Spektakuläres Ende für Plasmakristallexperiment
Dieses Bild wurde während des letzten Experiments mit PK-3 Plus auf der Internationalen Raumstation ISS aufgenommen. Zu sehen sind einige „große“ Teilchen mit ca. 1 mm Durchmesser, die versehentlich in die Experimentkammer gelangten, aber zu interessanten Wechselwirkungen mit den kleineren Teilchen führten.
Grundlagenforschung an Plasmakristallen (hierfür steht die Abkürzung PK im Namen des Labors) bzw. allgemeiner die komplexe Plasmaforschung beschäftigt sich mit einem relativ kürzlich entdeckten Zustand der Materie. Bei der Erforschung staubiger Plasmen, wie sie beispielsweise an den Grenzschichten zwischen Erdatmosphäre und dem Raum zwischen Sonne und Erde auftreten, entdeckten die Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in den 1990er Jahren, dass hier ganz neue Effekte auftreten. Obgleich ein Plasma (ein ionisiertes Gas) der vierte und ungeordnetste Zustand der Materie ist, lässt sich mithilfe von kleinen Teilchen im Plasma eine Ordnung herstellen. Die Teilchen haben dabei eine Größe von einem tausendstel Millimeter und bilden Strukturen, die flüssige bzw. auch kristalline Eigenschaften aufweisen können.
Mit dem komplexen Plasma wird dabei ein Modellsystem erzeugt, das für viele Bereiche der Physik interessante Grundlagen und Einblicke liefern kann. Da die Teilchen hierbei relativ groß sind, kann man z.B. im Plasmakristall jedes einzelne Gitterteilchen beobachten und dynamisch verfolgen. Dadurch erhalten die Forscher Einblick auf der fundamentalsten, der kinetischen Ebene. Phasenübergänge wie das Schmelzen und die Kristallisation, oder auch die Entmischung von binären Systemen können damit im Detail untersucht werden.
Kosmonaut Pavel Vinogradov bediente im Juni 2013 den Kontrollcomputer des PK-3 Plus Labors auf der ISS. Vorne links ist der Container zu sehen, in dem das Labor untergebracht war.
Auf der Erde können aufgrund der Masse der Teilchen und ihrer Sedimentation im Schwerefeld nur 2-dimensionale oder gestresste 3-dimensionale Systeme untersucht werden. Deshalb wurden schon früh Experimente in Schwerelosigkeit durchgeführt. Komplementär zu der bodengebunden Forschung konnte ein Team von russischen und deutschen Wissenschaftlern bereits 2001 das erste Labor für diese Forschung auf die Internationale Raumstation bringen. Bilateral finanziert von Russland und Deutschland (DLR/BMWi) und gebaut von der deutschen Raumfahrtfirma Kayser-Threde und dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik war diese Forschung so erfolgreich, dass umgehend das Folgelabor PK-3 Plus in Auftrag gegeben wurde. Das erste Experiment PKE-Nefedov wurde dann Ende 2005 von dem neuen Labor auf der ISS abgelöst.
PK-3 Plus, welches ebenso vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und dem Münchner Raumfahrtunternehmen Kayser-Threde entwickelt, gebaut und betreut wurde, konnte den großen Erfolg des ersten Labors sogar noch ausbauen. Die Wissenschaftler konnten mit Experimenten belegen, dass das komplexe Plasma ein neuer Zustand der sogenannten weichen Materie ist, zu der auch granulare Medien, Kolloide in flüssigen Suspensionen usw. zählen. Diese Erkenntnis eröffnete ein großes Spektrum von neuen wissenschaftlichen Themen und deutet auf eine lange und vielversprechende Forschungszukunft hin.
Die Technologie zur Erzeugung kalter Plasmen wird inzwischen auch für medizinische Zwecke verwendet. In der weltweit ersten klinischen Studie hierzu konnten die beteiligten Wissenschaftler und Ärzte nachweisen, dass das Plasma nicht nur keimtötende sondern auch wundheilende Wirkungen besitzt.
Das letzte Experiment mit PK-3 Plus fand am 14. Juni 2013 auf der ISS statt; hierbei reizten die Forscher die Apparatur bis an ihre Grenzen aus. Kosmonaut Pavel Vinogradov schüttelte Teilchen in nie dagewesener Zahl in das Plasma ein und dabei gelangten auch versehentlich einige große Kügelchen von ca. 1 mm Durchmesser in die Experimentierkammer. Die Wechselwirkung dieser „riesigen“ Kügelchen mit den dichten Wolken der „kleinen“ Partikel war spektakulär anzusehen und lieferte interessante Informationen. Damit diese Kügelchen immer wieder durch das komplexe Plasma schwebten (siehe Bild), war der Kosmonaut außerdem angehalten immer wieder an das in einem Container befindliche Labor zu stoßen, und so erhielten die Wissenschaftler auf der Erde immer wieder neue Bilder und Daten, die jetzt noch im Detail ausgewertet werden müssen.
Ehrung für Technologie aus der Grundlagenforschung zur Anwendung: Aus einem physikalischen Grundlagenexperiment entsteht die „Top Medical Application“ der ISS, eine Entwicklung die nicht vorhersehbar war.
Neben den vielen interessanten Themen in der physikalischen Grundlagenforschung entwickelte sich aufbauend auf dem Wissen des Weltraumexperiments aber auch eine Anwendung auf einem gänzlich anderen Gebiet – eine Entwicklung, die anfangs nicht vorhersehbar war. Die technologische Entwicklung zur Erzeugung kalter Plasmen führte zu Geräten und Anwendungen in dem neu entstandenen Bereich der „Plasmamedizin“. Dies beruht auf dem keimtötenden Effekt des kalten, atmosphärischen Plasmas (CAP), das Bakterien, Viren, Pilze und Sporen jeglicher Art in kürzester Zeit abtötet. Gleichzeitig werden andere Zellen, wie z.B. normale Hautzellen nicht beeinflusst. In einer fächerübergreifenden Kooperation untersuchte die Gruppe am MPE in der weltweit ersten klinischen Studie die Wirkung des CAP auf chronische Wunden und konnte damit nicht nur den sterilisierenden Charakter des Plasmas nachweisen sondern auch, dass die Wundheilung durch diese Behandlung gefördert/unterstützt wird (siehe Bild).
Dieser Transfer von der Grundlagenforschung im Weltraum zur Anwendung auf der Erde wurde im Juli bei einer Konferenz zu Wissenschaft und Entwicklung auf der ISS in Denver von der American Astronautical Society mit einem Preis ausgezeichnet. Ein großer Erfolg für die wissenschaftlichen Partner aus Deutschland und Russland und für die beteiligten Raumfahrtagenturen DLR und ROSKOSMOS.