinzBillingentwickeltenG1,der
berühmtenRechenmaschinedesGöttinger
Max-Planck-Instituts–warenAlgorithmenzu
entwickeln,zuderenFormulierungArnulf
SchlütererheblicheBeiträgegeleistethat.
Uwe Schumacher, Universität Stuttgart
EineKompass-Kompensationwardieerste
ErgebnisdergrundlegendenPlasmatheorie,
dieArnulfSchlüterschon1949begonnenund
1950veröffentlichte,wardieLösungeiner
nichtlinearenelliptischenpartiellenDifferenzialgleichungfürdasPlasmagleichgewicht,
dasheutesogenannte„Grad-Schlüter-Shafranov-Gleichgewicht“füraxialsymmetrische
PlasmenbeinichtzuhohemPlasmadruck.
EinederFolgerungendarausist,dasssichineinandergeschachteltemagnetischeFlächen
ergeben.
DieseArbeitenbrachtenArnulfSchlüterzu
demUrteil,dasssichdasPlasmademTheoretikersowohlalsbesonderseinfachealsauch
alsbesonderskomplizierteFormderMaterie
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darstellt.DiePlasmaphysikspieltdieRolle
einerwesentlichenHilfswissenschaft,etwa
fürdieAstronomieoderdieGeophysik.Weiterhinwurdeihmdeutlich,dasssichmitdem
VerständnisdesPlasmastechnischeMöglichkeiteneröffnen,zumBeispielbeiderEnergieversorgung,aberauchvieleandereneue
AnwendungeninderIndustrie,etwainder
MaterialforschungundsogarinderMedizin.
Tokamak und Stellarator
BetrachtetmandieEnergieforschung,diemit
HilfederfusionsorientiertenPlasmaphysik
möglichwird,mussmansichdieZeitvorder
ArbeitArnulfSchlütersbewusstmachen:
GeorgeGamow,bekanntdurchseineTheorie
desAlpha-ZerfallsderAtomkerne,hielt1929
inLeningradeinenVortragüberdieVeröffentlichungenvonRobertd’EscourtAtkinsonund
FriedrichGeorgHoutermans,diedieEnergieproduktionderSonnedurchthermonukleare
Reaktionenerklärthaben.NachdiesemVortragbotihmNikolaiBucharin,einführendes
MitgliedderKommunistischenParteiRusslands,an,diegesamteelektrischeLeistung
vonLeningradjedeNachteineStundelang
zurVerfügungzustellen,wennerdiesenProzessaufderErdereproduzierenwürde.Gamow
–einWissenschaftlermitgroßemWeitblick
undhohemVerantwortungsbewusstsein–hat
diesesAngebotnichtangenommen.Undaus
demselbenGrundhatauchArnulfSchlüter
sichniezueinerAntwortaufdieFrageverleitenlassen,inwievielJahrenFusionsenergie
genutztwerdenkönne.
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AufderBasisihrergrundlegendenastro-und
plasmaphysikalischenArbeitenmachtenLudwigBiermann,ArnulfSchlüterundReimar
LüstverschiedeneVorschlägefürAnlagen
zummagnetischenEinschlussthermonuklearerPlasmen,zudenenauchaxialsymmetrischeundnicht-axialsymmetrischetoroidale
Anordnungengehörten.BeieinerdiesernichtaxialsymmetrischenKonfigurationenwurden
dieDriftunddieUngleichgewichtedesDruckesdadurchverhindert,dassdieKorrugationen,d.h.RiefenundWellen,aufderInnenseitedesTorusvielstärkersindalsaufderAußenseite.DiesernachdenAutorenFriedrich
MeyerundHermannUlrichSchmidtsogenannte„M&S-Torus“boteineLösungfürden
nicht-axialsymmetrischenäußerentoroidalen
Einschluss.HierzuwurdenschonamMaxPlanck-InstitutfürPhysikExperimentemit
denAnlagenKronentorusundLupusgemacht.
IneinemVortragaufderPhysikertagungin
Heidelberg1957überverschiedeneVorschlägezurundspezielleProblemebeider
thermonuklearenFusionsagteArnulfSchlüter:„ManmusseinengenügendstarkenStrom
imPlasmaringaufderSeelediesesRingsfließenlassen,sodassdasentstehendemeridionaleMagnetfeld“–wirsprechenheutevom
poloidalenMagnetfeld–„starkgenugist,das
dynamischeVerhaltenundGleichgewichtzu
sichernunddenTeilchenverlustzuverhindern,undmanmussdieäußerenSpulen,die
einMagnetfeldlängsderSeeledesToruserzeugen,sowählen,dassdieseAnordnung
dannnochstabilbleibt.Dasgemeinsamvon
deninnerenundäußerenStrömenerzeugte
MagnetfeldwirddanndieGestaltvonSchraubenlinienhaben,diedenTorusüberallumschließen.“IndiesenWortenstecktdieMitErfindungdesTokamaks,mitdemdamalsin
Russland–wieauchindenUSAundinGroßbritannien–unterGeheimhaltunganderFusiongearbeitetwurde.
