Plasma-Levitation von Tropfen

Mit Laserstrahlen, Ultraschallwellen oder Magnetwellen lassen sich winzige Kügelchen oder auch ganze Züge zum Schweben bringen. Französische Physiker entdeckten nun ein ähnliches Levitations-Phänomen, das ein kaltes Plasma nutzte. Dieses ließ sich mit einer relativ kleinen elektrischen Spannung erzeugen und konnte einen Tropfen einer Salz­säure­lösung in einem Schwebezustand halten.

Cédric Poulai vom Forschungszentrum der französischen Atomenergiebehörde CEA in Grenoble und seine Kollegen von der Ecole Polytechnique in Palaiseau hielten für ihr Experiment einen elektrisch leitfähigen Säuretropfen mit der Spitze einer feinen Kanüle fest. Diesen Tropfen bewegten sie nah über eine Kupferplatte. Zwischen dieser und der metallischen Kanüle legten sie eine Gleich­spannung von mindestens 50 Volt bei etwa 50 Milliampere Stromstärke an.

Kam der Tropfen mit einem Durchmesser von knapp fünf Millimetern nun der Kupferplatte sehr nah, konnten die Forscher ein schwaches blaues Leuchten an der Grenzschicht beobachten. Zugleich zerrann der Tropfen nicht, sondern wurde über einem etwa 50 Mikrometer breiten Spalt in der Schwebe gehalten. Als Leuchtquelle machten Poulai und Kollegen ein dichtes, kaltes Plasma verantwortlich. Parallel stieg die Temperatur der Kupferfläche und des Tropfens auf etwa 100 Grad Celsius an.

Eine Spektralanalyse des Plasma­leuchtens wies auf leuchtende Übergänge von Kupfer, Wasserstoff und Sauerstoff hin. Das legte eine elektrolytische Zerlegung von Wasser­molekülen im Tropfen nahe. Trotz der geringen Spannung konnte sich in der Grenzschicht zwischen Tropfen und Kupferplatte ein elektrisches Feld aufbauen, das zum Ionisieren ausreichte.

Um diese Levitation genauer zu erklären, entwickelten die Forscher ein theoretisches Modell, das alle wichtigen Versuchsparameter berücksichtigte. Dieses bestätigte, dass die relativ geringe elektrische Spannung ausreichte, um zwischen Tropfen und Kupfer-Plättchen ein räumlich begrenztes, aber starkes elektrisches Feld zu erzeugen. Die Berechnungen ergaben auch einen Temperatur­anstieg auf 122 Grad Celsius, der gut mit den gemessenen Werten übereinstimmte. Die dabei einsetzende Verdampfung des Tropfens unterstützte das Schweben zwar, konnte allein aber nicht dafür verantwortlich gemacht werden.

Cédric Poulain und seine Kollegen entdeckten diese Plasma-Levitation rein zufällig. Eigentlich hatten sie sich das Ziel gesetzt, die isolierende Wirkung von einer Wasser­dampf­schicht genauer zu untersuchen, um die Kühlungs­prozesse in Kern­kraft­werken zu optimieren. Doch dank des nun entdeckten Effekts könnten einfache und günstige Plasma­quellen und effizientere Methoden für die elektrolytische Trennung von Wasser entwickelt werden.

Jan Oliver Löfken

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