Korrespondierender Autor

Hubertus M. Thomas
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Plasma Physics

Research report (imported) 2012 - Max Planck Institute for extraterrestrial Physics

Plasmakristall – 10 Jahre Forschung auf der Internationalen Raumstation

The Plasma Crystal – 10 years of research on the International Space Station

Authors

Thomas, Hubertus M.; Morfill, Gregor E.

Departments

Theorie und Komplexe Plasmen (Gregor Morfill)

Seit 10 Jahren führt das MPE erfolgreich Forschung zu komplexen Plasmen auf der Internationalen Raumstation ISS durch. Wissenschaftlich ermöglicht sie neue Einblicke in viele Zweige der Physik. Mehr als 60 Publikationen in referierten Journalen sind dabei erschienen, ein Teil soll hier vorgestellt werden. Diese Forschung hat nicht nur eine beeindruckende Historie, sondern auch eine vielversprechende Zukunft: Das nächste Labor PK-4 soll 2014 gestartet werden und auch für die fernere Zukunft ist vorgesorgt, sodass vermutlich diese Forschung die ganze Lebensspanne der ISS abdecken kann.
The MPE successfully performs research on complex plasmas on the International Space Station ISS since ten years. This allows scientifically new insights in many fields of physics. More than 60 publications in refereed journals have appeared. Some results shall be presented here. This research not only has a successful history but also a promising future: the next lab PK-4 shall be launched in 2014 and for the farer future a new lab is under development. Thus, plasma crystal research might cover the whole span of life of the ISS.

Die Internationale Raumstation ISS

Die Internationale Raumstation ISS (Abb. 1) ist seit mehr als 10 Jahren in Betrieb und bildet unseren bemannten Außenposten im Weltraum. Sie ist eine der größten internationalen Kooperationen, unter Führung von Russland und den USA. Hauptsächlich politisch entschieden, bietet sie jetzt hervorragende Möglichkeiten für die Wissenschaft den Einfluss der Schwerkraft am Menschen und auf Materialien zu untersuchen. Nebenbei ist sie Technologietreiber für zukünftige bemannte und unbemannte Missionen in den nahen und ferneren Weltraum.

<strong>Abb. 1:</strong> Internationale Raumstation ISS in 2008 mit dem angedockten europäischen Columbus-Modul (Quelle: NASA). Kleines Bild: Kosmonau Bild vergrößern
Abb. 1: Internationale Raumstation ISS in 2008 mit dem angedockten europäischen Columbus-Modul (Quelle: NASA). Kleines Bild: Kosmonaut Sergey Krikalev beim Ausladen der PKE-Nefedov Nutzlast im März 2001 (Quelle: RKK-Energia).

Grundlagenforschung auf der ISS in unterschiedlichsten Gebieten, wie z. B. in der Medizin oder der Materialforschung, wird seit Beginn der Besiedlung durchgeführt. Das erste größere naturwissenschaftliche Labor wurde in russisch-deutscher Kooperation schon 2001 von der ersten permanenten Crew in Betrieb genommen: MPEs Plasmakristall-Labor PKE-Nefedov. Während die anderen ISS-Partner – NASA, ESA und JAXA – auf ihre Labormodule warten mussten, konnte das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) zusammen mit seinem russischen Partner dieses Labor im russischen Teil der ISS in Betrieb nehmen. Eine perfekte Übereinkunft zwischen den Agenturen ROSCOSMOS und DLR hat der deutschen Seite, die eigentlich nur indirekt über die ESA Ressourcen auf der ISS hat, diesen Schritt ermöglicht: Deutschland war dabei für die Konstruktion, die Fertigung und die Qualifikation des Labors zuständig, während Russland für den Transport zur und für die Unterbringung auf der ISS, für Crewtraining und -zeit sowie für die Organisation und die Durchführung der Experimente verantwortlich war. Die Wissenschaft, also das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und das Akademieinstitut "for High Temperatures" geleitet von Vladimir Fortov in Moskau, profitieren von dieser Kooperation gleichermaßen, da die wissenschaftlichen Ergebnisse gemeinsam ausgewertet und publiziert werden. Bis Oktober 2011 konnten 29 Experimentserien – jede mit einer Länge von etwa einer Woche – auf der ISS durchgeführt werden; fast jede Crew an Bord hat Plasmakristallexperimente durchgeführt, darunter auch Thomas Reiter, der als ESA-Astronaut 2006 als erster Europäer auf einer Langzeitmission für etwa 6 Monate auf der ISS arbeitete.