ArnulfSchlüterhatteauchschonindenJahrenvor1958inPrincetonüberdieGöttinger
Arbeitenzumnicht-axialsymmetrischenmagnetischenPlasmaeinschlussreferiert.Dabei
stellteerfest,dassdieDiskussionsfragensehr
eingeschränktunddieAntwortenweniglebhaftwaren,weilauchdieWissenschaftlerin
Princetonsichbis1958zurGeheimhaltung
ihresvonLymanSpitzererfundenenStellaratorsverpflichtetfühlenmussten.DieGöttingerArbeitenhattendamitganzerheblichdazu
beigetragen,dassamVorabendderzweiten
GenferAtomkonferenzdieErgebnissederFusionsforschungausderGeheimhaltungentlassenwurden.
1958zogdasMax-Planck-InstitutfürPhysik,
indemArnulfSchlüterschonseit1956die
ArbeitsgruppePlasmaphysikgeleitethat,von
GöttingennachMünchenum.Balddaraufhat
auchinDeutschlandderGedankeRaumgegriffen,dassmandieFusionsforschungin
großemMaßstabeverwirklichensolle.Zwar
gabes,wieimmer,auchBedenken,dasseine
intensiverbetriebenePlasmaphysiksichvielleichtwissenschaftlichnichtlohnenkönne.
DerAutoritätWernerHeisenbergswaresaber
zuverdanken,dieseBedenkenzuwiderlegen,
undBundesministerSiegfriedBalkeerklärte
sichzueinemBundeszuschussvon10MillionenDMfüreineFusionsforschungseinrichtunginGarchingbereit.
Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
MitdreiBarackenbeganndaraufhindieGeschichtedesIPP.WernerHeisenbergwar
1960beiderGründungder„InstitutfürPlasmaphysikGmbH“nebenderMax-Planck-GesellschaftderzweiteGesellschafterundhat
dazu3000DMGesellschaftskapitalindas
IPPinvestiert.DiedamaligenMitgliederder
WissenschaftlichenLeitungwarenLudwig
Biermann,dieExperimentatorenEwaldFünferundGerhardvonGierkesowieWerner
Heisenberg,ArnulfSchlüter,derdietheoretischeAbteilungleitete,undKarl-HeinzSchmitter,
derLeiterderAbteilungTechnik.1963wur-
denRudolfWieneckezumWissenschaftlichen
Mitgliedund1965ArnulfSchlüterzumVorsitzendenderWissenschaftlichenLeitungund
zumWissenschaftlichenDirektorberufen.
1973folgteihmRudolfWieneckeinbeiden
Ämtern.
IndieserZeithatsichArnulfSchlüterintensiv
mitderWeiterentwicklungdesStellaratorsbefasst.DabeihabenseineintensivenUntersuchungenzummagnetischenEinschlussweitereNamensspurenhinterlassen,nichtnurim
heutesogenanntenGrad-Schlüter-ShafranovGleichgewicht,sondernauchbeidenPfirschSchlüter-Strömen.DieseAusgleichsströme
müssenautomatischineinemtoroidalenMagnetfeldfließenunddieentstehendenLadungenausgleichen–undsindvongroßerBedeutungfürdasGleichgewichtsverhalten.Ebenso
istderTransport,einewichtigeEigenschaft
fürdentoroidalenEinschluss,mitseinem
Namenverbunden.ImGebiethoherStoßfrequenzen,demPfirsch-Schlüter-Regime,ist
diesevonDieterPfirschundArnulfSchlüter
gefundeneAbhängigkeitvorherrschend.
Nebendiesemsogenanntenneoklassischen
TransporthatsichArnulfSchlüterauchmit
turbulentenProzessenimPlasmabeschäftigt.
DieArbeitzusammenmitDietrichLortzund
FriedrichH.BusseüberdieStabilitätstationärerKonvektionwarzweiJahrelangdieam
meistenzitierteVeröffentlichung.Schlüters
NameistauchbeiderEntwicklungder„AdvancedStellarators“wiederzufinden–Konfigurationen,dieüberdiebisherbetrachteten
Stellaratorenhinausgehenundbezüglicheiner
VielzahlunterschiedlicherKriterienoptimiert
sind:Dazuhateruntersucht,wieeineParallelstrom-Minimierungzuerreichenist,wiedie
Driftenminimiertwerdenkönnen,insbesonderewiedieDriftflächenmitdenmagnetischenFlächeninEinklangzubringensind
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undwiehoheBeta-Wertemöglichwerden.
MitdiesenbeeindruckendenVerbesserungen
wurdeerstmalsderStellaratorWendelstein7-AS
ausgestattet,wobeiASnichtnurals„AdvancedStellarator“zuverstehenist,sondernauch
dieInitialenvonArnulfSchlüterwiedergibt.
Lehrer und Forscher
ArnulfSchlüterwareinbegnadeterRedner
undLehrer.DasManuskriptseinerVorlesung
„EinführungindiePlasmaphysik“isteinbesonderesWerk,dasleidernurnochinsehr
kleinerZahlvorliegtundebensowiedie VorlesungmitBegeisterungaufgenommenwurde.
SeineArbeitenhabeneinenbeeindruckend
großenUmfang.SeinLieblingsgebietwardie
StatistikklassischerGesamtheiten.Erhatsich
mitderEmissionvonKurzwellenstrahlenvon
derSonne,mitderErzeugunginterstellarer
Magnetfelder,denSchwingungeninPlasmen,
derPlasmatheorieundderIonosphärebeschäftigt.ErhatdieseArbeitendurchRechenmaschinen-ErgebnisseunterstütztunddazuAlgorithmenentwickelt.
