Von pudrigen Plasmen und Ionenantrieben zu neolithischer Kunst

Zündspannung

Die EPS-Konferenz ist mittlerweile bereits wieder zu Ende. Es gab wieder viele spannende Vorträge; zu viele, um von allen hier zu berichten. Zwei Themen möchte ich jetzt aber noch vorstellen, die beide Anwendungen der Plasmaphysik beinhalten:

A. Aanesland hat von einer neuartigen Art von Ionenantrieben für Weltraumsonden berichtet. Wie bei normalen Raketentriebwerken wird bei Ionenantrieben eine vorantreibende Kraft auf das Raumschiff ausgeübt, indem der Rückstoß einer nach hinten ausgestoßenen Masse ausgenutzt wird. Der Unterschied zwischen normalen Rakteten- und Ionenantrieben ist, dass diese Masse nun aus Ionen besteht, die durch ein elektrisches Feld von der Sonde wegbeschleunigt werden.

Um nun eine immer stärker werdende Aufladung der Sonde zu verhindern, müssen die Ionen wieder neutralisiert werden, nachdem sie das System verlassen haben. Dies geschieht herkömmlicherweise mit Elektronen, mit denen die Ionen rekombinieren.

Wie Frau Aanesland berichtet, ist die Kathodenröhre, mit der die Elektronen erzeugt werden, normalerweise das Hauptproblem der Ionenantriebe – sie hat nur eine kurze Lebenszeit und ist fehleranfällig. Um dies zu umgehen, arbeitet Dr. Aanesland an einem Antrieb, in dem positiv und negativ geladene Ionen beschleunigt werden. Diese rekombinieren nach dem Austritt aus der Sonde automatisch, und eine Aufladung wird vermieden.

In einem ersten Prototyp werden die Ionen dabei aus dem sogenannten "Afterglow" eines Plasmas verwendet – das ist das Plasma, kurz nachdem die Erzeugungsspannung ausgeschaltet wurde. Der Afterglow hat den Vorteil, dass schon viele von den leichten Elektronen an die Wände geflogen und somit "verschwunden" sind. Das Plasma wird dann gepulst betrieben, so dass man immer wieder Ionen aus dem Afterglow verwenden kann. Sie werden dann mithilfe eines elektrischen Felds aus dem Antrieb heraus beschleunigt.

Natürlich kann man die unterschiedlich geladenen Teilchen nicht einfach mit demselben elektrischen Feld beschleunigen, und so werden fluktuierende elektrische Felder zur Beschleunigung verwendet – genaueres wurde wegen eines laufenden Patentantrags nicht verraten.

In einem zweiten Vortrag berichtete Holger Kersten über eine Anwendung von komplexen Plasmen (also Plasmen, in denen sich Mikrometer große Kugeln befinden, zusätzlich zu den Elektronen, Ionen und Neutralteilchen – mein Fachgebiet). Und zwar können Plasmen verwendet werden, um Puder zu erzeugen oder zu modifizieren.

Chemische Prozesse im Plasma können dann dazu führen, die Oberflächeneigenschaften der Teilchen zu verändern. Zum Beispiel können die Teilchen besser in Flüssigkeiten lösbar gemacht werden – Herr Kersten hat dazu Bilder gezeigt, in denen Teilchen in einer Flüssigkeit waren, einmal vor, einmal nach der Behandlung. Im ersten Fall war die Flüssigkeit trüb, in zweiten durch die erhöhte Lösbarkeit durchsichtig geworden.

Solche Behandlungen können beispielsweise in einer Hohlkathoden-Entladung durchgeführt werden. Sie besteht aus einer Röhre, durch das Gas strömt, z.b. Argon und Sauerstoff. An den Seiten der Röhre sind Elektroden angebracht, die das Plasma erzeugen. Der Gasfluss trägt die Teilchen dann durch das Plasma hindurch.