Historie: Plasmakristall und sein Weg auf die ISS

Die Plasmakristallforschung, oder allgemeiner die komplexe Plasmaforschung, ist eine relativ junge Forschungsrichtung, die seit 1994 existiert und seitdem stark gewachsen ist. Ein Plasma ist ein ionisiertes Gas, also nach dem festen, dem flüssigen und dem gasförmigen Zustand der vierte und ungeordnetste Zustand der Materie. Ein „Plasmakristall“ ist ein ungewöhnlicher Zustand der Materie – eine Kristallisation in einem normalen Plasma ist nicht möglich. Nur durch die Zugabe von kleinen, festen Partikeln in der Größe von ca. einem Tausendstel Millimeter kann das Plasma kristallisieren. Die Partikel laden sich im Plasma durch die Wechselwirkung mit den freien Elektronen und Ionen auf, bis zu einigen tausend Elementarladungen auf einem einzigen Partikel. Sind genügend Partikel im Plasma, dann können diese sich durch die gegenseitige elektrostatische Abstoßung in regelmäßigen Strukturen anordnen. Durch diese Selbstorganisation können die Teilchen dann eine Flüssigkeit oder einen Festkörper, den sogenannten Plasmakristall bilden.

Das besondere an Plasmakristallen ist die Möglichkeit einzelne Partikel, also einzelne „Gitteratome“, dynamisch zu verfolgen und Vorgänge wie z. B. das Schmelzen oder die Bewegung von Gitterdefekten direkt untersuchen zu können. Dies ist möglich da die Partikel im Vergleich zu Atomen sehr groß sind und sich in sehr großen Abständen von ca. 1/10 mm anordnen. Zur Beobachtung reicht dann einfache Mikroskopie aus.

Da die Partikel groß und damit natürlich auch schwer sind, spielt die Schwerkraft bei der Erzeugung der Plasmakristalle eine bedeutende Rolle. Im Labor lassen sich nur kleine fast zweidimensionale Kristalle untersuchen. Größere Systeme benötigen Schwerelosigkeit, die natürlich auf der ISS hervorragend gegeben ist. Andere Möglichkeiten solche Experimente durchzuführen bieten Parabelflüge oder Forschungsraketen. Seit Beginn der Plasmakristallforschung am MPE 1992 galt das Ziel, dass Untersuchungen unter Schwerelosigkeit die Laborexperimente vervollständigen sollten. Seit 1996 führt das Institut Kurzzeit-Schwerelosigkeitsexperimente durch.

Nach dem zweiten Forschungsraketenexperiment im Februar 1998 bekam das MPE Besuch von Prof. Vladimir Fortov, Direktor eines großen Plasmaphysik-Institutes in Moskau und nebenbei zu diesem Zeitpunkt auch noch Minister für Forschung und Technologie im Kabinett von Präsident Jelzin. Fortov hatte eine komplexe Plasmagruppe an seinem Institut gegründet und bekam auch schnell die Möglichkeit, ein einfaches Experiment dazu auf der MIR-Station durchzuführen.

Nachdem Fortov die einmaligen Ergebnisse des Raketen-Experiments vorgeführt bekam, schlug er sofort vor, gemeinsam auf der MIR-Station zu experimentieren. Dazu sollte die schon weltraumerprobte Raketennutzlast leicht modifiziert und gemeinsam auf die MIR-Station gebracht werden. Dies brachte diese sehr fruchtbare Kooperation ins Rollen und es wurde mit der Adaption der Apparatur begonnen. Leider, oder doch eher zum Glück, wurde kurze Zeit später in Russland entschieden die MIR-Station aufzugeben, um sich ganz auf die neue Station ISS konzentrieren zu können. Damit ist das gemeinsame Plasmakristallexperiment nicht das letzte Experiment auf der MIR-Station, die dann auch im März 2001 bei ihrem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre teilweise verglühte und teilweise im Pazifischen Ozean versenkt wurde, sondern das erste auf der jungen Internationalen Raumstation ISS geworden.