ZuseinemgroßenwissenschaftlichenSpektrumgehörtauchdieSpektroskopie,dieer
mitBerechnungenderOszillatorenstärkenunterstützte.ErhatdieBeschleunigungdurch
dasLichtselbstdargestellt,hatsichmitkollektiverIonenbeschleunigungbefasstundmit
GrundlagenproblemenderSynergetik.Erhat
untersucht,wiedasMikrofeldineinemPlasma
sichaufdieIonisationauswirkt,erhatBeiträgezurRelativitätstheorie,zurkosmologischenKonstanteundzurklassischenGrenze
derEinsteinschenFeldgleichungengeliefert–
dieswahrscheinlich,nachdemerEinsteinin
Princetongetroffenhatte.
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AusdiesemeindrucksvollenSpektrumseidas
BeispielderkollektivenIonenbeschleunigung
herausgegriffen.Hierhatergezeigt,dassman
mitdensehrhohenelektrischenFeldernin
einemPlasmageladeneTeilchenaufsehrhohe
Energienbeschleunigenkann.Dieshatheute
nochgroßeBedeutung,wennmandarandenkt,
dassinderkosmischenStrahlungTeilchen
mitEnergienvonmehrals5 . 1020 Elektronenvoltgefundenwerden,wassichohnedie
HilfeplasmaphysikalischerBetrachtungen
nichterklärenlässt.
ArnulfSchlüterwarMitgliedoderPräsident
verschiedenerwissenschaftlicherOrganisationenundInstitutionenunderhieltzahlreiche
Auszeichnungen.ErhatdieEntwicklungder
PlasmaphysikinDeutschlandnachhaltigund
sichtbargeprägt.AlleseineehemaligenMitarbeiter,Schüler,KollegenundFreundesind
ihmdankbarundwerdenseinAndenkenin
Ehrenhalten.
Rudolf Wienecke
und die großen Fusionsanlagen Europas
scheEigenschaftenRudolfWieneckesinErinnerungrufen,auchwenndasnureinvereinfachendesBildgebenkann:ErhatteeinausgeprägtesGespürfürErfolgversprechende
wissenschaftlicheAufgaben,wasihnzueinem
großenGestalterdereuropäischenFusionsforschungwerdenließ.ErwarinMünchenund
Stuttgarteinengagierterundbegeisternder
Hochschullehrerunderwar–dankseinesGerechtigkeitssinns,seineraufrechtenHaltung
undBescheidenheit–eingroßesVorbildfür
StudentenundMitarbeiter.Fürunsalleaber
warereinliebenswerter,hochgeachteter
Mensch,KollegeundFörderer.HierdiewichtigstenStationenseineswissenschaftlichen
Lebens:
sitzenderderWissenschaftlichenLeitungund
WissenschaftlicherDirektorzurückandas
IPP.NacheinemerneutenAufenthaltinStuttgartwurdeer1982zumPräsidentenderBundeswehrhochschuleMünchen-Neubiberg
berufen,dieerindieUniversitätderBundeswehrüberführte.ErbeendeteseinewissenschaftlicheLaufbahnschließlichimIPFin
Stuttgart.
NachderRückkehrausdemRussland-FeldzugalsSchwerversehrterhaterinBreslau
undMünsterstudiertundwurde1952promoviert.DaraufwarerzunächstimForschungslaborvonSiemens-Schuckerttätig,woeran
SchalternundanLichtbögenarbeitete.Mit
diesenForschungenhatersich1957ander
UniversitätKielhabilitiertundwardanneinigeJahreOberassistentundPrivatdozentam
dortigenInstitutfürExperimentalphysikbei
WalterLochte-Holtgreve.1960wurdeernach
GarchingandasIPPberufen,zunächstals
LeiterderAbteilungExperimentellePlasmaphysik3unddannab1963alsWissenschaftlichesMitglied.
Aufbauzeit des IPP
ZurGründungs-undAufbauzeitdesIPPkam
RudolfWienecke1960ausKielindiedrei
erstenBarackenaufdemGarchingerIPP-Gelände.IneinerexperimentierteEwaldFünfer
mitTheta-Pinchen;dorthatteauchichein
kleinesExperiment.Inderzweitenlogierte
RudolfWieneckemitseinerGruppe.Dieses
„Barackeninstitut“wurdeimSommer1960
miteinergroßenFeiereingeweiht,wobeifolgendesLiedgesungenwurde:„FernimSüden
beidenBayern,wodieIsartrüberauscht,will
mandiePhysikerneuern.Darumwirdhier
aufgebauschtderGebäudegroßeZahl,voll
mitLeutenersterWahl.“UnddieletzteStrophe:„MittagssiehtmanedleReckenkindlich
mitdemBallespielen.DieseÜbungsollbezwecken,ihreLungendurchzuspülen,mitder
frischenLandesluftundGroßlappensmildem
Duft“.IndenAbteilungenRudolfWieneckes,
sowohlinGarchingalsauchinStuttgart,
wurde,soweitichgehörthabe,nichtnurgearbeitetsondernauchausgiebiggefeiert.
