Plasmakristall im All

Experiment des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik auf der „Taximission“ zur Internationalen Raumstation dabei

An der am 25. April gestarteten „Taximission“ zur Internationalen Raumstation (ISS) ist auch das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching mit seinem Plasmakristall-Experiment (PKE) vertreten. Unter Schwerelosigkeitsbedingungen sollen vom 1. bis zum 4. Mai in diesem kleinen Labor Versuche laufen, in denen die Einzelbewegungen der Plasmateilchen sichtbar gemacht werden können. Das Experiment dient der grundlegenden Erforschung der vor wenigen Jahren von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik entdeckten flüssigen und kristallinen Plasmazustände. „Das Experiment soll unter anderem dazu beitragen, komplexe Vorgänge wie Schmelzen, Kondensation und Kristallbildung auf dem fundamentalsten Niveau – der Bewegung einzelner Teilchen – zu verstehen“, sagt Prof. Gregor Morfill. Das Labor war das erste naturwissenschaftliche Experiment auf der ISS und wird in Zusammenarbeit mit Forschern der Russischen Akademie der Wissenschaften betrieben.

Ein Plasma ist ein ionisiertes, elektrisch leitendes Gas aus Elektronen und Ionen und neben „fest“, „flüssig“ und „gasförmig“ die vierte Zustandsform der Materie. Plasmen begegnen uns im täglichen Leben, zum Beispiel in einer Kerzenflamme oder in dem Gas in einer Leuchtstoffröhre. 99 Prozent der sichtbaren Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand. Um ein Plasma zu kristallisieren, bedarf es der Zugabe von Mikropartikeln („Staub“). Diese Teilchen – die Wissenschaftler verwenden Kunststoff-Kügelchen mit einer Größe ab einem Tausendstel Millimeter – werden im Plasma aufgeladen und beginnen bei hoher Dichte miteinander zu wechselwirken. Sie formen schließlich ein so genanntes komplexes oder „staubiges“ Plasma. Diese Wechselwirkung kann zu einer starken Kopplung (Flüssigkeit) führen, bis hin zur Kristallisation der Partikel in typischen Abständen von einem Zehntel Millimeter: dem „Plasmakristall“.

Solche Plasmakristalle zeichnen sich durch besondere Eigenschaften aus: Teilchen können individuell beobachtet werden; Zeitskalen werden durch die im Vergleich zu den einzelnen Atomen große Masse der Partikel verlangsamt, was eine hohe zeitliche Auflösung der beobachteten Prozesse bedeutet; Teilchen können individuell kontrolliert und manipuliert werden, was „aktive“ Experimente erlaubt. Das alles ermöglicht einen ganz neuen Zugang zur Physik kondensierter Materie und eröffnet Wege zur Entwicklung neuer Materialien.

Seitdem Plasmakristalle im Jahr 1994 im Labor entdeckt wurden, ist deren Untersuchung auf theoretischer und experimenteller Basis sehr stark angestiegen. Die Schwerkraft spielt eine besondere Rolle im Aufbau von Plasmakristallen. Unter den Bedingungen im irdischen Labor lassen sich im Wesentlichen nur zweidimensionale Plasmakristalle bilden. Unter Schwerelosigkeit dagegen formen sich große, dreidimensionale Plasmakristalle. Für diese Versuche nutzt das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik die Internationale Raumstation (ISS). Im März vergangenen Jahres wurde das Plasmakristall-Experiment in Zusammenarbeit mit der russischen Raumfahrtagentur als eines der ersten wissenschaftlichen Versuche an Bord der ISS ausgeführt.

Während der am 25. April gestarteten „Taximission“ sollen die Versuche fortgesetzt werden. Alle Daten werden auf Videobändern aufgezeichnet und nach dem Ende des Experiments für die Auswertung zur Erde zurückgebracht.

Der Missionsablauf im Überblick

25.04.2002: Start der Kosmonauten Juri Gidzenko, Roberto Vittori und Mark Shuttleworth
27.04.2002: Ankunft auf der Internationalen Raumstation (ISS)
28.04.2002: Aufbau des Experiments durch die Kosmonauten Juri Gidzenko und Yuri Onufrienko
29.04.2002: Vakuumanschluss, Pumpen (15 Stunden)
30.04.2002: Pumpen (15 Stunden) und Softwareeingabe
01.05.2002: Erstes Basisexperiment (90 Minuten)
02.05.2002: Zweites Basisexperiment (90 Minuten)
03.05.2002: Erstes Kristallisationsexperiment (90 Minuten)
04.05.2002: Zweites Kristallisationsexperiment (90 Minuten) und Abbau des Versuchs
05.05.2002: Rückkehr zur Erde