PKE-Nefedov [1], so hieß dieses gemeinsame Labor, wurde im Februar 2001 auf die Raumstation gebracht und von der ersten Crew in Betrieb genommen. Es war bis 2005 in Nutzung. Es gilt wissenschaftlich als das erfolg- und ertragreichste Experiment auf der ISS. Seit 2006 ist das Nachfolgelabor PK-3 Plus [2] auf der ISS in Betrieb und liefert, wie sein Vorgänger, hervorragende Ergebnisse. Es soll bis 2013 betrieben werden, bis dann das Labor der dritten Generation (PK-4), diesmal in Kooperation zwischen ESA und ROSCOSMOS, auf dem Columbus-Modul in Betrieb genommen werden soll.

Ausgewählte wissenschaftliche Ergebnisse von 10 Jahren Forschung auf der ISS

Die komplexe Plasmaforschung ist durch ihre besonderen Eigenschaften sehr interdisziplinär. Untersuchungen von Festkörper-, Kolloid- und flüssigen Phänomenen lassen sich ebenso untersuchen, wie plasmaphysikalische Effekte. Die Plasmakristall-Laboratorien PKE-Nefedov und PK-3 Plus auf der ISS sind für diese Untersuchungen hervorragend geeignet und es soll hier ein Spektrum der Ergebnisse wiedergegeben werden, die dies belegen.

Kristalle und Flüssigkeiten

Wie der Name erkennen lässt, sind die Plasmakristall- (PK-) Laboratorien zur Untersuchung der Festkörpereigenschaften von großen 3-dimensionalen komplexen Plasmen gebaut worden. Wie schon erwähnt ist dabei ein Plasmakristall ein geordnetes und stabiles System von geladenen Mikropartikeln, die über ihre abgeschirmten Ladungen miteinander wechselwirken. Abhängig vom energetischen Zustand des Systems können sich verschiedene Kristallgitter ausbilden, die aus der Festkörperphysik bekannt sind: kubisch flächenzentrierte (fcc) und raumzentrierte Gitter (bcc), hexagonale Gitter (hcp), etc. Die kristalline Struktur kann lokal variieren, aber auch der Phasenübergang in den flüssigen Zustand kann beobachtet werden. Das macht die Plasmakristalle zum idealen Modellsystem, um solche Phänomene in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu untersuchen.

Die Themen zu Kristallstruktur, Kristallisation und Schmelzen ziehen sich über die letzten 10 Jahre Forschung auf der ISS hinweg und liefern immer wieder neue Einblicke in diese Physik. Mit PKE-Nefedov, dem ersten Langzeitlabor unter Schwerelosigkeit für diese Forschungsrichtung, war es zuerst nur möglich, kleinere Bereiche des komplexen Plasmas so zu verfestigen, dass man Plasmakristalle untersuchen konnte. Aber selbst hier konnte man schon die energetisch unterschiedlichen Strukturen fcc und bcc entdecken (Abb. 2, links) und untersuchen [1].

<strong>Abb. 2:</strong> Plasmakristalle: Erste Beobachtung von 3D Plasmakristallen in PKE-Nefedov, bestehend aus unterschiedlichen Strukturen die neb Bild vergrößern
Abb. 2: Plasmakristalle: Erste Beobachtung von 3D Plasmakristallen in PKE-Nefedov, bestehend aus unterschiedlichen Strukturen die nebeneinander koexistieren (links). Die Grafik oben zeigt alle Partikelpositionen von drei aufeinander folgenden Gitterebenen, in der oberen Ebene sind die nächsten Nachbarn verbunden mit Linien (Triangulation) um die Struktur besser aufzuzeigen. Die drei kleineren Grafiken zeigen Vergrößerungen um die unterschiedlichen Kristallstrukturen darzustellen. Die Doppelgrafik (rechts) zeigt Originalbilder von kristallinen Strukturen, die mit PK-3 Plus beobachtet wurden in zwei unterschiedlichen Vergrößerungen. Klar erkennbar ist, dass die gesamte Partikelwolke im Übersichtsbild kristallisiert ist.

