PKE - Plasma-Kristall Experiment



PKE Plasma-Kristall Experiment

Plasma-Kristall Experiment

PKE ist Synonym für eine Experimentieranlage auf der Internationalen Raumstation (ISS) sowie das dazugehörige Forschungsprogramm zu Komplexen Plasmen. Im Rahmen dieses deutsch-russischen Kooperationsprojektes wurde das erste naturwissenschaftliche Experiment auf der ISS im Februar 2001 mit Unterstützung durch die erste permanente Crew realisiert. Bis Anfang 2004 sind weitere neun Experimentläufe von mehreren internationalen Besatzungen absolviert worden.

Die oben genannte Experimentieranlage "PKE Nefedov" wurde im Auftrag des DLR in Deutschland entwickelt. Der russische Partner Energya/Rosaviakosmos transportierte sie zur ISS, stellte die Unterbringung in der Luftschleuse zwischen den Raumstionsmodulen „Zarya" und „Zvezda“ sicher und liefert seitdem alle weiteren Ressourcen zum Betrieb der Anlage einschließlich des Transportes von Anlagenkomponenten zwischen Erde und Orbit.

Die wissenschaftliche Kooperation erfolgt in erster Linie zwischen den Initiatoren des Forschungsprogramms, dem MPE (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching) und dem IHED (Institute for High Energy Density Research, Russische Akademie der Wissenschaften, Moskau). Das Experimentalprogramm wurde während einer französischen „Taxi-Mission“ zur ISS im Herbst 2001 trilateral erweitert.

Im Zentrum des PKE Programms steht die Untersuchung von Niedertemperatur-Plasmen, deren Zusammensetzung komplex durch Hinzufügen von festen Partikeln (Plastikkugeln mit einigen Mikrometer Durchmesser) gestaltet ist. Im ionisierten Gas (Plasma), bestehend aus freien Elektronen, Ionen und einer verbleibenden Neutralgaskomponente, führt das Einbringen von Mikropartikeln zu deren elektrostatischer Aufladung und in Folge zu charakteristischen Wechselwirkungen untereinander. Unter bestimmten Bedingungen platzieren sich die Partikel geometrisch in Form einer Kristallstruktur – dem Plasmakristall. Dieser Materiezustand wurde erst 1994 im terrestrischen Labor entdeckt. Inzwischen hat das Forschungsgebiet weltweit ein sprunghaftes Interesse erfahren.

Für ein gewöhnliches Plasma ist die Schwerkraft ein von untergeordneter Bedeutung. Aufgrund der hundert Milliarden mal größeren Masse der eingebrachten Mikropartikel im Vergleich zu Elektronen und Ionen reagiert ein Komplexes Plasma jedoch empfindlich auf Schwerkraft durch Sedimentation der Partikel – der Plasmakristall wird vertikal gestaucht und ist auf wenige Gitterebenen begrenzt. Nur unter Schwerelosigkeit können große dreidimensionale Strukturen ungestört erforscht werden.

In Abhängigkeit von den Plasmaparametern lassen sich neben kristallinen auch Strukturanalogien zu Gasen und Flüssigkeiten einstellen, Phasenübergänge wie Schmelzen/Erstarren simulieren, Grenzflächenphänomene (Partikel verschiedener Größe) und die Ausbreitung von Wellen studieren. Mittels Laserlicht und Videokameras können Position und Geschwindigkeit jedes einzelnen Partikels leicht erfasst und aufgezeichnet werden. Dadurch gelingen physikalische Untersuchungen auf fundamentalem, dem kinetischen Niveau.

Komplexe Plasmen sind in der Natur (interstellare Molekülwolken, planetare Ringsysteme, Kometenschweif) weit verbreitet und in der Plasmatechnologie häufig als störende "staubige" Plasmen anzutreffen. Neben der Bedeutung für die Grundlagenforschung in der Fluid-, Festkörper- und Astrophysik zeichnen sich für Komplexe Plasmen langfristig auch Anwendungspotenziale ab, z. B. bei der gezielten Manipulation von Partikeln im plasmakristallinen Zustand zur Beschichtung von Substraten.

Die wissenschaftliche Ausbeute der Experimente mit "PKE Nefedov" lässt schon heute den Wunsch reifen, ein eigens dafür ausgerüstetes “Plasma-Labor” auf der ISS zu betreiben. Ein derartiges Projekt wurde vom DLR unter dem Namen IMPF – International Microgravity Plasma Facility als Konzeptionsstudie bereits gefördert und befindet sich heute bei der ESA als Projekt IMPACT (International Multiuser Plasma, Atmospheric, and Cosmic Dust Facility) in der Entwurfsphase. Im Mittelfristzeitraum wird auf dem russischen Raumstationssegment ab 2005 die Apparatur PK-3 PLUS zum Einsatz kommen, die gegenwärtig im Auftrag des DLR entwickelt wird. Als Nachfolger von "PKE Nefedov" wird diese Anlage über ganzes Spektrum erweiterter Anregungs-, Manipulations- und Diagnosemöglichkeiten verfügen.


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