ZunächstPrivatdozentunddanachaußerplanmäßigerProfessoranderUniversitätMünchen,folgteer1969einemRufalsordentlicherProfessorandieUniversitätStuttgart
aufdenLehrstuhlfürEnergiekonversion.Er
bautedortdasInstitutfürPlasmaforschung
aufundwarzugleichLeiterdesProjektes
Kurzzeitverbrennungs-MHD-Generatoram
IPP.Von1973bis1981wechselteeralsVor-
1964kamerbeieinemGastaufenthaltander
Stanfort-UniversitätinKalifornienmitdem
ThemaderMHD-GeneratoreninBerührung
undhatanschließenddieEntwicklungdieser
GeneratoreninGarchingbetrieben.DieverschiedenenGruppeninseinerAbteilungim
IPPbeschäftigtensichzudemmitStoßwellenexperimenten,mitderPlasmaerzeugung
durchLasersowiemitchemischenLasern.
Martin Keilhacker, ehemaliger Direktor
des JET Joint Undertaking
ZuAnfangmöchteicheinigecharakteristi-
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AusdenbeidenletztenAktivitätengingspäter
eineigenesMax-Planck-Instituthervor,das
MPIfürQuantenoptikinGarching.
Aufbau des IPF in Stuttgart
1969wechselteRudolfWieneckeandieUniversitätStuttgartundbautedortausdembereitsexistierendenInstitutfürHochtemperaturforschungdasInstitutfürPlasmaforschung
(IPF)auf.HierhatersichindenGruppen
Wellen-undPlasmaheizung,LaseranwendungenunddichtePlasmen(Plasmafokus)mitfusionsorientierterPlasmaphysikbeschäftigt.
DiewissenschaftlichenSchwerpunkteseiner
Arbeitwaren–inZusammenarbeitmitdem
IPPinGarching–diefusionsorientiertePlasmaphysikunddieEntwicklungvonKomponentenfürdieHeizungdesPlasmasmitMikrowellen,wasbeiderAnwendungandenIPPAnlagenbisheutebeiASDEXUpgrade,Wendelstein7-XundITERreichlicheFrüchte
trägt.HinzukamenPlasmatechnologiewie
PlasmabeschichtungundPlasmabehandlung–
Arbeiten,dieinderIndustrieeinewichtige
Rollespielen–undschließlichderPlasmafokus:damalsdasExperimentmitderhöchsten
Fusions-bzw.NeutronenausbeuteprozugeführterEnergie.AufeinigekleinereAnlagen
folgteder500Kilojoule-PlasmafokusPoseidon,andemderMechanismusderNeutronenproduktionphänomenologischerklärtwerden
konnte.
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Großanlagen in Garching
WährendseinerZeitalsWissenschaftlicher
DirektordesMax-Planck-InstitutsfürPlasmaphysikvon1973bis1981konzentriertesich
RudolfWieneckeaufdieUntersuchungdes
magnetischenPlasmaeinschlussesintoroidalerGeometrie.IndenAnfangsjahrendesIPP
hattemaneineReihevonkleinerenExperimentenbetrieben,diealleeingestelltwerden
mussten,umdieKonzentrationaufdiebeiden
erfolgversprechendenHauptlinien–Tokamak
undStellarator–zuermöglichenundzwar
mitrelativgroßenAnlagen.NachPulsator,
demerstenIPP-Tokamak,wurdedergrößere
TokamakASDEXaufgebaut.DieLaserforschungwurdezunächstineineProjektgruppe
ausgegliedertunddannineinemeigenen
Max-Planck-Institutweitergeführt.
AuchanderIdeeundderDurchsetzungdes
europäischenGemeinschaftsprojektsJET,
demJointEuropeanTorus,hatRudolfWieneckeentscheidendmitgearbeitet.Erwar
dabei,alsdasProjektWendelstein7-AinGarchinganliefunderhatdiedreiPlanungsjahre
fürdasProjektZEPHYRmitinternationaler
Beteiligung,unteranderemauchausden
USA,geführt.
BereitsamAnfangdieserachtJahrealsWissenschaftlicherDirektorfällteerzukunftsweisendeforschungspolitischeEntscheidungen,
dieseinenstrategischenWeitblickundsein
Durchsetzungsvermögenbezeugen.Fürdie
KonzentrationaufdentoroidalenmagnetischenEinschlussmitdenGroßanlagen
ASDEX,Wendelstein7-A,JETundZEPHYR
mussteneinigeForschungslinien,wiezum
BeispieldieLaserforschung,aufgegebenwerden.ZugleichhatRudolfWieneckedasInstitutumorganisiertundfürdieneuenGroßanlagendienochheutevorhandeneProjektstrukturgeschaffen;ausdemehemaligenBereich
TechnikunddenallgemeinenWerkstätten
wurdendieZentralenTechnischenEinrichtungen.DieseKonzentrationdestechnischenPotentialswarentscheidendfürdenerfolgreichenAufbaudergrößerenExperimente.
ZudemhatsichdasInstitutindiesenJahren
unterseinerLeitungandenStudienarbeiten
fürNETundINTORbeteiligt,denpapiernen
VorläufernvonITER.