In Experimenten mit PK-3 Plus, das gegenüber dem Vorgänger noch mal erheblich verbessert werden konnte, ist es möglich viel größere Systeme zu kristallisieren und auch den Kristallisations- und Schmelzvorgang zu untersuchen [3]. Hierzu wurden die Experiment-Parameter soweit geändert, dass sich eine zuerst flüssige Phase in eine kristalline Struktur umwandelt (Abb. 2, rechts) und danach wieder aufschmilzt. Diese Evolution der Struktureigenschaften konnte für unterschiedliche Teilchengrößen und somit unterschiedlichen Wechselwirkungspotenziale gezeigt werden. Theoretische Abschätzungen erlauben die wesentlichen Faktoren, die bei diesem Phasenübergang eine Rolle spielen, zu identifizieren.

Superkoagulation

Ein sehr interessantes Resultat, welches so nicht geplant war und eigentlich nicht direkt etwas mit komplexen Plasmen zu tun hat, konnte schon im ersten Jahr des Betriebs von PKE-Nefedov in 2001 gewonnen werden und zwar durch die direkte Einflussnahme des bedienenden Kosmonauten: Superkoagulation von Mikroteilchen in einem neutralen Gas.

<strong>Abb. 3: </strong>Zoo von gewachsenen Agglomeraten. Die einzelnen Agglomerate bestehen aus vielen 100.000 einzelnen Partikeln, die sich in eine
Abb. 3: Zoo von gewachsenen Agglomeraten. Die einzelnen Agglomerate bestehen aus vielen 100.000 einzelnen Partikeln, die sich in einem sehr schnellen Superkoagulationsprozess gebildet haben.

Der Kosmonaut führte eine Reihe von Experimenten durch, bei denen die Anzahl der Partikel im Plasma nach und nach manuell erhöht werden sollte. Bei diesem kritischen Prozess erlosch irgendwann das Plasma, was aber für den Kosmonauten nicht direkt sichtbar war. So schüttelte er weiterhin Partikel ein, jetzt aber in ein neutrales Gas. Was dabei passierte verblüffte nicht nur den Kosmonauten auf der ISS, sondern auch die Wissenschaftler am Boden – statt einzelner Mikrometer großer Partikel entstanden in kürzester Zeit Agglomerate in Millimeter-Größe. Dieser Versuch ergab zwei überraschende Erkenntnisse. Erstens enthielten die großen Agglomerate einige 100.000 Mikroteilchen (Abb. 3), wohingegen die vorhergesagte Koagulation aus nur zwei Partikeln bestehen sollte. Zweitens folgte die Größenverteilung der kleineren Klümpchen einem Potenzgesetz [4]. In der Physik deutet dies gewöhnlich darauf hin, dass ein besonderer „skalenfreier“ Prozess abläuft, d. h. die Größe der Agglomerate hängt nicht von der Energie der Teilchen ab. Dieser Prozess kann auch astrophysikalische Auswirkungen haben, da gerade der Bildungsprozess von kleinen Gesteinsbrocken aus Mikroteilchen im protoplanetaren Nebel um die Sonne während des Entstehungsprozesses der Planeten nicht geklärt ist. Es ist unwahrscheinlich, dass eine derartige Entdeckung auf der Erde gelungen wäre, da die Partikel in einem Schwerefeld innerhalb eines Sekundenbruchteils einfach aus dem Blickfeld herausgefallen wären.

Nicht-Gleichgewichts-Phasenübergänge in getriebenen Systemen

Sogenannte „offene“ Systeme sind Systeme, die Energie und Materie austauschen können. Eine bemerkenswerte Eigenschaft von nichtlinearen offenen Systemen ist die Selbstorganisation, eine spontane Entstehung von stabilen örtlichen (oder zeitlichen) Strukturen, welche häufig als „dissipative“ Strukturen bezeichnet werden, da die Dissipation eine konstruktive Rolle in ihrer Entstehung spielt.

