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Plasmaphysik in der Schwerelosigkeit


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 9/2020 vom 07.08.2020

In der Grundlagenforschung ist es wichtig, die Eigenschaften von Materie genau zu verstehen und ganz neue Materieformen herzustellen. Häufig resultieren daraus praktische Anwendungen. Neben dem irdischen Labor bietet die Schwerelosigkeit ungeahnte Möglichkeiten. Hier präsentieren wir die komplexen Plasmen, die in Parabelflügen und auf der Internationalen Raumstation erforscht werden.


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Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 9/2020

In blitzblankem Silber schimmert das neue Columbus-Modul der Europäischen Weltraumbehörde ESA, das im Februar 2008 Teil der Internationalen Raumstation ISS wurde. Hier arbeitet der NASA-Astronaut Rex Walheim gerade am neuen ...

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... Modul, das fast sieben Meter lang und etwa 4,5 Meter im Durchmesser ist. Rund zehn Experimente können in seinem Inneren in Halterungen, den »Racks«, untergebracht werden. Im Jahr 2014 wurde in diesem Modul das Plasmakristallexperiment PK-4 eingebaut.


Seit nunmehr fast 20 Jahren werden auf der Internationalen Raumstation ISS wissenschaftliche Versuche durchgeführt. Neben medizinischen und biologischen Studien untersuchen Forscher dort Fragestellungen der Materialwissenschaften und Physik. Eines der ersten Experimente war das PKE-Nefedov-Labor zur Untersuchung staubiger Plasmen in der Schwerelosigkeit. Dabei steht PKE für Plasmakristallexperiment, was wir im Detail erklären werden.

Auf der ISS herrschen einzigartige Bedingungen, die auf der Erde undenkbar sind. Nur hier können verschiedenartigste Systeme in fast idealer Schwerelosigkeit über einen längeren Zeitraum studiert werden. Dabei versteht man unter Schwerelosigkeit nicht, wie allgemein angenommen, die Abwesenheit von Gravitation, sondern vielmehr, dass auf einen Körper (abgesehen von Scheinkräften wie der Fliehkraft) allein die Schwerkraft wirkt.

Das beste Beispiel ist der im Gravitationsfeld der Erde im Vakuum frei fallende Fahrstuhl, in dem Schwerelosigkeit herrscht. Das war ein Gedankenexperiment von Albert Einstein, das ihm bei der Entwicklung der allgemeinen Relativitätstheorie half. Derartige Experimente werden in Falltürmen wie am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen ausgenutzt, um Schwerelosigkeit zu erzeugen.

Auch die ISS »fällt« mit 28 000 Kilometern pro Stunde um die Erde herum, sodass sie sich im Zustand der Schwerelosigkeit befindet. Häufig wird dies als Mikrogravitation bezeichnet, da auf der ISS keine absolute Schwerelosigkeit vorliegt, sondern Beschleunigungen im Bereich des 10-5-Fachen der Erdbeschleunigung g existieren. Dabei entspricht 1 g einer Beschleunigung von 9,81 Metern pro Sekunde zum Quadrat, die ein Körper durch die Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche Richtung Erdmittelpunkt erfährt. Warum ist es nun von Interesse, physikalische Versuche in der Schwerelosigkeit durchzuführen? Dafür gibt es unterschiedliche Gründe: Zunächst einmal hat die Schwerkraft für bestimmte Forschungen eine störende Wirkung. So werden zum Beispiel Flüssigkeiten stark von ihr beeinflusst. Auf der Erde bilden sie, abgesehen von kleinen Tropfen, ebene Oberflächen aus, während in der Schwerelosigkeit auf Grund der Oberflächenspannung Flüssigkeiten als Kugeln vorliegen. Auch Sedimentation, Auftrieb und thermische Konvektion, das heißt das Aufsteigen der wärmeren und leichteren Flüssigkeit und Absinken der kühleren und schwereren, die in der Schwerelosigkeit nicht auftreten, können manche Untersuchungen oder Präzisionsmessungen auf der Erde beeinträchtigen. So lassen sich beispielsweise thermophysikalische Eigenschaften von Schmelzen, wie die Dichte oder die Viskosität, deren Kenntnis für die Simulation von neuen Werkstoffen notwendig ist, in der Mikrogravitation weitaus genauer bestimmen. Zurzeit befindet sich dazu das Experiment Electromagnetic Levitator, kurz EML, unter der Leitung des Instituts für Materialphysik im Weltraum des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln auf der ISS.