Mit dieser Art von Teilchenbehandlung genau die gewünschtgen Eigenschaften zu erzielen, ist schon fast eine Art von Kunst – und Kunst haben wir uns auch auf dem Konferenzausflug nach Knowth angeschaut. Allerdings 5000 Jahre alte Kunst, aus der neolithischen Ära. Die Menschen damals haben Grabkammern und -gänge gebaut und dann künstliche Hügel darauf aufgetragen. Eine monumentale Leistung aus einer Zeit vor den Pyramiden von Gizeh. Rund um die Hügel waren Steine angeordnet, die mit abstrakter Kunst verziert waren – Kreise, Spiralen, eine Sonnenuhr. Zum Abschluss hier einige Eindrücke dieser Jahrtausende alter Kunst.

 

Knowth
Knowth
Knowth

 

Mierk Schwabe

Veröffentlicht von

Erhöht man die Spannung zwischen zwei Elektroden, die ein Gas umgeben, beginnt das Gas irgendwann zu leuchten: Freie Elektronen im Gas haben genug Energie, um die Gasteilchen zu ionisieren und noch mehr Elektronen aus den Atomen zu schlagen. Ein Plasma wurde gezündet, die Zündspannung ist erreicht. Gibt man nun noch zusätzlich Mikrometer große Teilchen in das Plasma, erhält man ein sogenanntes "Komplexes Plasma", mit dem ich mich zunächst als Doktorand und Post-Doc am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und nun an der University of California in Berkeley beschäftige. In diesem Blog möchte ich sowie ein wenig Einblick in den Alltag im Forschungsinstitut bieten, als auch über den (Plasma)-Rand hinaus blicken. Mierk Schwabe

3 Kommentare

  1. Kersten-Vortrag: Puder

    1) Handelt es sich bei dem im Plasma behandelten Puder um anorganisches Material?

    2) Kunststoffe werden manchmal mit Kathodenbestrahlung behandelt. Zerstörung und Neuaufbau molekularer Strukturen führt dabei zu einer Quervernetzung, welche die Produkteigenschaften ändert (z.B. deutlich erhöhte Feuerfestigkeit).
    Hat man solche Effekte auch bei Kunststoffpudern beobachtet?

  2. Kathodenröhre

    Es ist eine Form der „normalen“ aber variierten Elektronenröhre, nur dass sie im natürlichen Vakuum betrieben wird. Die Kathodenoberfläche wurde bei „normalen“ Röhren und ständiger Heizung bei betriebsmäßig längerer Sperrung der Röhre „taub“ und damit für Rechner ungeeignet. Die Kathode als Elektronenquelle war auch früher schon ein Problem der Langzeitstabilität, denn der Strom nahm mehr oder weniger in Abhängigkeit der Zeit ab. Schichtveränderungen – Varianten mit Bariumoxid – führten zur Langlebensdauerröhre. Die Höhe der Anodenspannung (kann)/hat negativen Einfluss auf die Kathodenoberfläche – zumindest mit der Zeit.
    Wodurch entstehen die „besonderen“ Probleme eigentlich im natürlichen Vakuum?

  3. Entschuldigung…

    Ich habe vor lauter Reiserei nach der EPS-Konferenz völlig diese Fragen hier vergessen.

    Ich fürchte, viel kann ich allerdings sowieso nicht zur Beantwortung beitragen. Leider hat Herr Kersten kein Paper zu seinem Vortrag erstellt, sonst könnte ich nachgucken… Soweit ich mich erinnern kann, waren die Puder aus anorganischem Material, ja – aber genau weiß ich es nicht mehr. Die Produkteigenenschaften wurden dabei allerdings durchaus verändert, zum Beispiel wurden die Materialien besser benetzbar.

    Ich werde mich mal nach einem Paper zu diesem Thema umschauen, das ja vermutlich für die nächste Zeit zu erwarten ist. Dann berichte ich in dem Blog noch mal genauer.

    Herr Deistung, ich verstehe Ihre Frage leider nicht. Was meinen Sie mit “natürlichem Vakuum”?

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