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PK-3 und PK-E Plus - Plasmakristall-Apparaturen zur Erforschung Komplexer Plasmen (abgeschlossen)

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  • Kosmonaut Valery I. Tokarev mit der PK%2d3%2dPlus%2dAnlage

    Kosmonaut Valery I. Tokarev mit der PK-3-Plus-Anlage

  • Thomas Reiter forschte mit der PK%2d3%2dPlus%2dApparatur

    Thomas Reiter forschte mit der PK-3-Plus-Apparatur

    Der deutsche ESA-Astronaut Thomas Reiter forschte mit Hilfe der PK-3-Plus-Apparatur im russischen Swesda-Modul der ISS an der Entstehung von komplexen Plasmen unter Schwerelosigkeit.

Hintergrund und wissenschaftliche Ziele:

Plasmen gelten eigentlich als der ungeordnetste Zustand der Materie. Die sichtbare Materie im Universum besteht zu circa 99 Prozent daraus - auch die Sonne, Blitze und Nordlichter. Ein komplexes Plasma, wie beispielsweise in den Saturnringen oder Kometenschweifen, besteht aus einem Niedertemperaturplasma - einem elektrisch geladenen Gas mit freien Elektronen und Ionen, wie etwa das Leuchtmittel in einer Leuchtstoffröhre - und kleinen Partikeln ("Staub") von einigen Mikrometern Größe. Die Partikel werden in dem Gas elektrostatisch aufgeladen und treten miteinander in Wechselwirkung. Beide Reaktionspartner verhalten sich dabei wie ein Stoff. Abhängig von den Experimentbedingungen - variiert werden das plasmaerzeugende elektrische Feld und der Gasdruck - verändert ein solches komplexes Plasma seine Struktur und verhält sich wie eine Flüssigkeit, ein Gas oder bei dreidimensionaler regelmäßiger Anordnung der Partikel wie ein Kristall. Diese geordnete Struktur bezeichnet man daher auch als "Plasmakristall". Sie konnte erstmals 1994 experimentell nachgewiesen werden. Neben ihrer Bedeutung in der Astronomie sind Plasmen auf vielen Gebieten wie etwa in der Beleuchtungstechnik, Oberflächentechnik, Werkstoffverarbeitung, Hygiene oder Medizin technisch von großer Bedeutung. Plasmakristalle können sich wie ein "normales" Material mit den Aggregatzuständen gasförmig - flüssig - fest verhalten, weisen aber besondere Eigenschaften auf: Die Teilchen sind groß genug, um ihre Dynamik mit einfachen Mikroskop-Techniken zu verfolgen. Die Vorgänge lassen sich gut beobachten, weil sie wegen der großen Teilchenmasse langsam ablaufen und das Plasma-bildende Edelgas sehr dünn ist. So werden die Teilchen in ihrer Bewegung nicht gedämpft.

Für ein gewöhnliches Plasma ist die Schwerkraft von untergeordneter Bedeutung. Ein komplexes Plasma reagiert jedoch aufgrund der hundert Milliarden Mal größeren Masse der eingebrachten Mikropartikel im Vergleich zu Elektronen und Ionen sehr empfindlich auf die Schwerkraft: Die Partikel sinken ab und stauchen das komplexe Plasma in Richtung der Schwerkraft. Daher ist ein Plasmakristall auf nur wenige Gitterebenen begrenzt. Nur unter Schwerelosigkeit können große, dreidimensionale Strukturen ungestört kreiert und erforscht werden. Hierbei interessieren die Wissenschaftler einerseits die physikalischen Eigenschaften des komplexen Plasmas. Andererseits dient es wegen seines Verhaltens als Modell für "normale" Materialien, da strukturelle Veränderungen von "Atom" zu "Atom" beobachtet werden können. So interessieren sich die Forscher dafür, wie sich Wellen ausbreiten, wie sich Flüssigkeiten mischen, wie ein Flüssigkeitswirbel entsteht oder wie ein Kristall schmilzt. Besondere Aufmerksamkeit widmen sie dem Übergang von flüssig zu gasförmig und dem kritischen Punkt, an dem der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Gas verschwindet. Die Untersuchung kalter staubiger Plasmen im Labormaßstab ist heute ein etabliertes und gleichzeitig zukunftsträchtiges Gebiet der physikalischen Grundlagenforschung. Schwerelosigkeit ist vor allem für die Erforschung ungestörter dreidimensionale Plasmakristalle erforderlich. Die Untersuchung dieser Phänomene anhand großer kristalliner Plasmastrukturen mit den Forschungsanlagen PK-3 und PK-3 Plus war Schwerpunkt der ISS-Experimente.

