Helmholtz Forschungsakademie - Hessen für FAIR

Plasma – der vierte Aggregatzustand in Beschleunigung

Plasma – der vierte Aggregatzustand in Beschleunigung

Plasmen werden erzeugt, indem man ein Gas mit so viel Energie in Form von Druck oder Temperatur versetzt, dass einzelne oder sogar alle Elektronen aus der Elektronenhülle der Atome gestoßen werden. Dadurch entsteht ein Gebilde, was die griechische Übersetzung für Plasma ist, das aus positiv geladenen Ionen besteht, die von den freien negativ geladenen Elektronen umgeben werden. Plasma ist also weiterhin ein Teilchengemisch aus Ionen und Elektronen, nur dass diese voneinander getrennt existieren und nicht mehr wie bei den anderen Aggregatzuständen flüssig, fest und gasförmig in Atomen organisiert sind. Damit ist Plasma ein ionisiertes Gas, das elektrisch leitfähig ist. Es gilt als der vierte Aggregatzustand, der über ganz andere physikalische Eigenschaften verfügt als die anderen, wie eine besondere Leitfähigkeit oder die leichte Beeinflussbarkeit durch Magnetfelder. Obgleich er im Alltag viel unpopulärer ist als die anderen Aggregatzustände, so besteht nach wissenschaftlichen Schätzungen nahezu die gesamte Materie des Universums aus Plasma – insbesondere die Sterne und wahrscheinlich auch das Innenleben der Planeten. Aber auch im Alltag begegnet uns Plasma häufig unbewusst, beispielsweise in Kerzenflammen oder bei Gewitterblitzen. Optisch charakteristisch für Plasmen ist ihr Leuchten, welches durch die Strahlungsemission angeregter Gas-Atome, Ionen oder Moleküle hervorgerufen wird. Allerdings lässt sich dieses weder bei sehr kalten Plasmen, wie sie im Weltraum vorherrschen, noch bei sehr heißen Plasmen, bei denen die Atome vollständig ionisiert sind, beispielsweise im Inneren von Sternen, beobachten.

Doch noch einmal zurück zu den Planenten, denn in deren Innerem vermuten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR ein sogenanntes stark gekoppeltes Plasma. Dieses verwandelt gasförmige Elemente wie Wasserstoff, Xenon und Jod in einen metallischen Plasmazustand. Das heißt, dass die Atomkerne einen Gitterverband eingehen, während die Elektronen in einem Elektronengas umherschwirren, wie wir es auf der Erde bei Metallen wie Eisen beobachten können. Genau diese Spielart des Plasmas, das bei relativ niedrigen Temperaturen aber hohem Druck hergestellt werden kann, wollen die HFHF Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der neuen FAIR Anlage untersuchen. Dafür muss das Plasma natürlich im Labor hergestellt werden. Dies gelingt entweder durch den Beschuss von Materie mit zeitlich kurz hintereinander gepulsten Schwerionenstrahlen, sodass die beschossene Materie stark angeregt wird und ihre Elektronen freisetzt, durch die Erzeugung starker elektrischer Stromentladungen in einem Gas oder durch die Verwendung von starken Laserstrahlen. Das Plasma muss dabei durch beständige Energiezufuhr erhalten werden, denn sobald die Energiezufuhr ausbleibt beziehungsweise die Energieverluste durch Wärmeleitung oder Strahlungsemission die Zufuhr übersteigen, so löst sich der Plasmazustand auf. Die positiven und negativen Ladungsträger verbinden sich dann wieder zu neutralen Atomen, Molekülen und Radikalen. Mit Hilfe des Lasers lassen sich aber sogar Plasmen mit geringerer Dichte und höheren Temperaturen erzeugen, wodurch andere Bereiche des Übergangs in den Plasmazustand (Phasenübergang) zugänglich gemacht werden und der Forschung zur Verfügung stehen.

FAIR bietet dabei eine weltweit einmalige Kombination zwischen den Schwerionen- und Laserstrahlen. So wird ein von Schwerionenstrahlen erzeugtes Plasma durch einen aus einer anderen Richtung gleichzeitig eingeschossenen Laserstrahl analysiert und umgekehrt. Derart werden unterschiedliche Bereiche im Phasendiagramm erforschbar gemacht und neuartige Experimentier- und Beobachtungstechniken angewendet.

Im Rahmen der Plasmaforschung an FAIR kann auch die Trägheitsfusion näher erforscht werden, die die Energieversorgung der Zukunft revolutionieren könnte. Denn der Beschuss mit Schwerionenstrahlen kann kleine Wasserstoffkapseln so verdichten, dass ein Fusionsprozess zu Helium ausgelöst wird, der wiederum nutzbare Energien freisetzt. Es bietet sich den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR also ein weites Forschungsfeld, das viele Synergien mit sich bringt.

Plasma Ball
Plasma – der vierte Aggregatzustand in Beschleunigung