Staubstrukturen und Lasermanipulation in Komplexen Plasmen unter Schwerelosigkeit



Plasma ist ein ionisiertes Gas und enthält Atome, Elektronen und Ionen. 99 Prozent der sichtbaren kosmischen Materie bestehen aus Plasma. Es ist auch der Stoff, aus dem Blitze und Nordlichter sind. Aber auch im Haushalt finden wir es: in Energiesparlampen und Plasmabildschirmen.

Häufig ist das Plasma mit winzigen Staubpartikeln durchsetzt. Man spricht dann von staubigen oder komplexen Plasmen. Solche Plasmen werden beispielsweise verwendet bei der Herstellung von Computerchips, Nanopulvern und neuartigen Materialoberflächen. Im Labor können sich die Partikel unter bestimmten Bedingungen zu regelmäßigen Mustern anordnen, den so genannten Plasmakristallen. Sie stellen ein interessantes, ständig wachsendes Forschungsgebiet dar.

Wie funktioniert ein Plasmakristall? In Kristallen aus neutralen Atomen sind die Atome dicht gepackt und halten durch anziehende Wechselwirkungen zusammen. Plasmakristalle bestehen hingegen aus elektrisch gleichartig geladenen Staubpartikeln, die sich untereinander abstoßen. Sie sind in einer äußeren elektrischen Falle zwischen Elektroden eingeschlossen. Durch die Abstoßung nehmen die Staubpartikel untereinander die größtmöglichen Abstände ein. Der Kristall wird dadurch so transparent, dass man die Bewegung aller Partikel und damit die Auswirkung physikalischer Effekte auf sie direkt beobachten kann - in echten Festkörpern wäre dies völlig unmöglich.

Die Untersuchung von Plasmakristallen war bisher auf nahezu zweidimensionale Gebilde beschränkt, da sie durch die Schwerkraft zusammengedrückt wurden . In Schwerelosigkeit hingegen können die Wissenschaftler dreidimensional ausgedehnte Partikelwolken erzeugen. Trotzdem treten immer noch störende Effekte, wie der Hohlraum im Zentrum der Staubwolke und einsetzende Wellenphänomene auf, die eine nahezu perfekte kristalline Struktur verhindern. Daher besteht eine zentrale Fragestellung darin, warum sich dieser große Hohlraum bildet, und wie man das vermeiden kann.

Das Plasma-Experiment für den 8. DLR-Parabelflug ist eine Kooperation der Universitäten Kiel und Greifswald. Eine Kombination aus optischen und elektrischen Messungen innerhalb von Plasmakristallen gibt Aufschluss über Dichte und Temperatur des Plasmas, seine elektrischen Felder und die daraus resultierende Anordnung der Mikropartikel. Direkte Messungen der Kräfte auf die Staubwolke im Plasma können über das Verschieben von Partikeln mit Hilfe eines Manipulationslasers erfolgen.

Zudem dient die Parabelflugkampagne der 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 künftige Experimente auf der Internationalen Raumstation ISS dar.


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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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