Another One Bites the Dust...

A website about dusty plasmas and my work in this field - by Carsten Killer

Staubige Plasmen - eine Einführung

Credit: own work
Credit: NASA, Jeff Hester, and Paul Scowen (Arizona State University)
Credit: NASA/JPL/Space Science Institute

"Speichen" in den Saturnringen

Credit: E. Kolmhofer, H. Raab; Johannes-Kepler-Observatory, Linz, Austria

Nachtleuchtende Wolken über Saimaa , Mika Yrjölä

 

Komet Hale-Bopp

Credit: Selwyn et al. , J.Vac.Sci. 1990
Credit: Roquemore et al. , JNM, 2007

Staubmpartikel im NSTX Tokamak

Roquemore et al. , JNM, 2007

"Pillars of Creation" , Adlernebel

Grün beleuchtete Staubteilchen, die im Plasma gewachsen sind, schweben über Siliziumwafern

Selwyn et al. , J.Vac.Sci. 1990

Was ist ein Plasma?

 

Als Plasma bezeichnet man in der Physik ein (teilweise oder vollständig) ionisiertes Gas. Das bedeutet, dass ein oder mehrere Elektronen von den (in einem "normalen" Gas neutralen) Atomen oder Molekülen gelöst sind. Somit besteht ein Plasma neben "normalen", neutrales Gasteilchen (Atome, Moleküle) aus elekrisch geladenen Teilchen: Elektronen und Ionen.

Damit sind Plasmen nicht nur elektrisch leitfähig, sondern besitzen eine breite Palette an komplexen Effekten, die auf dem Wechselspiel zwischen elektrischen und magnetischen Feldern sowie den Plasmapartikeln beruhen.

Ein Plasma zu erzeugen, kostet natürlich Energie (für die Ionisation neutraler Gasatome), die aus starker elektromagnetischer Strahlung, hoher Temperatur, oder elektrischen Feldern kommen kann.

 

Wo finden wir Plasmen?

 

Auch wenn uns im Alltag kaum Plasmen begegnen, ist doch der Großteil des Universums im Plasmazustand, z.B.

 

  • die Sonne und Sterne
  • Sonnenwind und interstellares Medium,
  • Obere Erdatmosphäre (Ionosphäre)
  • Blitze

Zudem werden Plasmen in vielen Bereichen des Alltags und der Industrie technisch genutzt, z.B.

 

  • Oberflächenbehandlung für so ziemlich alle speziellen Oberflächen, von Anti-Haft über Lotus-Effekt bis Rostschutz in Kleinstbauteilen der Automobilindustrie
  • Computer-Chips werden in verschiedenen Plasmaverfahren hergestellt (z.B. Ätzen von Silizium-Wafern)
  • Lichtquellen (Energiesparlampen, Flutlichter, Displays)
  • Dekontamination von Trinkwasser oder medizinischen Geräten
  • Kernfusion durch magnetischen Einschluss als Energiequelle

 

Diese Liste lässt sich wohl fast beliebig lang fortsetzen. Selbst als Plasmaphysiker kennt man bei weitem nicht alle Aspekte des täg- lichen Lebens, die direkt oder indirekt von Plasmaphysik abhängen.

 

 

Was ist ein staubiges Plasma?

 

Die Definition ist erst einmal relativ einfach: Staubige Plasmen sind Plasmen, die zusätzlich kleine (aber im Vergleich zu den Ionen des Plasmas riesige) Staubpartikel enthalten. Diese Staubteilchen können eine Größe im Bereich von Nanometern bis Millimetern haben und aus allen möglichen Materialen bestehen.

 

 

Was passiert mit dem Staub im Plasma?

 

Da sich im Plasma Elektronen und Ionen frei bewegen, kann ein Staubteilchen durch Stöße mit den Elektronen und Ionen eine sehr hohe elektrische Ladung aufnehmen. Das Besondere an staubigen Plasmen ist nun, dass sich alle Staubteilchen mit dem selben Vorzeichen aufladen (in fast allen Situationen ist der Staub negativ geladen).

