Nichtlineare Wellen in staubigen Plasmen unter Schwerelosigkeit



Plasma ist ein elektrisch geladenes Gas und neben fest, flüssig, gasförmig der vierte bekannte Aggregatzustand. Es gilt allgemein als der ungeordnetste Materiezustand. Plasma ist der Stoff, aus dem Blitze, Nordlichter oder das leuchtende Medium in Energiesparlampen und Plasmabildschirmen bestehen. Oft findet man kleine Staubpartikel im Plasma - man spricht dann von staubigen oder komplexen Plasmen.

In diesen komplexen Plasmen können sich die Partikel im Labor zu regelmäßigen Strukturen zusammenfügen -  es entstehen so genannte Plasmakristalle. Diese stellen seit einigen Jahren ein interessantes Forschungsgebiet dar. Denn hier können die Wissenschaftler die Bewegung der Staubpartikel direkt mit einem Videomikroskop beobachten und Prozesse wie Wellenvorgänge oder das Schmelzen eines festen Körpers verfolgen. Plasmen, die Partikel von Submikrometer Größe enthalten, sind ebenfalls von großer Bedeutung für das Verständnis der Planetenentstehung, aber auch ganz praktisch für die Erzeugung von Nanopulvern, die Fertigung von Computerchips oder die Herstellung neuartiger Materialoberflächen.

Im Gegensatz zu Kristallen aus neutralen Atomen, in denen die Atome dicht gepackt sind und durch anziehende Wechselwirkungen zusammenhalten, bestehen Plasmakristalle aus elektrisch gleichartig geladenen Staubpartikeln, die sich untereinander abstoßen und nur durch eine äußere elektrische Falle zusammengehalten werden. Dadurch nehmen die Staubpartikel die größtmöglichen Abstände voneinander ein und der Kristall wird transparent, so dass man die Bewegung der individuellen Partikel beobachten kann. Dies ist in echten Festkörpern unmöglich.

Durch die Erdanziehungskraft sind solche Untersuchungen auf nahezu zweidimensionale Plasmakristalle beschränkt, da die Staubwolke unter deren Einfluss zu einem flachen "Pfannkuchen" zusammengedrückt wird. Daher führen die Wissenschaftler Experimente unter Schwerelosigkeit durch, in denen dreidimensional ausgedehnte Plasmawolken erzeugt werden.Hierbei treten interessante Effekte auf, die in der Regel auf der Erde nicht zu beobachten sind, wie beispielsweise das Auftreten von Hohlräumen in der Staubwolke. Außerdem lassen sich unter Schwerlosigkeit eine große Anzahl neuartiger dynamischer Phänomene studieren. Dazu gehört unter anderem das Auftreten von Dichtewellen und lokalen Strömungsvorgängen.

Das Plasmaexperiment für den 20. DLR-Parabelflug ist eine Kooperation der Universitäten Kiel und Greifswald. Dabei wird die Dynamik der Partikel mit der Hilfe neuster Kamerasysteme untersucht. Im Fokus stehen sogenannte Staubdichtewellen, die in der Staubwolke spontan auftreten und im Experiment gezielt manipuliert werden können. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, die über 2000 Bilder pro Sekunde aufzuzeichnen kann,  verfolgen die Wissenschaftler einzelne Partikel im Wellenfeld und analysieren so Phänomene wie beispielsweise das Wellenbrechen.

Mit einem zweiten Kamerasystem können die Forscher darüber hinaus Rückschlüsse auf die Wechselwirkung zwischen Plasmaleuchten und Wellenbewegung ziehen. Ein spezielles stereoskopisches Kamerasystem, das aus drei einzelnen Kameras besteht, wird eingesetzt, um die Staubwolke außerdem dreidimensional abzubilden. Hierfür kann die Partikeldichte in der Wolke künstlich "reduziert" werden, in dem nur der fluoreszierende Teil der eingebrachten Partikel verfolgt wird.


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

Institut für Physik

Tel: +49 3834 864790

E-Mail: melzer@physik.uni-greifswald.de
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