Anlagenbeschreibung:

Herz der Anlagen ist die Plasmakammer mit 400 Milliliter Volumen. Zwischen zwei Plattenelektroden von sechs Zentimetern Durchmesser und drei Zentimetern Abstand erzeugt ein Hochfrequenzgenerator ein Argon- oder Neonplasma. Aus insgesamt sechs Dispensoren in den geerdeten Schutzringen lassen sich Teilchen eines definierten Durchmessers (ein bis 20 Mikrometer) in das Plasma schütteln. Der Kammerdruck und die Generatorleistung können zwischen 0,1 und zwei Millibar beziehungsweise 0,01 und vier Watt variiert werden. Die Teilchenwolke kann durch einen Funktionsgenerator mit Hilfe eines niederfrequenten Signals an den Elektroden (0,1 bis zehn Hertz bei maximal 50 Volt) oder mit verschiedenen Wellenformen angeregt werden. Beobachtet werden die Teilchen in einem ein bis 1,5 Millimeter breiten Laserlichtschnitt mit vier Videokameras, von denen eine das gesamte Volumen scannen kann. Die Experimentkammer mit ihren peripheren Geräten sowie Elektronik und Experimentrechner sind in einem zylindrischen Container eingebaut. Diese Experimentapparatur ist mit der Kontrollkonsole für den Astronauten - der sogenannten Telescience-Apparatur - verbunden. Von ihr aus können sowohl vorprogrammierte als auch manuell gesteuerte Experimente durchgeführt werden. Die gewonnenen Daten werden auf vier Videorekordern gespeichert und deren Festplatten mit Sojus zeitnah zur Erde zurücktransportiert.

Status:

Die Anlage PK-3, die in Deutschland im Auftrag vom DLR mit den Mitteln des Bundesministeriums für Forschung und Technologie (BMBF) gebaut wurde, war 2001 die erste betriebene Forschungsanlage auf der ISS. Im Jahr 2006 folgte dann Nachfolgemodell PK-3 Plus. Der russische Kooperationspartner stellte für beide Anlagengenerationen die ISS-Ressourcen einschließlich den Transport zur Raumstation bereit. Während der bis zum Juli 2013 andauernden zwölf Jahren kontinuierlicher Forschung sind über einhundert Einzelexperimente in 34 jeweils drei- bis viertägigen Experimentserien erfolgreich durchgeführt worden. Die federführenden deutschen und russischen Wissenschaftler von Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) und dem Joint Institute for High Temperatures (JIHT) haben kooperativ weitere Wissenschaftler aus Deutschland, Frankreich und Japan in das Forschungsprogramm einbezogen.

Ergebnisse:

Mehr als 70 Veröffentlichungen unter Verwendung der ISS-Daten liegen bisher vor. Die meisten davon sind in wissenschaftlichen Journalen erschienen. Diese Bilanz wird von keinem anderen Raumstationsexperiment erreicht. Durch die Breite des Forschungsfeldes sind die experimentellen Ergebnisse auf der ISS auch sehr vielfältig. Sie haben die Plasmaphysik bereichert (Verbesserung der Ionenreibungstheorie), bieten die Basis für neue Theorien über frühe Phasen der Planetenentstehung (Anhäufung von Mikroteilchen durch ladungsinduzierte Gelbildung) und enthüllten neue Details zu Phasenübergängen (direkte Analyse einer Kristallisationsfront und deren Dynamik, Entmischung von binären Flüssigkeiten, Ausbildung elektrorheologischer Fluide). Neben der Grundlagenforschung bilden neue Technologien, die für die Forschungsapparaturen auf der ISS entwickelt wurden, bereits heute die Basis für die Anwendung im Bereich der Plasmahygiene und Plasmamedizin (Spin-offs zur bakterienabtötenden Wirkung von Plasmen, Behandlung chronischer Wunden in Kliniken).

Perspektiven für Forschung und Anwendung:

Die gewonnen Grundlagenerkenntnisse haben ein weitreichendes, interdisziplinäres Anwendungspotenzial. Beispiele sind die Entwicklung von Designermaterialien auf dem Gebiet der Weichen Materie (Kolloide, Gele, Granulate) sowie industrielle Plasmatechnologien (Beschichtungsprozesse von Flachbildschirmen, Solarzellen, Microchips), bei denen staubige Verunreinigungen störend wirken. Die nächste Anlagengeneration PK-4 wurde im ESA-Programm entwickelt und soll im Sommer 2014 zur ISS gebracht werden. Ihr Betrieb, der kooperativ mit Roskosmos erfolgt, ist 2015 im Columbus-Modul geplant. Während mit der PK-3-Anlagensgeneration der Schwerpunkt auf der Untersuchung kristalliner komplexer Plasmen lag, ist PK-4 speziell für Experimente im flüssigen Zustand eines solchen Plasmas geeignet.

Start: 26. Februar 2001 / PK-3 mit Progress 3P
21. Dezember 2005 / PK-3 Plus mit Progress 20P
ISS-Zeitraum PK-3: März 2001 bis Ende 2005
PK-3 Plus: Januar 2006 bis Juli 2013
Unterbringung Zunächst temporär während der Experimentdurchführung im Transfermodul zwischen den beiden Modulen Swesda und Sarja, ab Mitte 2010 permanent im Poisk-Modul (Miniforschungsmodul MIM-2)
Experimentator Prof. Dr. Gregor Morfill; Prof. Dr. Vladimir E. Fortov
Einrichtung MPI für extraterrestrische Physik (MPE), Garching; Joint Institute for High Temperatures (JIHT), RAS, Moscow
Bereich Plasmaphysik
Partner DLR, Roskosmos, RKK Energija

 

Zuletzt geändert am:
03.07.2014 12:10:03 Uhr