Mikrogravitation ist der Zustand, der unter realen Bedingungen nah an die ideale Schwerelosigkeit herankommt.


Ein weiteres interessantes Gebiet für Forschung unter Bedingungen der Mikrogravitation stellt die Physik der »weichen Materie« dar. Darunter versteht man Bausteine in der Größe von Mikro- bis Millimetern, die in einem homogenen Hintergrund (Flüssigkeit oder Gas) eingebettet sind und sich gegeneinander leicht verschieben lassen. Dazu gehören Kolloide, die feste Partikel in einer Flüssigkeit enthalten, oder Schäume, bei denen sich kleine Luftblasen in einer Flüssigkeit befinden.

Hier verhindern vor allem die Sedimentation und der Auftrieb der Partikel in Kolloiden beziehungsweise der Zerfall von Schäumen durch das Herauslaufen der Flüssigkeit unter Schwerkraft präzise Studien stabiler Systeme über einen längeren Zeitraum. Diese Versuche können zum grundlegenden Verständnis der Physik dieser und ähnlicher Systeme beitragen und dienen demnach der Grundlagenforschung; sie können allerdings auch für technische Anwendungen von Interesse sein. Schließlich stellen darüber hinaus granulare Medien und Quantensysteme wie die Bose-Einstein-Kondensate (siehe S. 24) wichtige Forschungsthemen unter Mikrogravitation dar.

Wege in die Schwerelosigkeit

Wie bewerkstelligen nun die Experimentatoren Versuche in der Schwerelosigkeit? Müssen sie sich dazu gleich in den Weltraum begeben? Glücklicherweise nein! Auf der Erde kann neben Fallturmexperimenten kurzzeitige Schwerelosigkeit in Parabelflügen realisiert werden (siehe Kasten S. 30). In Europa begann im Jahr 1989 die französische Firma Novespace mit Sitz in Bordeaux solche Fluggelegenheiten in verschiedenen Flugzeugen anzubieten. Seit dem Jahr 2015 ist ein Airbus A310 zur Durchführung von Parabelflügen im Einsatz. Es handelt sich dabei übrigens um ein ehemaliges Regierungsflugzeug der Bundesrepublik Deutschland, die A310 »Konrad Adenauer «, die zum Parabelflugzeug umgebaut wurde (siehe Bilder oben).

So sieht der Airbus A310 »Zero-G« der französischen Firma Novespace aus, der zur Durchführung von Parabelflügen am Flughafen Bordeaux-Mérignac stationiert ist (links). Hauptsächlich wird er von den Raumfahrtagenturen ESA, DLR und CNES verwendet, doch auch Privatpersonen können neuerdings Mitflüge bei »Air Zero- G« buchen. Von 1997 bis 2015 nutzten die erwähnten Raumfahrtagenturen auch den Airbus A300 »ZERO-G« (rechts), der hier gerade bei einem 45-Grad-Steigflug Anlauf für die Schwerelosigkeit nimmt. Wissenschaftler aus der ganzen Welt können Anträge für Experimente bei solchen Flügen stellen.


An Bord finden zirka zehn Experimente, etwa 40 Wissenschaftler sowie die Besatzung Platz. Die Forscher können zur Teilnahme an einer Parabelflugkampagne Anträge bei den Raumfahrtagenturen ESA, CNES (französisch: Centre national d’études spatiales) oder DLR stellen. Eine Kampagne besteht dabei aus einer Vorbereitungswoche, in der die zuvor als flugtauglich geprüfte Experimentierapparatur in das Flugzeug eingebaut und getestet wird sowie aus drei bis vier Flugtagen in der anschließenden Woche. Dabei werden an jedem Flugtag 31 Parabeln mit einer Schwerelosigkeitsdauer von jeweils ungefähr 20 Sekunden absolviert. Allerdings ist die Qualität der Mikrogravitation verglichen mit dem Fallturm und der Raumstation ISS nur mäßig, typischerweise von der Größenordnung 10-3 bis 10-2 g, da das Manöver in der Atmosphäre stattfindet, sodass die Luftunruhe beziehungsweise kleinere Turbulenzen zu geringen Restbeschleunigungen führen.