<strong>Abb. 4:</strong> Nicht-Gleichgewichts-Phasenübergang in binären komplexen Plasmen: eine Teilchenart durchdringt die zweite und bildet Ketten.
Abb. 4: Nicht-Gleichgewichts-Phasenübergang in binären komplexen Plasmen: eine Teilchenart durchdringt die zweite und bildet Ketten.

Ein bemerkenswertes Beispiel eines nichtlinearen Phasenübergangs ist die Bildung von Ketten, einem Phänomen das in der Natur auftritt, wenn zwei Arten von „Körpern“ gegeneinander getrieben werden. Wenn die treibende Kraft stark genug ist, dann bilden die Körper, die gleich getrieben werden, Stromlinien und bewegen sich hintereinander in Ketten. Typischerweise weisen die Ketten eine erhebliche anisotrope strukturelle Ordnung auf, begleitet von einer Erhöhung ihrer (unidirektionalen) Mobilität. Das Phänomen wird am häufigsten bei der Bewegung von Fußgängern in überfüllten Fußgängerzonen beobachtet, kommt aber auch in anderen Systemen mit getriebenen Partikeln vor, wie kolloidalen Dispersionen, Gitter-Gasen und Molekülionen. In anderen Worten, dies ist ein universeller generischer Prozess von großem Interesse in verschiedenen Bereichen der Physik.

Das PK-3 Plus-Labor auf der ISS ist perfekt geeignet, um diese Art von Experimenten durchzuführen. Eine stabile Wolke von „großen“ Mikropartikeln wird gebildet und von „kleinen“ Partikeln, von der Seite injiziert, durchdrungen (Abb. 4). Aufgrund der unterschiedlichen Gleichgewichtslagen der großen und kleinen Teilchen durchdringen die kleinen Teilchen die Großen [5]. Abhängig von den Plasma-Bedingungen kann die Bewegung der einzelnen Teilchen einen Übergang zur Kettenbildung zeigen – die Partikel bewegen sich dabei hintereinander her. Dies ist die erste Beobachtung dieses Übergangs in komplexen Plasmen.

Elektrorheologische Plasmen

Als letztes Beispiel für interessante wissenschaftliche Ergebnisse von der ISS soll hier die elektrorheologische Kettenbildung gezeigt werden, da es das Potenzial für zukünftige Forschung unter Schwerelosigkeit aufzeigt. Elektrorheologie ist der Prozess, bei dem ein äußeres elektrisches Feld an ein flüssiges oder gasförmiges Kolloidsystem angelegt wird, was dessen Eigenschaften deutlich verändert, indem es die in der Flüssigkeit suspendierten Teilchen neu anordnet. Anders gesagt: Das Feld verändert die Struktur oder Rheologie des Kolloids. Es verändert seine Viskosität, Kompressibilität und das Schermodul. Die Flüssigkeit kann sogar eine feste Struktur annehmen. Dies geschieht, weil das elektrische Feld in den Partikeln des Kolloids Dipole induziert. Deren Felder führen zu einer neuen Anordnung und Ausrichtung der Teilchen und damit zu einer Änderung der Eigenschaften der Flüssigkeit. Der gesamte Prozess funktioniert, weil die suspendierten Teilchen elektroaktiv sind, während das umgebende Fluid neutral ist.

<strong>Abb. 5:</strong> Links: Normale flüssige Partikelverteilung. Rechts: Bildung einer Kettenflüssigkeit durch das Anlegen eines hohen elektrische
Abb. 5: Links: Normale flüssige Partikelverteilung. Rechts: Bildung einer Kettenflüssigkeit durch das Anlegen eines hohen elektrischen Wechselfeldes. Dies ist die erste Beobachtung von elektrorheologischen Eigenschaften eines komplexen Plasmas.