NachdemEinstiegindieTokamak-ForschungmitPulsatorwurde1973derVorschlagfüreingrößeresTokamak-Experiment
ausgearbeitet,dasAxial-symmetrischeDivertor-ExperimentASDEX.DankWieneckesInitiativeliefendiePlänefürASDEXinder
RekordzeitvoneinemJahrdurchalledeutschenundeuropäischenGenehmigungsprozesse.ZunächstnurmitStromheizungausgerüstet,warenbereitsimerstenBetriebsjahr
1980dieExperimentesehrerfolgreich.Als
diedreiMegawattstarkeNeutralinjektionsheizungzurVerfügungstand,folgtedieEntdeckungdesHighConfinement-Regimes,die
entscheidendwarfürdenweiterenFortgang
derweltweitenFusionsforschung:DerEinschlussimH-Regimewarmindestensdoppelt
sogutalsbislang.Weiterezukunftsweisende
ErgebnissemitdemDivertorwaren:MitseinerHilfewurdenVerunreinigungenreduziert,
ebensodiethermischeBelastungderPrallplattendurchAbstrahlungimDivertor-Raum,
dersogenannteHigh-Recycling-Betrieb.Wir
wisseninzwischen,dassdieDivertor-AnordnungwesentlicheVoraussetzungfürITER
undeinspäteresKraftwerkist.
Das Gemeinschaftsprojekt JET
RudolfWieneckesBeitragzumeuropäischen
GemeinschaftsprojektJETwarbeträchtlich:
1972hatdieJET-Working-GroupdasphysikalischeKonzeptfürdieAnlageerarbeitet.
DieeuropäischeGroupedeLiaisonhat1973
zugestimmt,obwohldasIPPzunächstBedenkenangemeldethatte.DerwichtigsteEinwandwarwohl,dassmanJETfüreinenzu
großenSchritthielt.TrotzdemhatdasIPP
nachderpositivenEntscheidungJETuneingeschränktunterstützt;manhatsichsogarfür
denStandortbeworben.1973/74wardasDesignteamunterPaul-HenryRebutanderArbeit:JETwurdealsLimiter-Tokamakmit
einemPlasmastromvondreiMega-Ampere
geplant,deraufsechsMega-Ampereausgebautwerdenkonnte.Sensationellerweisewar
der–begrenzte–BetriebmitDeuteriumund
Tritiumvorgesehen,wasdieAuslegungder
MaschinefürferngesteuerteReparatur-und
Umbauarbeitenverlangte.
WiederumhattendasIPP,aberauchandere
ForschungseinrichtungenBedenken.DasIPP
machteGegenvorschläge,nämlichzumeinen
dieadiabatischeKompressionalsHeizverfahrenmitzuberücksichtigenundzumanderen
einenDivertoreinzubauen.DerDivertorwurdedann,wiewirwissen,vierbisfünfJahre
spätertatsächlicheingebaut.RudolfWienecke,damalsMitgliedderGroupedeLiaison,
verlangteeineunabhängigewissenschaftliche
BeurteilungdesProjekts–esentstandder
Risley-ReportderUKAEA.Erkamzudem
Ergebnis,dasExperimentseigrundsätzlich
machbar,werdeaberwesentlichteureralszunächstabgeschätzt.Umstrittenwarauchhier
dieFernhandhabung.
AlsJET1976vomMinisterratderEuropäischenGemeinschaftgenehmigtwurde,folgte
dieKlärungderStandortfrage.Eswurdeein
JET-Standortkommiteegegründet,andemfür
dasIPPGünterGriegerteilnahm.Dieanfangs
siebeneuropäischenBewerber,darunterin
DeutschlandJülichundGarching,reduzierten
sichbaldaufzwei,nämlichGarchingund
Culham,zudessenGunstenschließlich1977
dieStandortentscheidungausfiel.Balddarauf
machtedasIPPeineneigenenVorschlagfür
einZündexperimentZEPHYR.
InderAmtszeitRudolfWieneckesgabesjedochnichtnurglücklicheUmständeundErfolge.ErmussteauchmiteinigenProblemen
kämpfen,dieerallerdingsfastallegelösthat.
ZunächsteinmalzeigtedasdeutscheForschungsministerium wachsendesteuerungspolitische
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Ambitionen:BeiWendelstein7-Anochwenig
aktiv,setzteesfürASDEXeinBeratungsgremiumeinundwarbeiZEPHYRdannstark
involviert.ZugleichstelltedasMinisterium
dieorganisatorischeFormdesIPPinFrage:
EntwederbetreibedasIPPnurGrundlagenforschungundbleibedamitinderMax-PlanckGesellschaft,odereswidmesichangewandter
Forschung.Dannmüsseeseinselbständiges
ForschungszentrumwerdenodereinemForschungszentrumzugeschlagenwerden.Hinzu
kamenMeinungsverschiedenheiteninnerhalb
derWissenschaftlichenLeitung:Insbesondere
Karl-HeinzSchmitterundDieterPfirschwarenzumTeilvölligandererMeinungalsdie
ÜbrigenundplädiertenfürSpiegelmaschinen
undHybridreaktoren.