Der Vorteil gegenüber der ISS besteht jedoch vor allem darin, dass die Wissenschaftler selbst an dem Flug teilnehmen und direkt in der Schwerelosigkeitsphase in ihr Experiment eingreifen können. In der Materialforschung und Physik werden Parabelflüge zur Durchführung bestimmter Versuche genutzt, in denen die kurze Dauer und nicht optimale Qualität der Mikrogravitation keine große Rolle spielen; dazu zählen ebenfalls Tests neuer Technologien. So können hier zum Beispiel Apparaturen ohne großen Aufwand für ihren Einsatz auf der Raumstation ISS getestet werden.

Neben dem Einsatz ballistischer Raketen mit Schwerelosigkeitsdauern von einigen Minuten, wie beispielsweise beim Programm TEXUS (Technologische Experimente unter Schwerelosigkeit) des DLR, und vereinzelter unbemannter Satelliten zur Mikrogravitationsforschung, wie unter anderem im Rahmen des früheren russischen Foton-Programms, stellt die ISS derzeit die einzige Plattform für Weltraumexperimente in der Schwerelosigkeit dar. Nur hier können Langzeitversuche unternommen und die Experimentapparaturen von den Astronauten betrieben und gewartet werden.

Dafür stehen die russischen Module und das amerikanische Experimentmodul Destiny, das japanische Modul Kibo und das europäische Columbus-Labor zur Verfügung. In letzterem können die Apparaturen in zehn genormte Experimentträger von der Größe einer Telefonzelle - die International Standard Payload Racks - eingebaut werden. Im Vergleich zu allen anderen Optionen zur Durchführung von Mikrogravitationsexperimenten sind die Kosten für ISS-Experimente natürlich am höchsten und die Vorbereitungszeit am längsten. Das liegt zum einen an den sehr hohen Sicherheitsanforderungen in der bemannten Raumfahrt, zum anderen am Transport der Apparaturen zur Raumstation: Jedes dorthin verbrachte Kilogramm kostet derzeit mehr als 10 000 Euro!

Neue Forschung mit kalten Plasmen

Experimente mit staubigen Plasmen, die kleine Partikel (»Staub«) enthalten und ebenfalls zur Klasse der weichen Materie gehören und auch als komplexe Plasmen bezeichnet werden, finden regelmäßig seit dem Jahr 2001 auf der ISS statt. Zurzeit ist dort bereits die dritte Experimentapparatur in Betrieb: das Plasmakristallexperiment Nr. 4, kurz PK-4. Unter einem Plasma versteht man in der Physik ein ionisiertes Gas, also ein Gas, bei dem die Atome teilweise ihre Elektronen verloren haben. Dies kann man durch Energiezufuhr bewerkstelligen, zum Beispiel, indem man die Temperatur erhöht oder das Gas mit elektrischen Feldern in Gasentladungen oder mit kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung in den Plasmazustand überführt.

Plasmen stellen nach dem festen, flüssigen und gasförmigen Zustand der Materie den vierten Aggregatzustand dar. In der Antike wurden diese Aggregatzustände mit den vier Elementen Erde, Wasser, Luft und Feuer identifiziert. Mittels elektrischer Entladungen in Gasen lassen sich Plasmen erzeugen, die entweder heiß sein können, wie bei einem Blitz, oder kalt, also etwa bei Raumtemperatur, wie zum Beispiel bei Neonröhren. Bei Niedertemperaturplasmen liegt der Ionisationsgrad meist weit unter einem Prozent, das heißt, der größte Teil des Plasmas besteht aus neutralen Atomen. Dabei sind das Neutralgas und die Ionen kalt - und haben meistens Raumtemperatur -, während die Elektronen Temperaturen von mehreren 10 000 Grad aufweisen. Auf Grund der hohen Temperatur und damit verbundenen großen Energie der Elektronen ist ein Niedertemperaturplasma chemisch sehr reaktiv. So können Moleküle zerschlagen, also dissoziiert werden, obwohl das Plasma selbst kalt ist. Diese Eigenschaft wird heutzutage in zahlreichen Anwendungen zur Oberflächenbehandlung, unter anderem von hitzeempfindlichen Materialien, genutzt.

