Schwebende Plasmakristalle

Bei Plasmaexperimenten in der Schwerlosigkeit steht die Dynamik von Vielteilchen­systemen im Fokus. Auf der Internationalen Raum­station ISS wird dazu auch seit zwei Jahren die Apparatur PK-4 (Plasma­kristall­experiment 4) betrieben. Als kürzlich, Anfang Oktober 2016, eine Experiment­mission mit PK-4 auf der ISS durchgeführt wurde, saß auch Markus Thoma vom I. Physikalischen Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) mit im Kontrollzentrum in Toulouse, Frankreich.

Drei Tage lang steuerten Spezialisten der französischen Raumfahrt­agentur CNES zusammen mit Wissenschaftlern die Experimente vom Kontrollraum aus. Auch der russische Kosmonaut Anatoli Ivanishin, mit dem das Boden­personal in Verbindung stand, beteiligte sich aktiv an den Experimenten. Die aufgezeichneten Daten werden voraussichtlich Ende Oktober 2016 mit einer russischen Sojuskapsel zur Erde transportiert und anschließend den Wissenschaftlern in Gießen und in anderen internationalen Forschungs­einrichtungen zur Auswertung zur Verfügung stehen.

Ein Ingenieursmodell von PK-4, das bau- und funktionsgleich zum Flugmodell auf der ISS ist, befindet sich seit Mitte 2015 am I. Physikalischen Institut der JLU. Forscher nutzen sie zur Vorbereitung von Experimenten auf der ISS und zur Durchführung von Parabel­flug­experimenten. In der Arbeitsgruppe von Thoma werden bereits seit 2013 plasma­physikalische Forschungen durchgeführt. Zuvor war der Gießener Physiker von 2002 bis 2013 am Max-Planck-Institut für extra­terrestrische Physik (MPE) in Garching als leitender Projekt­wissenschaftler für die Entwicklung der Apparatur PK-4 verantwortlich.

PK-4 ist in Zusammen­arbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der European Space Agency (ESA), der russischen Raumfahrt­agentur Roskosmos, dem Joint Institute for High Temperatures in Moskau und der Industrie­firma OHB entstanden und seit 2014 auf der ISS in Betrieb. Zur Entwicklung der Experiment­einheit PK-4 haben die Wissenschaftler von 2003 bis 2012 in neun Parabel­flug­kampagnen Tests in der Schwere­losig­keit vorgenommen. Am MPE war dazu eine langjährige Expertise vorhanden, da man dort bereits seit rund zwanzig Jahren Versuche in Parabel­flügen sowie auf der Raumstation ISS durchführt.

Zusätzlich zu der Experimentmission auf der ISS, die jetzt von Toulouse aus gesteuert wurde, hatte Thoma im September 2016 mit der Apparatur PK-4 zusammen mit einem Team aus sechs Wissenschaftlern und Ingenieuren der JLU an einer Parabel­flug­kampagne in Bordeaux teilgenommen. Dabei wurden in einem Airbus A310 – dem ehemaligen, für Parabel­flug­zwecke umgebauten Regierungs­flugzeug „Konrad Adenauer“ – spezielle Manöver geflogen, so dass im Inneren für jeweils zwanzig Sekunden Schwerelosig­keit herrschte. An vier Flugtagen wurden pro Flug 31 Parabeln absolviert, nachdem die Versuchs­apparaturen in der Woche vorher ins Flugzeug eingebaut wurden.

In den Parabelflügen simulierten die Forscher unter anderem elektro­rheologische Flüssigkeiten mit Hilfe eines komplexen Plasmas. Diese speziellen Flüssigkeiten, die ebenfalls kleine Partikel enthalten, verändern beim Anlegen von elektrischen Feldern ihre Eigenschaften deutlich. Feststellbar ist zum Beispiel eine sprung­hafte Vergrößerung der Viskosität. Sie finden in Schock­absorbern und Brems­systemen wichtige Anwendungen. Die Bilddaten der Experimente, die nach Aussagen von Thoma erfreulicherweise alle sehr erfolgreich verlaufen seien, werden in Kürze in seiner Arbeitsgruppe ausgewertet. Sie sollen einen zentralen Beitrag zu zwei Dissertationen an der JLU darstellen.

In solchen Plasma-Systemen können interessante neuartige Phänomene auftreten, wie beispielsweise die Anordnung der Partikel in einer kristallinen Struktur, dem Plasma­kristall. Im Labor müssen die geladenen Partikel durch elektrische Felder in der Schwebe gehalten werden, damit man sie beobachten kann. Diese Felder beeinflussen aber die Wechselwirkung zwischen den Teilchen. Für viele Frage­stellungen sei es daher notwendig, komplexe Plasmen in der Schwerelosigkeit zu untersuchen, erklärt Thoma.

JLU / DE