Staubstrukturen und Lasermanipulation in Komplexen Plasmen unter Schwerelosigkeit



Plasma - das heißeste Glied in der Serie fest, flüssig, gasförmig, ionisiert - gilt allgemein als der ungeordnetste Materiezustand. Plasma ist der Stoff, aus dem Blitze, Nordlichter oder das leuchtende Medium in der Energiesparlampe und in Plasmabildschirmen bestehen. Oft findet man kleine Staubpartikel im Plasma - man spricht dann von Staubigen oder Komplexen Plasmen, in denen sich die Partikel im Labor trotz der hohen Temperatur zu regelmäßigen Mustern zusammenfügen können, so genannten Plasmakristallen.

Diese stellen seit zehn Jahren ein interessantes Forschungsgebiet dar, in dem man durch direkte Beobachtung der Bewegung der Staubpartikel mit einem Videomikroskop Prozesse wie Wellenvorgänge oder das Schmelzen eines festen Körpers verfolgen kann. Plasmen, die Partikel von submikrometer Größe enthalten, sind ebenfalls von praktischer Bedeutung für die Erzeugung von Nanopulvern, für die Fertigung von Computerchips oder für die Herstellung neuartiger Solarzellen.

Wie funktioniert ein Plasmakristall? Im Gegensatz zu Kristallen aus neutralen Atomen, in denen die Atome dicht gepackt sind und sich durch anziehende Wechselwirkungen zusammenhalten, bestehen Plasmakristalle aus elektrisch gleichartig geladenen Staubpartikeln, die sich untereinander abstoßen und die durch eine äußere elektrische Falle eingeschlossen werden. Dadurch nehmen die Staubpartikel untereinander die größtmöglichen Abstände ein und der Kristall wird so transparent, dass man die Bewegung aller Partikel sieht, was in echten Festkörpern unmöglich ist.

Diese Art von Untersuchungen war bisher auf nahezu zweidimensionale Plasmakristalle beschränkt, weil die Wolke aus Staubpartikeln unter dem Einfluss der Schwerkraft zu einem flachen "Pfannkuchen" zusammengedrückt wurde. Hier hilft nun das Experimentieren unter Schwerelosigkeit, wo man dreidimensional ausgedehnte Partikelwolken erzeugen kann. Seit mehreren Jahren wird versucht, unter Schwerelosigkeit echte voluminöse Plasmakristalle zu erzeugen. Dabei müssen aber erst andere störende Effekte verstanden und beseitigt werden. Zu diesen gehört sowohl das Auftreten von unerwünschten Hohlräumen im Zentrum der Staubwolke, als auch das Einsetzen von Wellenphänomenen im Komplexen Plasma.

Das Plasma-Experiment für den 7. DLR-Parrabelflug ist eine Kooperation der Universitäten Kiel und Greifswald. Für die Untersuchungen wird eine Kombination aus optischen und elektrischen Messungen innerhalb solcher Wolken aus Mikropartikeln benutzt. Diese geben Aufschluss über die Dichte und Temperatur des Plasmas, über die elektrischen Felder im Plasma und die resultierende Anordnung der Mikropartikel.

Eine wichtige Frage ist hierbei, warum sich im Zentrum des Kristalls spontan ein großer Hohlraum bildet und wie man das vermeiden kann. Direkte Messungen der Kräfte auf die Staubwolke im Plasma können über das Verschieben einzelner Partikel mit Hilfe eines Manipulationslasers erfolgen. Darüber hinaus dient der Parabelflug zur Erprobung des Lasersteuerungssystems als auch des Positionier- und Mess-Systems, mit dem eine feine Drahtsonde gezielt durch das komplexe Plasma geführt wird. Diese Mess-Systeme stellen eine Vorentwicklung für geplante Experimente auf der Internationalen Raumstation ISS dar.


Kontakt
Prof. André Melzer
Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald

Institut für Physik

Tel: +49 3834 864790

E-Mail: melzer@physik.uni-greifswald.de
Prof. Alexander Piel
Christian-Albrechts-Universität Kiel

Institut für Experimentelle und Angewandte Physik

Tel: +49 431 880-3835

E-Mail: piel@physik.uni-kiel.de
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