Dazu gehören Ätzverfahren, wie sie bei der Mikrochipproduktion eingesetzt werden, Beschichtung, Aktivierung, Härtung und Reinigung von verschiedensten Materialien. In letzter Zeit ist außerdem die Sterilisation empfindlicher Oberflächen und Wundheilung im Rahmen des neuen Forschungsgebiets der Plasmamedizin dazugekommen.

Daneben werden Plasmen schon seit Längerem zur Beleuchtung, wie beispielsweise in Neonröhren, verwendet, da die freien Elektronen die Gasatome zum Leuchten anregen. Ein weiteres Anwendungsgebiet stellen elektrische Antriebe für Raumfahrzeuge dar, in denen die Ionen aus einem Plasma durch elektrische Felder mit hohen Geschwindigkeiten extrahiert werden und somit für den Schub sorgen.

Eine spezielle Version der durch elektrische Entladungen erzeugten Niedertemperaturplasmen sind komplexe oder staubige Plasmen, in welche die Wissenschaftler kleine Partikel von der Größe weniger Millionstel Meter (Mikrometer) einbringen. Dazu füllen die Forscher zunächst ein Gas, meistens Argon oder Neon bei einem Druck von einem Millibar oder weniger, in eine Plasmakammer. Dort zünden sie das Plasma über eine Entladung (durch Gleichoder Hochfrequenzspannung) mittels im Gas platzierter Elektroden oder externer Spulen. Danach bringen die Experimentatoren die Mikropartikel in das Plasma ein.

Auf Grund der höheren Beweglichkeit der leichten und energiereichen Elektronen laden sich die Partikel im Bruchteil einer Millionstel Sekunde negativ auf, wobei sich abhängig vom Partikeldurchmesser mehrere tausend oder zehntausend Elementarladungen auf der Oberfläche eines Partikels festsetzen. Dadurch bilden die Mikropartikel im Hintergrundplasma wegen ihrer gegenseitigen elektrostatischen Abstoßung ein stark gekoppeltes Vielteilchensystem. Dessen Dynamik lässt sich nun durch Kameras auf dem Niveau der einzelnen Partikel in Realzeit beobachten. Dies erlaubt die Simulation von Vorgängen in atomaren Vielteilchensystemen, bei denen diese Untersuchungen nicht oder nicht so einfach möglich sind. So können zum Beispiel grundlegende Fragestellungen zu Phasenübergängen wie dem Schmelzen und Erstarren an komplexen Plasmen auf dem Niveau einzelner Teilchen studiert werden.

Ein neuer Materiezustand

Ein prominentes Beispiel ist der Plasmakristall (siehe Bild S. 32), der im Jahr 1994 in Zusammenarbeit zwischen dem Max- Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching und dem ehemaligen DLR-Institut für Raumsimulation zeitgleich zu anderen Arbeitsgruppen in Japan, Taiwan und Deutschland entdeckt wurde. Dabei ist es für die Mikropartikel energetisch günstiger, sich in einer geordrund neten Struktur, nämlich dem Plasmakristall, anzuordnen, wenn die elektrostatischen Kräfte zwischen den hoch geladenen Mikropartikeln einen bestimmten Wert überschreiten. Die Ausbildung eines solchen Kristalls in diesen so genannten »stark gekoppelten« Plasmen war bereits in den 1980er Jahren theoretisch vorhergesagt worden. Dieser neue Zustand der Materie kann übrigens auch in Weißen Zwergen auftreten (siehe SuW 3/2019, S. 13 und Leserbrief in SuW 8/2019, S. 7), da dort auf Grund der hohen Dichte die Kohlenstoff- und Sauerstoffionen im Hintergrund der entarteten Elektronen ein stark gekoppeltes System bilden.

Mikrometergroße Kunststoffkügelchen (helle Pünktchen) bilden durch elektrische Aufladung eine regelmäßige Anordnung in einem Plasma (violettes Leuchten): einen Plasmakristall. Dieser wird von einem dünnen aufgefächerten Laserstrahl (rot) beleuchtet, der auch auf der unteren Elektrode der Plasmakammer zu sehen ist. Das Bild wurde im Labor aufgenommen.


