Plasmakristall im All

Astronaut Thomas Reiter forscht auf der Internationalen Raumstation an komplexen Plasmen.

An Bord der internationalen Raumstation ISS wird der deutsche Astronaut Thomas Reiter zwischen dem 17. und 19. August Experimente für das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching vornehmen. Mit dem Labor PK3-Plus untersucht Reiter stellvertretend für die Max-Planck-Wissenschaftler die Eigenschaften komplexer Plasmen. In diesem bislang wenig erforschten Materiezustand verleihen Mikropartikel einem Plasma, dem vierten und ungeordneten Aggregatzustand der Materie, eine Struktur. Ein Beispiel dafür sind Plasmakristalle, in denen sich einzelne Mikropartikel zu einem periodischen Gitter anordnen und daher besonders gut beobachten lassen. Darüber hinaus haben die Wissenschaftler ein Experiment vorbereitet, bei dem sie den kritischen Punkt eines komplexen Plasmas erreichen und untersuchen wollen. Die Garchinger Forscher kooperieren in diesem Projekt mit dem russischen Institute for High Energy Densities (IHED).

Abb.: 3-dimensionale Ansicht eines Plasmakristalls: In einem komplexen Plasma ordnen sich Mikropartikel unter bestimmten Bedingungen zu einem Plasmakristall an. Die Farbe der Partikel zeigt den Kristallgittertyp; blau bedeutet keine kristalline Struktur. (Bild: MPI für extraterrestrische Physik)

Auf der Erde sind alle Stoffe in drei Aggregatzuständen gebunden: fest, flüssig und gasförmig. Im Universum ist das anders. Die Sterne, das Polarlicht und die Gasnebel - mehr als 99 Prozent aller sichtbaren Materie im Weltraum befindet sich in einem weiteren, vierten Aggregatzustand: dem Plasma. Dieses Gas ist so heiß, dass es sogar die robustesten Bindungen auseinander reißt, die die Natur geschaffen hat: die Atome. Denn bei extrem hohen Temperaturen und Dichten prallen die einzelnen Atome mit so großen Geschwindigkeiten aufeinander, dass sie zerbrechen. Die Folge: ein Durcheinander aus positiv geladenen Atomrümpfen, den Ionen, und negativen Elektronen.

Mikropartikel verleihen diesem Teilchen-Chaos eine Struktur, indem sie die freien Elektronen und Ionen aufsammeln. Da Elektronen jedoch viel beweglicher sind als die schwereren Ionen, treffen sie wesentlich häufiger auf die Oberfläche der Mikropartikel. Die Teilchen laden sich elektrisch auf und beginnen miteinander zu wechselwirken. Und damit erreichen sie einen neuen Materiezustand: das komplexe Plasma. Wissenschaftler können den Zustand des komplexen Plasma dann gezielt ändern: in gasförmig, flüssig oder kristallin. In Plasmakristallen ordnen sich die Mikropartikel in regelmäßigen Abständen von einem Zehntel Millimeter zueinander an. Dies ermöglicht es den Forschern, die Partikel nun einzeln zu beobachten. Zum Beispiel dann, wenn sie ihren Aggregatzustand ändern - ein Vorgang, der bis heute noch nicht vollständig verstanden ist.

An Bord der ISS wird der deutsche Astronaut Thomas Reiter in drei Versuchen komplexe Plasmen untersuchen. Das letzte dieser Experimente soll die physikalischen Vorgänge am kritischen Punkt erforschen. Oberhalb dieses Punktes, abhängig von kritischer Temperatur und Druck eines Stoffes, gleichen sich die Aggregatzustände flüssig und gasförmig an - ein Unterschied zwischen diesen beiden Materienzuständen existiert nicht mehr. Die Mikropartikel bewegen sich dann so dynamisch wie ein Gas, ihre Dichte ändert sich aber nicht und bleibt die einer Flüssigkeit. „Wir sind uns aber gar nicht sicher, ob wir den kritischen Punkt überhaupt erreichen“, sagt Hubertus Thomas vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, der unter der Leitung von Gregor Morfill vom MPE und Vladimir Fortov vom IHED an dem Projekt arbeitet. „Die Experimente sind ein erster Schritt, um die benötigten hohen Temperaturen und Dichten zu erzielen, die wir brauchen, um in Zukunft zum kritischen Punkt zu gelangen.“

Bereits im vergangenen Dezember haben die Forscher das Versuchslabor PK-3 Plus, einen 60 mal 80 Zentimeter großen Messzylinder, mit einem russischen Progress-Transporter zur ISS geschickt. „Die Schwerelosigkeit ist die wichtigste Bedingung, um intensiv an Plasmakristallen zu forschen“, sagt Thomas. Denn die Schwerkraft presst die Mikropartikel nach unten, sie sedimentieren. Auf der Erde müssen die Wissenschaftler deshalb ein starkes elektrisches Feld aufbauen, um die Teilchen in der Schwebe zu halten. Da Plasma jedoch elektrisch neutral ist, gelingt das nur in einem schmalen Feld nahe der Elektrode. In der Schwerelosigkeit brauchen die Wissenschaftler diese Felder nicht. In ihrem Forschungslabor auf der ISS bauen sie weitaus größere Plasmakristalle - und können die Wechselwirkungen zwischen den Mikroteilchen damit besser erforschen.

Die ersten beiden Experimente haben die Garchinger Forscher programmiert. Sobald Reiter das Plasma in einer abgeschlossenen Kammer über eine Hochfrequenzentladung gezündet hat, verlaufen die Versuche vollautomatisch. Nach dem Prinzip des Salzstreuers werden nun die Mikropartikel in das Plasma geschüttet: Durch ein Sieb werden Plastikkügelchen in einheitlich genormte Partikel dispergiert und in das Plasma gestreut. Teile der Messergebnisse erhalten die Wissenschaftler sofort - den Rest speichert der Computer auf portable Festplatten, die in ca. drei Monaten zurück zur Erde gebracht werden.

Dabei profitieren die Garchinger Wissenschaftler von ihrer engen Zusammenarbeit mit dem Institute for High Energy Densities der Russischen Akademie der Wissenschaften. „Ohne diese Kooperation wären Experimente auf der ISS gar nicht möglich“, sagt Thomas über die Einflussmöglichkeiten seiner russischen Partner. Zuvor hatten sie bereits gemeinsam über viereinhalb Jahre das Versuchslabor PK-Nefedow betrieben - damals das erste wissenschaftliche Experiment auf der neuen ISS. Beide Versuchslabore wurden mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik entwickelt und gemeinsam mit der Kayser-Threde GmbH gebaut.

In mehreren Schulungen haben die Wissenschaftler Thomas Reiter mit der Technik vertraut gemacht. „Herr Reiter freut sich sehr auf diese Experimente, weil sie einmal nichts mit seinem eigenen Körper und den Auswirkungen der Schwerelosigkeit zu tun haben“, sagt Thomas.

Im Luftfahrtkontrollzentrum bei Moskau verfolgen die Forscher den Verlauf der Experimente während der ersten 15 Minuten über eine Live-Übertragung. Anschließend hat Reiter zu jedem Zeitpunkt die Möglichkeit, Kontakt mit den Max-Planck-Wissenschaftlern aufzunehmen. „Es kann vorkommen, dass Herr Reiter unsere Hilfe braucht“, sagt Thomas. „Dann stehen wir natürlich bereit.“

Quelle: MPG / [MAY]

WeitereInfos:

• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de
  
• Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching:
  http://www.mpe.mpg.de