JET-Erfolge – Krönung der Strategieplanung
ZumAufbauvonJETwurde1978unterdem
DirektorHans-OttoWüsterdasJointUndertakinggegründet.1983gingdieMaschinein
Betrieb;1991liefdasersteTritium-ExperimentmitderVerschmelzungvonDeuterium
undTritium,das„Preliminary-Tritium-Experiment“.ZweiEntladungenmitnurelfProzentTritium– umdieMaschinenichtzustark
zuaktivieren– erzeugten1,7MegawattFusionsleistung.ImAnschlussdaranwurdedie
Anlageumgebaut,wiebereitserwähntineine
Divertor-Konfiguration.ImJahr2000folgte
dasTritium-ExperimentNr.1:Rund200EntladungenmiteinerungefährfünfzigprozentigenTritium-Beigabe–dieRekord-Fusionsleistungvon16Megawattwurdeerzielt.
AußerdemgabeseinigepressepolitischeUngeschicklichkeiten.ZumBeispielwurdein
einerPressemitteilungüberdennettostromfreienBetriebvonWendelstein7-Avon
„einemDurchbruchbeiderEnergieerzeugung“gesprochen.UndRudolfWienecke
selbstbeklagteöffentlich,dassdieFusionsforschunggefährdetseidurchdenSparkursder
Bundesregierung.SchließlichstellteeinBericht„KritischeZweifelamSuperprogramm–
12FragenzurKernfusion“desElementarteilchen-PhysikersJochenBeneckevomMPIfür
PhysikundAstrophysikimMagazin„Bildder
Wissenschaft“dieFusionsforschunginsgesamtinFrage.DiezwölfausführlichenAntwortenderWissenschaftlichenLeitungunter
RudolfWieneckekonntendieseZweifelaber
starkrelativieren.IneinervonderBundesregierungeinberufenenAnhörungvonSachverständigen,darunterKlausPinkauvomIPP,
GerdWolfausJülichundHans-OttoWüster
vonJET,wurdendieMissverständnisseausgeräumtunddieStellungderFusionsforschung
inDeutschlandgestärkt.
RudolfWieneckehatsichstetsfürdieseneuerenEntwicklungeninderFusionsforschung
interessiert.AlljährlichbiszudiesemFrühjahr
haterandenJahrestreffenseinerMitarbeiter
teilgenommen:Wirallewerdenihninguter
Erinnerungbehalten,ihnundseineLeistungenfürdasIPPundfürdieFusionsforschung.
On the continuing influence of
Arnulf Schlüter and Rudolf Wienecke on fusion research
bothtransformationalindividualsinplasma
physics.Schlüterwasaworldpioneer,andfusionphysicistsaroundtheworldknowmany
ofhiscontributions.Heisalsowell-known
forhiscontributionstoastrophysics,butthis
talkisaboutfusion.Wieneckewasaninstitutionbuilder,turningIPPfromafocuson
smallexperimentstolargedevices.Healso
builttheIPFInstituteinStuttgartandsupportedtheJETexperiment.
Rudolf Wienecke – an institution builder
DuringRudolfWienecke’sdirectorship,there
weretwotransformationalexperimentsthat
essentiallyeveryfusionphysicistintheworld
knows.OneistheASDEXtokamakwithits
twodiscoveries,theH-ModeandtheEdgeLocalizedModes:TheH-modemadetheconfinementtwiceasgoodaseverybodythought
itcouldbe– acriticalstepforthedevelopmentofthetokamak.TheEdge-Localized
Modesaresmall-scaleinstabilitiesintokamaksthatrepetitivelydumplargeamountsof
energyfromtheplasmasedge–oneofthe
problems,thatITERengineersarestillworkingtoconfront.Onewouldliketokeepthe
H-ModeandgetridoftheEdge-Localized
Modes,whichgowiththeH-modewhenthe
gradientsbecometoosteep.Amajorpartof
thepresentfusionprogramistryingtofigure
outhowtogetridofthebadandkeepthe
goodoftheseearlyASDEXresults.
Thesecondtransformationalexperimentin
Wienecke’speriodwastheWendelstein7-A
stellarator.Itwasbegunin1971,beforehe
becamedirector,butitsbasicresultswereduringhisdirectorship.Wendelstein7-Acould
goallthewayfromastellaratortoatokamak.
Intheearlyperiodacurrentwasusedtoheat
theplasma,whichwaslaterreplacedbyother
heatingmethods.Astheplasmacurrentwas
takenawayandmostofthetwistofthemagneticfieldlinescamefromthecoils,the
plasmabecameveryquietintheMHDsense
–averyimportantresult.Thelowcurrent
plasmasinWendelstein7-Acouldnotbe
madetodisrupt.Itwastheabsenceofdisruptions–whenthevacuumrotationaltransformationwasbiggerthan15percent–that
demonstratedtheimportanceofthestellarator
concept.Itwasalsoveryimportantthatthe
plasmaenergywaswellconfinedinWendelstein7-A–atleastincomparisontothe
PrincetonModel-Cstellarator.TheModel-C
hadanenergylossthatwasconsistentwith
theBohmformula,whichmadebuildingafusionreactortotallyhopeless.Wendelstein7-A
showedthatBohmlosseswerenotanecessaryfeatureofstellarators,despitewhatmany
thoughtatthetime.