Staubige Plasmen treten ebenfalls in der Natur auf, vor allem in astronomischen Objekten. Das beste Beispiel sind Kometen, die bei der Annäherung an die Sonne Gas und Staub abgeben, wobei das Gas durch die UV-Strahlung der Sonne und den Sonnenwind ionisiert, also in ein Plasma verwandelt wird. Auch die durch die Raumsonde Voyager entdeckten Speichenstrukturen (englisch: Spokes) auf den Saturnringen sollen durch staubige Plasmen hervorgerufen werden (siehe Bild S. 33). Leuchtende Nachtwolken, die durch Eispartikel im Plasma der Ionosphäre zu Stande kommen, sind ein weiteres Beispiel (siehe SuW 6/2018, S. 28). Darüber hinaus gibt es einige, meist allerdings unerwünschte Anwendungen in der Technologie: In vielen Plasmareaktoren werden Oberflächen durch »Sputtern « behandelt, also Material durch Ionenbeschuss abgetragen. Dabei treten eventuell Staubpartikel auf, die beispielsweise bei der Mikrochipproduktion zu Ausschuss führen können. Deshalb wird auch seit den 1990er Jahren an der Entstehung und Vermeidung von Staub in der Oberflächenbehandlung mittels Plasmen geforscht.


In einem Plasmakristall ordnen sich elektrisch geladene Mikropartikel in einer geordneten Struktur an.


Kurz nach der Entdeckung des Plasmakristalls kamen bereits die ersten Ideen auf, komplexe Plasmen in der Schwerelosigkeit zu untersuchen. Im Labor auf der Erde müssen die geladenen Mikropartikel durch elektrische Felder in der Schwebe gehalten werden, damit die Forscher sie lange genug - die Ausbildung eines Plasmakristalls kann einige Minuten dauern - beobachten können. Plasmen werden an den Wänden der Kammer von einer Plasmarandschicht umgeben, die im Gegensatz zum Hauptplasma nicht elektrisch neutral ist und deshalb elektrische Felder ausbildet.

Diese Felder können die geladenen Mikropartikel über dem Boden der Plasmakammer gegen die Schwerkraft in der Schwebe halten (siehe Bilder S. 33). Allerdings beeinträchtigen diese Felder die präzisen Untersuchungen komplexer Plasmen, da zum einen die elektrische Kraft nur in einer bestimmten Höhe über dem Kammerboden die Schwerkraft der Partikel kompensiert, sodass sich nur Partikelsysteme aus wenigen Schichten aufbauen können. Zum anderen werden die Strukturen und die Dynamik der Mikropartikel durch die elektrischen Felder und die Schwerkraft beeinflusst, was zur Folge hat, dass ein Plasmakristall nicht störungsfrei hergestellt werden kann.

Komplexe Plasmen im All

Aus diesem Grund haben die Wissenschaftler am MPE zusammen mit russischen Kollegen bereits in den 1990er Jahren Experimente mit komplexen Plasmen für die Raumstation ISS geplant und vorbereitet. Tatsächlich hatten die russischen Forscher bereits zwei einfache Experimente auf der russischen Raumstation Mir durchgeführt, die mit PK-1 und PK-2 bezeichnet wurden, wobei PK für »Plasmakristall« steht.

Dagegen hatten die Wissenschaftler vom MPE ein Experiment mit einer Hochfrequenzentladung bereits in zwei TEXUSFlügen getestet. Die TEXUS-Nutzlast wur- de durch eine Förderung des DLR unter dem Namen PK-3 für den Einsatz auf der ISS umgebaut und mit einem russischen Progress-Transporter Anfang 2001 als erstes naturwissenschaftliches Experiment zur ISS geschickt. Nach dem plötzlichen Tod des Koordinators auf russischer Seite wurde PK-3 in PKE-Nefedov umbenannt. Bis zum Jahr 2005 fanden damit 13 Experimentkampagnen statt. Dabei umfasst eine Kampagne etwa drei bis vier Tage mit jeweils 90 Minuten Experimentzeit und wird vom russischen Kontrollzentrum in Koroljow aus geleitet. Das Nachfolgeexperiment PK-3 Plus, eine Weiterentwicklung von PKE-Nefedov, wurde auf der ISS von 2006 bis 2013 betrieben (21 Kampagnen), wobei auch der deutsche Astronaut Thomas Reiter aktiv an den Experimenten teilnahm.