Dieser Umstand führt zunächst dazu, dass sich die Staubteilchen wegen ihrer gleichnamigen Ladung untereinander abstoßen. Fängt man ein Ensemble an hoch geladenen Staubteilchen so ein, dass sie trotz gegenseitiger Abstoßung nicht entfliehen können, können viele einzigartige dynamische Phänomene beobachtet werden. Zudem beeinflusst die Anwesenheit des Staubs auch das Plasma, in dem er sich befindet .

 

 

Wo treten staubige Plasmen auf?

 

Staubige Plasmen sind nicht nur in den Laborexperimenten der Wissenschaftler zu finden. Da fast der gesamte Weltraum im Plasmazustand ist und es zusätzlich viel Staub gibt, finden sich viele entsprechende Situation im All:

 

  • interstellare Staubwolken, in denen ein Großteil der Sternentstehung geschieht. Die Entstehung von Sternen und Planeten beginnt immer mit der Agglomeration von kleinen Staubteilchen zu immer größeren Gebilden.
  • die Ringe der Gasplaneten sind staubige Plasmen. Beim berühmtesten Vertreter, Saturn, wurden bereits 1981 von Voager 2 dynamische Effekte(bewegende "Speichen") im B-Ring beobachtet. (aktueller : Cassini-Mission)
  • Kometen haben einen Staubschweif und einen Plasmaschweif. Die Raumsonde Rosetta , deren Mission sich zur Zeit dem Höhpunkt nähert, hat allein drei Instrumente für die Untersuchung des Kometenstaubs an Bord (eines der Hauptziele der Mission).
  • elektrisch geladene Aerosole in der Ionosphäre der Erde erzeugen nachtleuchtende Wolken. Diese Wolken befinden sich in ca. 85 km Höhe und können besonders gut im Juni und Juli nach Sonnenuntergang beobachtet werden.

 

Ein ganz anderer Anwendungsaspekt von staubigen Plasmen sind technologische Plasmaverfahren. Dort kann Staub Plasma von selbst entstehen und wachsen (manchmal unkontrollierbar), was je nach Situation gut oder schlecht für den Prozessschritt ist:

 

  • Staubwachstum in Prozessplasmen (z.B. für die Herstellung von Computer-Chips) kann die Plasmaparameter empfindlich stören. Zudem können relativ große (mikrometer) Staubpartikel auf die feinen Nano-Strukturen der Wafer fallen und diese zerstören.
  • Staubteilchen können andererseits als Kristallisationskeim bei der Herstellung polymorpher Solarzellen sein, was deren Effizient verbessert (z.B. die Solarzellen in kleinen Geräten wie Taschenrechnern)
  • Staubwachstum in Fusionsplasmen kann zu einer dramatischen Verunreinigung des Plasmas führen und somit das Erreichen der Zündbedingung für eine effiziente Fusion verhindern.

 

 

Warum heißt es eigentlich "Staub"?

 

"Staubige Plasmen" ist kein fest definierter Begriff. Es gibt verschiedene Synonyme, die alle mehr oder weniger das gleiche bezeichnen:

 

  • Komplexex Plasma
  • Kolloidales Plasma
  • (Fine) Powder Plasma (wird eher im asiatischen Raum verwendet, auf deutsch habe ich das noch nie gehört, daher hier keine Übersetzung)..

 

Auch der Staub selbst wird entsprechend als "dust particles", "dust grains", "powder" oder "aerosol" bezeichnet. Diese Vielfalt (die oft eher Verwirrung stiftet als erhellt) rührt daher, dass es das Forschungsgebiet erst seit ca. 25 Jahren gibt. Damals - und eigentlich bis heute - hat die Arbeit mit staubigen Plasmen viele Forscher aus verschiedenen Fachgebieten (z.B. Astrophysik und Plasmatechnologie) angezogen und zusammengebracht. Daher hatte jeder seine eigene Perspektive auf das Gebiet und dementsprechend seine eigene Bezeichnung.

last updated: August 2016