von DIRK EIDEMÜLLER
Das Plasmakristall-Experiment ist die älteste noch in Betrieb befindliche Versuchsreihe an Bord der Internationalen Raumstation (ISS). Seit rund zwanzig Jahren ist es im Dienst und liefert, nunmehr runderneuert in der vierten Generation, Daten zu den unterschiedlichsten Fragestellungen – von der Materialforschung bis zur Planetenentstehung. Die Datenmengen, die das Plasmakristall-Experiment produziert, sind so groß, dass sie nicht per Funk an die Bodenstation übertragen werden können, sondern als Festplattenstapel mit dem Raumtransporter geliefert werden.
Das Besondere an diesem Experiment ist, dass es nicht nur mit Plasma arbeitet – also ionisierten Atomen und Molekülen, die ein Elektron oder mehrere abgegeben haben –, sondern zusätzlich auch mit kleinen Partikeln, die darin herumfliegen: Staubteilchen oder auch Mikrokügelchen. In der Schwerelosigkeit des Alls können die frei im Plasma schwebenden Mikropartikel dreidimensionale Strukturen erzeugen. Damit lassen sich verschiedene Materialsysteme simulieren. Dank dieser Vielseitigkeit ist das Experiment, ganz wörtlich, ein echter „Dauerbrenner“ auf der ISS. Denn solche Experimente sind nur in Schwerelosigkeit möglich, da die Mikropartikel im Plasma schweben und nicht auf den Boden fallen.
Seit 2007 ist bekannt, dass in einem solchen komplexen Plasma Ketten aus Staubpartikeln entstehen können, wenn ein externes elektrisches Wechselfeld angelegt wird. Das beschrieb erstmals ein internationales Team, dem auch Physiker vom Max-Plank-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching angehörten. „Das ist unter anderem deswegen interessant, weil auch elektrorheologische Flüssigkeiten solche Ketten bilden können”, sagt Eshita Joshi vom Institut für Materialphysik im Weltraum des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Rheologie („Fließkunde“) ist die Wissenschaft vom Verhalten von Strömungen und Verformungen elastischer Materialien. Elektrorheologische Flüssigkeiten zählen zu den smarten Materialien, die künftig vermehrt in der Industrie und in elektronischen Geräten zum Einsatz kommen sollen, weil sich ihr Verhalten elektrisch einstellen lässt.
Um elektrorheologische Flüssigkeiten besser mit schwerelosem Plasma zu simulieren, musste zunächst das Rätsel gelöst werden, wie sich die Plasmaketten bilden. Mithilfe von neuen Versuchen und Computersimulationen ist das nun geglückt.
„Wenn man ein elektrisches Wechselfeld anlegt, dann gehorchen die Ionen des Plasmas und die Mikropartikel zwar denselben Kräften”, sagt Joshi. „Aber wenn die Frequenz des Feldes hoch genug ist, dann können ihm nur die Ionen folgen und nicht die sehr viel schwereren Mikropartikel.“ Das führt dazu, dass sich bei einem Wechselfeld von etwa 500 Hertz vor und hinter den Mikroteilchen Ionen ansammeln. Dadurch verändert sich das elektrische Potenzial zwischen den Partikeln ein wenig. In Summe ergibt sich zwar keine Anziehung, aber eine etwas schwächere Abstoßung als ohne Wechselfeld. „Das reicht aus, um die Ausbildung der Plasmaketten zu erklären“, sagt Joshi.