Komplexe Plasmen arrangieren sich im Labor auf der Erde und in der Schwerelosigkeit sehr unterschiedlich. Im irdischen Labor (links) sammeln sich die Partikel aufgrund der Schwerkraft oberhalb des Bodens der Plasmakammer, wo das elektrische Feld der Randschicht die geladenen Teilchen in der Schwebe hält. In der Schwerelosigkeit (rechts) breiten sich die Partikel ungestört in der gesamten Kammer aus. Eine Elektrode erzeugte unten einen hellen Reflex. Die Bildbreite beträgt etwa acht Millimeter.


Seit dem Jahr 2014 befindet sich mit PK-4 das dritte Experiment zu komplexen Plasmen an Bord der ISS. Im Gegensatz zu den Vorgängern wird das Plasma durch eine Gleichspannungsentladung in einer Glasröhre erzeugt (siehe Kasten und Bilder S. 35). Das Projekt hatte im Jahr 2002 mit dem Vorschlag der russischen Kollegen begonnen, eine Plasmakammer mit einer Gleichspannungsentladung auf die Raumstation zu bringen. Die Vorbereitungsphase dafür wurde wieder vom DLR finanziert, bevor dann die ESA im Jahr 2006 das Projekt zur Entwicklung des Flugmodells übernahm. Gebaut wurde PK-4 in Zusammenarbeit zwischen dem MPE und der Firma Kayser-Threde GmbH, die seit einigen Jahren zur Raumfahrtindustriefirma OHB gehört.

Als im Jahr 1981 die Raumsonde Voyager 2 am Planeten Saturn vorbeiflog, fotografierte sie aus vier Millionen Kilometer Entfernung ungewöhnliche speichenartige Strukturen - Spokes genannt - auf dem Ringsystem. Wissenschaftler vermuten, dass die nur zeitweise sichtbaren Spokes auf elektrisch geladene Staubteilchen in den Ringen zurückzuführen sind.


Die lange Bauphase von fast acht Jahren war zum einen der Komplexität der Apparatur, zum anderen den umfangreichen Sicherheitsanforderungen und dafür notwendigen Dokumentation geschuldet. Die Gesamtkosten ohne Transport und Betrieb von PK-4 zur ISS - was wiederum die russischen Partner übernahmen - beliefen sich auf ungefähr 20 Millionen Euro. Für Vorbereitung, Bau und Optimierung von PK-4 wurden insgesamt neun Parabelflugkampagnen zwischen 2003 und 2012 in Bordeaux durchgeführt (siehe Bild S. 36 oben). Dabei wurden neben technologischen Fragestellungen bereits Experimente für die ISS getestet.

Der Start am 29. Oktober 2014 mit dem Progress-Transporter M-25M von Baikonur verlief reibungslos, und bereits sechs Stunden später wurde die Raumstation erreicht. Auch die Installation und Inbetriebnahme von PK-4 im Columbus- Modul auf der ISS waren erfolgreich (siehe Bild S. 36 oben). Bei den ersten Experimenten stellte sich allerdings heraus, dass ein Gasflussregler zur Befüllung der Plasmakammer mit Argon oder Neon nicht richtig geschlossen werden konnte, sodass während des Experimentbetriebs ein kleiner, aber für viele Experimente sehr störender Gasfluss in der Plasmaröhre auftrat. Im Jahr 2018 konnte dieses Problem durch das Anbringen eines äußeren Ventils behoben werden. Bisher wurden zehn Experimentkampagnen vom französischen Kontrollzentrum CADMOS in Toulouse aus unternommen.

CADMOS ist eines von mehreren ESA-Kontrollzentren (englisch: User Support Operation Centre, USOC), das für den Betrieb von Experimenten auf der ISS zuständig ist. Insgesamt nimmt eine Kampagne etwa eine Woche an Aktivitäten auf der ISS und bei CADMOS in Anspruch.

Die Kampagne beginnt mit einer Vorbereitungsphase, in der die Apparatur im Modul eingeschaltet, überprüft und mit neuen Festplatten für die Datenauf- nahme bestückt wird. Die Wissenschaftler starten die Vakuumpumpen, um für die Experimente störende Restgase in der Plasmakammer zu entfernen.

