Komplexe Plasmen

Komplexe Plasmen

Plasmakristalle können sich unter bestimmten Voraussetzungen in komplexen (''staubigen'') Plasmen bilden. (Was ist ein Plasma?) Dabei ordnen sich die im Plasma elektrisch geladenen Staubpartikel in einem regelmäßigen, makroskopischen Gitter an. Plasmakristalle ermöglichen damit die Untersuchung der Festkörpereigenschaften auf dem funda­mental­sten Level, dem kinetischen. Das bedeutet, grund­legende Prozesse, wie z.B. das Schmelzen, können erstmals durch die Beobachtung der Bewegung einzelner Teilchen studiert werden. Seit ihrer Entdeckung im Labor 1994 ist das Interesse an Plasmakristallen in theoretischer und experi­mentel­ler Hinsicht sehr stark gewachsen, was sich in einem exponentiellen Anstieg der Zahl der Ver­öf­fent­lichungen auf diesem Gebiet zeigt.

Das Bild rechts zeigt einen Plasmakristall im Labor (Seitenansicht). Staubteilchen schweben in einem Argon-Plasma über einer Hochfrequenz-Elektrode (unten). Der Bildausschnitt beträgt horizontal ca. 2 cm. (Vergrößern.) Wenn Sie das Bild mit dem Mauszeiger berühren, sehen Sie eine Draufsicht auf eine Kristallebene. (Javascript muss aktiviert sein.) Man beachte die regelmäßige Anordnung der Teilchen.

Die Schwerkraft spielt eine besondere Rolle im Aufbau von Plasmakristallen. Unter den Schwer­kraft­bedingungen im Labor lassen sich im wesentlichen nur zweidimensionale Plasmakristalle bilden. Dies liegt an der Sedimentation der Mikropartikel, die man verwendet, um den Kristall aufzubauen.

Unter Schwerelosigkeit lassen sich große, dreidimensionale Plasmakristalle bilden. Deshalb betreibt unser Institut, neben der Erforschung von Plasmakristallen im Labor, auch Forschung unter Schwerelosigkeit, etwa auf Parabelflügen und Raketenexperimenten, als komplementäres Standbein zur Laborforschung. 

Im März des Jahres 2001 wurde das Plasmakristall-Experiment PKE-Nefedov unseres Instituts in Zusammenarbeit mit der russischen Raumfahrtagentur und dem Institut für hohe Energiedichten (IHED, heute ''Joint Institute for High Temperatures'', JIHT), Moskau, als eines der ersten wissenschaftlichen Experimente überhaupt an Bord der neuen Internationalen Raumstation ISS durchgeführt. Insgesamt konnten im Orbit 45 Experimente mit komplexen Plasmen erfolgreich durchgeführt werden. Im August 2005 wurde PKE-Nefedov außer Dienst gestellt.

Komplexe Plasmen im Weltraum

Seit Dezember 2005 befindet sich das Nachfolgemodell von PKE-Nefedov an Bord der Internationalen Raumstation: PK-3 Plus.

(Bild links: Missionsemblem ©MPE/MK. Klicken Sie auf das Bild für eine Beschreibung.)

Es wurde von der Mannschaft Expedition 12 (William McArthur, Valery Tokarev) im Januar 2006 in Betrieb genommen. Mehr hierzu siehe 'Aktuelles (2006)'.

PK-3 Plus setzt die Erfolgsgeschichte von PKE-Nefedov fort. Viele Neuerungen im Aufbau versprechen völlig neue Ergebnisse mit höherer Genauigkeit und damit einen noch tieferen Einblick in die Physik komplexer Plasmen.


Im MPE wird auch bereits an der nächsten Generation von Ex­peri­menten mit komplexe Plasmen gearbeitet: PK-4. Im Gegensatz zu PKE-Nefedov und PK-3 Plus verwendet PK-4 eine Gleich­spannungs-Glimm­entladung um das Plasma zu erzeugen. Wohingegen die ersten Experimente optimiert für das Studium von Plasmakristallen waren, ist PK-4 ideal für die Untersuchung von Flüssigkeiten auf dem kinetischen Level individueller Teilchen. Das Experiment befindet sich zur Zeit in der Entwicklungsphase und soll 2013 auf die Raumstation gebracht werden. Dort wird es im euro­päischen Modul ''Columbus'' (Bild: NASA) installiert und betrieben werden.

Entwicklung und Bau der Plasmaexperimente für die Internationale Raumstation werden von der europäischen Raumfahrtagentur ESA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR gefördert.

Komplexe Plasmen im Labor

Neben den laufenden Experimenten in Schwerelosigkeit betreibt das MPE auch zahlreiche Plasmakammern im Labor auf der Erde. So stehen ein Paramagnet-Labor und ein Hochfeld-Labor zur Verfügung, wo in letzterem komplexe Plasmen mit Magnetfeldern bis zu 4 Tesla untersucht werden können. Plasmakammern mit adaptiven Elektroden und Streifenelektroden erlauben das Manipulieren der Teilchen durch zusätzliche elektrische Felder. Eine Thermophoresekammer ermöglicht außerdem die Untersuchung von Plasmakristallen bei verschiedenen Temperaturen.

Weiterhin befasst sich eine Gruppe mit der medizinischen Anwendung von Niedertemperaturplasmen. In Zusammenarbeit mit einer münchner Klinik wird die Anwendung einer Plasmakanone zur quasi kontaktfreien Sterilisation z.B. von Wunden untersucht.