Um den besonderen Eigenschaften komplexer Plasmen gegenüber komplexer Flüssigkeiten Rechnung zu tragen war es notwendig, das elektrische Gleichstromfeld durch ein Wechselfeld zu ersetzten [6]. Es ist dann die Fokussierung der Ionenströme um die Partikel herum, anstelle der Ladungsseparation auf der Oberfläche der Partikel selber, die zur Anziehung der Teilchen entlang des elektrischen Feldes und damit zur Kettenbildung führt (Abb. 5).

Die hier gezeigte Möglichkeit, das binäre Wechselwirkungspotenzial zwischen den Partikeln auf solch einfache Weise von außen zu „steuern“ eröffnet viele neue Chancen, mit Komplexen Plasmen fundamental generische Prozesse experimentell zu erforschen. Vielleicht wird es sogar irgendwann gelingen „Designer-Systeme“ zu generieren, um ganz gezielt neue Materialeigenschaften zu erforschen oder sogar zu erzeugen. Um dies zu ermöglichen wird am MPE gerade eine Vorstudie zu neuen Plasmakammern für die Forschung auf der ISS durchgeführt.

Danksagungen

Gefördert von der Raumfahrt-Agentur des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt e. V. mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter den Förderkennzeichen 50WM9852, 50WP0203, 50WM1203, 50WP0204, 50WM0804, 50WM1150, 50WM0038und 50WP0700. Weiterhin danken wir ESA und unserem Industriepartner Kayser-Threde sowie unseren russischen Partnern vom Joint Institute for High Temperatures, ROSCOMOS, RKK-Energia und den Kosmonauten.

1.
Nefedov, A. P.; Morfill, G. E.; Fortov, V. E.;Thomas, H. M.; Rothermel, H.; Hagl, T.; Ivlev, A. V.; Zuzic, M.; Klumov, B. A.; Lipaev, A. M.; Molotkov, V. I.; Petrov, O.F.; Gidzenko, Y. P.; Krikalev, S. K.; Shepherd, W.; Ivanov, A. I.; Roth, M.; Binnenbruck, H.; Goree, J. A.; Semenov, Y. P.
PKE-Nefedov: Plasma crystal experiments on the International Space Station
2.
Thomas, H. M.; Morfill, G. E.; Fortov, V. E.; Ivlev, A. V.; Molotkov, V. I.; Lipaev, A. M.; Hagl, T.; Rothermel, H.; Khrapak, S. A.; Suetterlin, R. K.; Rubin-Zuzic, M.; Petrov, O. F.; Tokarev, V. I.; Krikalev, S. K.
Complex plasma laboratory PK-3 plus on the international space station
3.
Khrapak, S. A.; Klumov, B. A.; Huber, P.; Molotkov, V. I.; Lipaev, A. M.; Naumkin, V. N.; Thomas, H. M.; Ivlev, A. V.; Morfill, G. E.; Petrov, O. F.; Fortov, V. E.; Malentschenko, Y.; Volkov, S
Freezing and Melting of 3D Complex Plasma Structures under Microgravity Conditions Driven by Neutral Gas Pressure Manipulation
4.
Konopka, U.; Mokler, F.; Ivlev, A. V.; Kretschmer, M.; Morfill, G. E.; Thomas, H. M.; Rothermel, H.; Fortov, V. E.; Lipaev, A. M.; Molotkov, V. I.; Nefedov, A. P.; Baturin, Y. M.; Budarin, Y.; Ivanov, A. I.; Roth, M.
Charge-induced gelation of microparticles
5.
Sütterlin, K. R.; Wysocki, A.; Ivlev, A. V.; Räth, C.; Thomas, H. M.; Rubin-Zuzic, M.; Goedheer, W. J.; Fortov, V. E.; Lipaev, A. M.; Molotkov, V. I.; Petrov, O. F.; Morfill, G. E.; Löwen, H.
Dynamics of lane formation in driven binary complex plasmas
6.
Ivlev, A. V.; Morfill, G. E.; Thomas, H. M.; Räth, C.; Joyce, G.; Huber, P.; Kompaneets, R.; Fortov, V. E.; Lipaev, A. M.; Molotkov, V. I.; Reiter, T.; Turin, M.; Vinogradov, P.
First Observation of Electrorheological Plasmas
 
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