In den folgenden Tagen stehen dann pro Tag jeweils 90 Minuten für Experimente zur Verfügung, wobei die Daten auf SSD-Festplatten aufgezeichnet werden. Zu den Daten gehören beispielsweise Videos der Mikropartikel im Plasma, aber auch »Housekeeping-Daten«, also Drücke, Spannungen, Ströme, Temperaturen etc. Die Kampagne endet mit einer Nachbereitungsphase, in der die Apparatur wieder stillgelegt wird und die Daten auf einen weiteren Satz Festplatten kopiert werden. Zur Auswertung des Experiments werden die Platten dann beim nächsten Crewwechsel mit zur Erde gebracht, da angesichts der Datenmenge ein Download per Funk von der ISS nicht in Frage kommt.

Im Gegensatz zu den Vorgängerexperimenten ist PK-4 übrigens weitgehend programmier- und fernbedienbar, sodass zur Durchführung die Anwesenheit eines Kosmonauten auf ein Minimum reduziert werden konnte. Im Prinzip kann die Apparatur direkt vom irdischen Kontrollzentrum aus gesteuert und das Experiment auf einem Bildschirm beobachtet werden. Bei zeitkritischen Aktionen wie dem Einfangen von Mikropartikeln ist allerdings ein Kosmonaut vor Ort notwendig; eine Fernsteuerung wäre da unmöglich, weil durch die Laufzeit der Signale hin und zurück über die Bodenstationen und Satelliten einige Sekunden an Verzögerungszeit zusammenkommen.

Hier testen mehrere Wissenschaftler - darunter auch ein Autor dieses Artikels (rechts im Bild oben) - die Apparatur PK-4 auf einer Experimentierkampagne des DLR im Jahr 2016 (oben). Die Kosmonautin Jelena Serowa baut die PK-4-Apparatur, die sich im schwarzen Container befindet, im Columbus- Modul ein (rechts).


Grundlagenforschung auf hohem Niveau

Das Ziel der PK-4-Experimente ist in erster Linie ein besseres Verständnis der Dynamik von komplexen Plasmen in der flüssigen Phase, während in den Vorgängerexperimenten stärker auf die kristalline Phase Wert gelegt wurde. PK-4 eignet sich auf Grund der Geometrie der Glasröhre besonders für das Studium von Strömungsphänomenen in komplexen Plasmen. Als Beispiel wollen wir hier elektrorheologische Experimente betrachten.

Dabei bezeichnet Rheologie die Wissenschaft von den elastischen und plastischen Eigenschaften von Materialien, beispielweise Elastizität oder Viskosität. Elektrorheologische Flüssigkeiten sind seit den 1940er Jahren bekannt. Dabei setzen die Forscher nichtleitende Flüssigkeiten, die Nano- oder Mikropartikel enthalten, einem äußeren elektrischen Feld aus. So können sie die Eigenschaften dieser Flüssigkeit schlagartig und drastisch verändern. Zum Beispiel kann sich die Viskosität um mehrere Größenordnungen erhöhen. Dies hat Anwendung in verschiedenen Bereichen gefunden, darunter in der Automobilindustrie zur Dämpfung von hydraulischen Lagern. Mit Hilfe von komplexen Plasmen können die Wissenschaftler das Prinzip der Elektrorheologie auf dem mikroskopischen Niveau sichtbar machen. Dazu legen sie entlang der Röhre ein elektrisches Wechselfeld mit einer Frequenz zwischen 100 und 1000 Hertz an. Dadurch kommt es zu einer Strömung der Ionen gegenüber den Mikropartikeln, die auf Grund ihrer großen Masse, verglichen mit den Ionen, auf das Wechselfeld nicht reagieren und dadurch »stillstehen«. Die leichteren Ionen dagegen ändern ihre Richtung und erzeu- gen einen Sog, der weitere Mikropartikel anzieht. Das ist ähnlich wie bei einem Schiff, welches ein hinter sich herfahrendes nachzieht. In komplexen Plasmen mit Ionenströmung zieht das vordere Partikel ein hinter ihm platziertes Partikel an. Auf diese Weise bilden sich Ketten von Mikropartikeln aus und damit ein gerichtetes (»anisotropes«) System (siehe Bild oben). Genau dies passiert auch mit den Partikeln in elektrorheologischen Flüssigkeiten, die ab einer bestimmten Feldstärke ein anisotropes System formen, das entlang der Ketten sehr viel stabiler ist als im ungeordneten (isotropen) Zustand. Auf die Art und Weise kann die Viskosität der Flüssigkeit kontrolliert erhöht werden.