Alan Boozer
Columbia University, New York
ArnulfSchlüterandRudolfWieneckewere
Wieneckewasnotonlyimportantforplasma
physicsattheIPP,butalsoatStuttgartUniversity.HehadtwoperiodsinStuttgart–the
foundationperiodoftheInstitutfürPlasmaforschungasamajorcentreinplasmaheating
anddiagnostics,andneartheendofhiscareer,
hebuiltstrongprogramsinelectroncyclotron
heatingandlaserdiagnostics.
Arnulf Schlüter – pioneer in fusion science
BecauseWieneckeandIonlymetafewtimes
andwedidnotinteractstronglyscientifically,
mytalkissomewhatasymmetric.WithSchlüterthiswasdifferent.HeandIinteractedover
adecadeormore.
Schlüter’s1952paperonMHDequationsincludingtwo-fluideffectsisveryimportant
untilthisdayandestablishedawholefieldof
research.Actuallythisworkwasolderthan
1952,foritwaspresentedatthe1950meeting
oftheacademy,soitisaremarkablyearly
work.
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Atthetimefusionresearchwasdeclassified,
therewasanimportantissueofthe1957
“ZeitschriftfürNaturforschung”,VolumeA12
withfourSchlüterpapers:WhatIfoundmost
remarkableinthesepaperswasadiagramon
theconservationofthemagneticmoment.It
showsthattheconservationofthemagnetic
momentimprovesexponentiallyasthevariationofthemagneticfieldsensedbytheparticlesfromonecyclotrongyrationtothenext
becomessmaller.Arelatedconservationlaw
holdsfortheexistenceofmagneticsurfacesin
thepresenceofaperturbation.Theimportant
ideathatthemagneticmomentisexponentiallyconservedwasnotfullyappreciateduntil
recently.MartinKruskal,amathematician
whowasveryimportantintheUSdevelopmentofthesetopics,showedthatboththe
magneticmomentandmagneticsurfaceswere
conservedtoallordersinaTaylorexpansion.
ThisledSpitzertoassumethatyoudonot
havetobuildstellaratorsallthataccurately.
Thisisfalse,ofcourse,andthiserrorexplains
oneproblem,thattheearlystellaratorsat
Princetonhad.ThelasttimeLymanSpitzer
cametothePrincetonPlasmaPhysicsLaboratory,atitsFiftiethAnniversary,Iwasgivinga
talkonthehistoryofstellarators.Afterwards
hesaidtome:“Well,IwasmisledbyKruskal
onthis”,butSchlüterhadtheexponential
convergencerightinhis1957paper.
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Thething,thatatypicalfusionstudentinthe
UnitedStates,inJapan,oranywherereally
knowsaboutSchlüter,isthePfirsch-Schlüter
current,becauseitbearshisname.ButSchlüter
didnotpublishasmuchasheshouldhave.His
publicationonthePfirsch-Schlütercurrentsin
1962isaclassicexample.ItisaMax-PlanckInstitutereport(MPI/PA/762),notapaper.If
youtrytogetacopy,youhavetogotooneof
themajorfusioncentresanddigintosome
dustyshelvesandwithluckyoumayfindit.
Stellarator optimization
AperiodofSchlüter’scareerthatIknewpersonallywashisworkonstellaratoroptimizationbyusingthefullfreedomofthemagnetic
fieldsthatcanbeproducedatadistance.This
hadprofoundimplications.Thefirstmachine
itwasappliedtowasWendelstein7-AS.The
firstattemptwastooptimizevacuummagneticfields,usingDommaschkpotentials.Using
suchsimplevacuummagneticfields,itiseasy
tofindcoilsthatproducethem.
Whyisthissoimportant?Therearetwobasic
waysofdoingfusionusingmagneticfields–
axisymmetrictokamaksandstellarators.Axisymmetrictokamakscancertainlybedesignedmoreeasily,buttheyalsohavefundamentalproblemsthatcanbeaddressedby
stellarators.Whethertheseissueswillmean
wehavetogotostellaratorsornot,isstill
obscure.Butthefactthatwehaveanalternativeinstellaratorsiswhatisimportantabout
thesecontributions.
Therearethreeadvantagesofthestellarator
andSchlüterwasverymuchawareofthese:
Firsttherobustnessagainstdisruptions,which
meansasuddenterminationoftheplasma–
veryimportantwhenwegettomachinesthe
sizeofITERwhereadisruptioncandestroy
themachine.Secondthetokamakhasrestrictiveupperlimitsfortheplasmadensity,
whichcompromiseitsuseasafusiondevice.
Theselimitsdonotexistinstellarators.
Thirdly,atokamakmustmaintainacurrentto
createthemagneticconfiguration,whereasa
stellaratorneednot.Forallthesereasons,stellaratorsreducetheriskofachievingfusion
energy.
Nevertheless,simplestellaratordesignsdo
notwork.Withoutasupercomputeryoureally
havenobusinessdesigningstellarators,which
wasreasonstellaratorshadsomanyproblems
intheirfirsttwentyyears.Schlüterwasthe
personwhorecognizedthepotentialforoptimizingstellaratorsinarealsense.Healsodevelopedoptimizationtools.Oneofthefirst
waystooptimizestellaratorswastooptimize
curl-freemagneticfieldsandthencalculate
equilibriausingtheChodura-Schlüter-Code,
butthatofcourseisverylimited.