In einem elektrorheologischen Plasma kommt es zur Kettenbildung. Das Experiment wurde mit PK-4 in einer Parabelflugkampagne durchgeführt. Die Mikropartikel sind als helle Punkte vor schwarzem Hintergrund erkennbar. Das erleichtert die automatische Bildauswertung am Computer.


Experimente mit elektrorheologischen Plasmen lassen sich nur in der Schwerelosigkeit realisieren, weil die Kettenbildung stattfindet, wenn die Partikel sich im Zentrum der Kammer befinden, in dem kein störendes elektrisches Feld von der Plasmarandschicht vorliegt. Die ersten erfolgreichen Versuche wurden mit PK3 Plus auf der Raumstation ISS unternommen. PK-4 eignet sich aber zur Beobachtung langer Ketten auf Grund seiner langen, röhrenförmigen Plasmakammer sehr viel besser. Deshalb wurden ab dem Jahr 2008 in Parabelflügen und seit 2015 auf der ISS elektrorheologische Experimente mit PK-4 durchgeführt. Dabei konnte in einer Parabelflugkampagne im Jahr 2018 zum ersten Mal der Phasenübergang vom isotropen System zur anisotropen Kettenbildung im Detail beschrieben werden. Dies gelang, indem eine komplexe moderne Bildanalyse auf der Basis des maschinellen Lernens (englisch: Machine Learning) zur Identifikation der Mikropartikelketten in den Bilddaten und numerische Simulationen zum Vergleich mit den Daten eingesetzt wurden.

Wie geht es weiter?

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Experimente mit komplexen Plasmen auf Raumstationen und in Parabelflügen eine fast 20 Jahre dauernde Erfolgsgeschichte sind. Die Erkenntnisse, die daraus gewonnen werden, kommen in erster Linie der physikalischen Grundlagenforschung zugute, insbesondere einem verbesserten Verständnis des Verhaltens von Vielteilchensystemen, die in der Physik eine zentrale Rolle spielen. Weitere Experimente auf der ISS mit PK-4, das noch mindestens bis Ende 2022 laufen soll, sind zurzeit in Vorbereitung und in Planung. Auch Prototypen für ein Nachfolgeexperiment werden bereits seit einigen Jahren im Labor und in Parabelflügen getestet. Die ISS ist die ideale Plattform für Experimente in der Schwerelosigkeit. Wir hoffen, dass wir dort komplexe Plasmen noch bis zum Ende der ISS, das nicht vor dem Jahr 2024 kommen soll, erforschen können.

MICHAEL KRETSCHMER ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Justus-Liebig-Universität Gießen. Nach seiner Promotion bei der Rosetta/ Philae-Mission befasst er sich seit dem Jahr 2001 mit komplexen Plasmen.


MARKUS THOMA ist seit 2013 Professor für Plasmaund Raumfahrtphysik an der Justus-Liebig-Universität Gießen. Davor war er am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik als Projektwissenschaftler für das ISS-Experiment PK-4 zuständig.

Literaturhinweise

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Ivlev, A. et al.: Complex plasmas in external fields: The role of non-Hamiltonian interactions. Physical Review Letters 106, 2011

Nefedov, A. et al.: PKE-Nefedov: plasma crystal experiments on the International Space Station. New Journal of Physics 5, 2003

Pustylnik, M. et al.: Plasmakristall-4: New complex (dusty) plasma laboratory on board the International Space Station. Review of Scientific Instr. 87, 2016

Thoma, M., Kretschmer, M.: Staub in Reih und Glied. Astronomie Heute 3/2006, S. 34 - 38

Thomas, H. et al.: Complex plasma laboratory PK-3 Plus on the International Space Station. New Journal of Physics 10, 2008

Winslow, W. M.: Induced Fibration of Suspensions. Journal of Applied Physics 20, 1949


DLR

ESA

M. Kretschmer, Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik

C. Knapek, M. Kretschmer / Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik

NASA / JPL

ESA

Roskosmos / NASA

Universität Gießen