Chodura-Schlüter-Codewasnotusedmuch
becauseoftheswitchtotheVMEC-Code.
VMECisanenergyminimizationcodemuch
astheChodura-Schlüter-Code,butitisbased
onmagneticcoordinates.ItisaLagrangean
code,whereastheotherisanEuleriancode.
Buttheordinaryspatialcoordinatesthatare
usedintheChodura-Schlüter-Codearestill
usedinmanyoftheso-called3-DMHD
codes–M3DandNIMRODaretwoofthese,
butthereareothers.Thusthemethodisstill
usedintheprogramuntiltoday.
Wendelstein 7-X
TherewerefurtherdevelopmentsonoptimizationattheIPP,whichledtotheWendelstein
7-Xstellarator.Theplasmacross-sectionsin
Wendelstein7-ASandWendelstein7-Xare
dependentonthetoroidalposition.AninterestingpointisthatWendelstein7-Xhasastrong
pentagonalshape,buttheoutersurfaceis
morecircularandtheinnermorepentagonal.
ThismakesuseoftheoriginalMeyer-Schmidt
idea.AsSchlüterexplainedtome,ideallyall
themagneticfieldlineshavethesamelength
astheytraverseaperiod.Thedistancearound
asymmetrictorusislongerontheoutboard
thantheinboardside.Theimplicationisthat
themagneticfieldlinesshouldbeasshortas
possibleontheoutside,whichmeanscircular,
andlengthenedontheinboardside.The
strongcornersontheinboardsideofWendelstein7-Xmakethefieldlinesmoreorlessthe
samelength–andthat’sthetricktomakeoptimizationwork.
ThepersontakingthenextstepinoptimizationwasJürgenNührenbergusingtheplasma
shapetodefineequilibriaandusingthe
VMECequilibriumcodetofindaplasma
shapewithgoodphysicsproperties.Afterthe
plasmashapeisdetermined,distantcoilsmust
bedesignedtosupportthatshape.Thepaper
thatgavethemethodfordesigningcoilswas
byPeterMerkel;itwasbasedonworkthat
KarlLacknerhaddoneearlierfortokamaks.
ThispaperbyMerkelisconsideredaclassic
andisstillverymuchusedinstellaratoroptimization.
Optimizationgoesonandfurtherimprovementscanbemade.Oneofthethingsthatwe
areworkingonisdeterminingwhatmagnetic
fieldsthecoilsreallyhavetoproducetoobtainthedesiredphysicsproperties.Everything
aboutthemagneticfieldproducedbythecoils
isdefinedintheplasmaregionbythecomponentofthatfieldperpendiculartothesurface
oftheplasma.Ifyouchangethatcomponent
byalittlebitbutinvariousways,thechanges
haveverydifferentconsequences.Insome
casesthefieldcanbechangedbyanenormous
amount,buttheplasmapropertiesdonot
changeverymuch.Inothercasesyouchange
itbypartsinathousandandeverythingjust
fallsapart.Togetsimplecoilsonehasfigure
itoutwhichfieldstheplasmahashighsensitivitytoandverycarefullycontrolthose.
The burden of history
ArnulfSchlüterwasnotjustascientificcolleaguetomebutverymuchafriend.Oneof
thethingswetalkedaboutistheburdenof
history.ThoseofuswhogrewupintheAmericansouth,asIdid,haveaburdenofhistory
muchastheGermanpeopledo.OtherAmeri-
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cansviewusasfundamentallymorallyflawed
–forevertheperpetuatorsofslavery.Even
thoughithappened150yearsago,thedestructionofwar,thelongmilitaryoccupation,
andthepoliticalisolationhashadasofarindelibleaffectonsoutherners.MuchwassimilartowhathappenedinGermanyinWorld
WarIandevenmoreinWorldWarII.Ithas,
therefore,beenveryinterestingtometotalk
toGermansandtoseetheevolutionofGermanpsychethroughthedifferentgenerations.
Schlütergavemenewinsightsintothecomplexityofthehumansituationwhenyouare
immersedinterriblecircumstances.Everyone
inthatgeneration,includingSchlüter,hadfascinatingthoughdisturbingstories,suchasthe
horrorsofthefirebombingandhowitaffected
ordinarycivilians.
ThereisanearlySchlüterreference,“KompasskompensationmittelsFeldstärkemessungen”,whichwaspublishedin1948.As
Schlütertoldme,thiswasconnectedwithhis
wartimeserviceinthenavy:Ifadepthcharge
goesoffnearasubmarineitsetsupmagnetic
fieldsinthesubmarine.Sothecompassbecomesuselesstofindthedirectionofnorth.
Schlütercameupwithaproceduretoturnthe
submarinearoundandsortoutthedirectionof
truenorth.Asitturns,themagnetizationof
thesubmarineappearstostayfixedandthe
magnetizationoftheearthlookslikeitis
changing,soyoucansortoutthedifference.
Schlüterwasapersonyouhadtoknowwell
tofullyappreciateasascientist,becausehis
writingsdonotdohimjustice;heshouldhave
publishedmore.Ifoundhimaverygood
friend,averyinterestingpersontotalkwith,
andIwillcertainlymisshim.
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