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Plasmen


Spezialgebiet aus Physik

Thema: Plasmen

Der vierte Zustand

Drei Aggregatszustände gebe es, so lernen wir in der Schule: fest - flüssig - gasförmig. Und wenn der Physiklehrer ambitioniert ist, deutet er an, dass es noch einen vierten Zustand gibt: das Plasma. Jeder Stoff kann in ein Plasma überführt werden, was gar nicht so geheimnisvoll ist, wie es sich anhört: Man zünde sich eine Kerze an. In der Flamme trennen sich Elektronen von ihren Atomen, zurück bleiben elektrisch geladene "Ionen'. Bei der Hitze stoßen Elektronen und Ionen sowie Ionen mit Ionen ständig zusammen, was eben den Plasma-Zustand charakterisiert. Weitere Beispiele für Plasmen finden sich in Leuchtstoffröhren und Explosionen, Gewitterblitzen und der Ionosphäre in der oberen Lufthülle. Grundsätzlich kann man sagen, dass bei jeder Entladung ein, wenn auch kurzzeitiger Plasmazustand auftritt. Die Bezeichnung "Plasma" wurde Ende der zwanziger Jahre erstmals von Langmuir für einen Teil einer Niederdruckentladung verwendet.




Während auf der Erde die Bedingungen normalerweise ziemlich extrem sind, unter denen sich Plasmen bilden, ist im Weltall der vierte Zustand der Regelfall. 99 Prozent von dem, was wir dort sehen - die Sterne und die interstellaren Nebel - besteht aus Plasmen. Und noch auf einem weiteren Gebiet ist Plasmaphysik wichtig: In Fusionsreaktoren wird versucht, eine ebenso große Hitze, wie sie im Inneren der Sonne ist herzustellen. Ob dies gelingen wird, hängt unter anderem von den Auswirkungen bisher unzureichend verstandener mikroskopischer Reaktionen bei Ion-Ion- und Ion-Elektron-Stößen im Plasma ab. Vom Verständnis dieser Reaktionen hängt womöglich die Energieversorgung der Zukunft ab. 

Wer Stöße von Ionen mit Ionen oder von Elektronen mit Ionen untersuchen will, kann es sich leider nicht so einfach machen und eine Kerze anzünden. In der Flamme läuft eine Vielzahl verschiedenster Reaktionen ab, während das Interesse des Atomphysikers ist, möglichst jeden Reaktionstyp einzeln präparieren und untersuchen zu können. Das soll angeblich in Instituten für Kernphysik durch langjährige Entwicklung von Messverfahren gelungen sein, die auf der Überlagerung sauber präparierter Strahlen geladener Teilchen, eben von Ionen und Elektronen, beruhen. Eine besondere Spezialität der Schwerionenphysiker ist dabei der Einsatz hochgeladener Ionen, die durch Ablösung mehrerer oder gar aller Elektronen eines Atoms erzeugt werden. Solche hochgeladenen Ionen treten in natürlichen und künstlichen Plasmen auf, die durch energiereiche Elektronen oder durch Röntgenstrahlung ionisiert werden. Ihre Existenz wurde in den dreißiger Jahren durch intensive Beobachtung der Sonne und speziell der Sonnenkorona entdeckt. 

In Experimenten mit gekreuzten Strahlen aus mehrfach geladenen Ionen und Elektronen wurden ab 1977 weltweit zum ersten Mal am Strahlenzentrum Ionisationsprozesse untersucht, bei denen einem bereits mehrfach geladenen Ion weitere Elektronen entrissen werden. Dies markierte den Beginn einer bis heute äußerst fruchtbaren Erforschung der physikalischen Prozesse, die in Elektronenstößen zur Erzeugung hochgeladener Ionen führen. Ab 1981 begann man mit den Erforschungen von Ion-Ion-Stoßprozessen in Deutschland. Das Hauptproblem bei allen Experimenten mit Strahlen geladener Teilchen, seien es Ionen oder Elektronen, war zunächst einmal technischer Art, nämlich die Herstellung eines wirklich leeren Raums, sprich die Erzeugung von Ultrahochvakuum. Andernfalls ertrinkt der Experimentator in einer Flut von Untergrundsignalen, so wie das Zwitschern eines Vogels im Hintergrundlärm beim Start eines Jumbojets untergeht. 

Der Aufbau der neuen Ion-Ion-Streuapparatur stand in den Gründzügen bis 1983. Nach einiger Zeit war die Messtechnik soweit entwickelt, dass die ersten Ion-Ion-Stöße nachgewiesen werden konnten. Die ersten Fusionsreaktoren waren vorerst sehr klein und der nötige Vakuumzustand konnte kaum erreicht werden. Ein Zusammenstoß von einem Ion mit einem anderen Ion war nur schwer messbar.

Stöße zwischen Elektronen und Ionen markieren den Beginn der Atomphysik etwa 700.000 Jahre nach dem Urknall. Als sich das frühe Universum auf etwa 4000 Grad abgekühlt hatte, konnten sich Elektronen und Ionen erstmals dauerhaft zu Atomen zusammenfügen. Insbesondere kombinierten positiv geladene Protonen - die einfachste Form von Ionen - mit negativ geladenen Elektronen und formten so Wasserstoff, das einfachste aller Atome. Heute - mehr als ein Dutzend Milliarden Jahre später - liegt der größte Teil der sichtbaren Materie im Universum wieder als ionisiertes Plasma vor mit freien Ionen und Elektronen, häufig bei hohen Temperaturen. Aber auch die kalten interstellaren Leuchtnebel bestehen aus Plasma. Stöße zwischen Ionen und Ionen sowie Ionen und Elektronen gehören somit zu den fundamentalen Reaktionen, die die Entwicklung des Weltalls regieren. Näher an die Erde führen Phänomene wie die Sonnenkorona und die Ionosphäre über unserer Lufthülle.

Der kurzwellige Anteil des Sonnenlichts ionisiert in den oberen Schichten der Atmosphäre Atome, wobei zuerst einmal Elektronen und positive Ionen entstehen. In großen Höhen ist die Intensität der Strahlung sehr groß, aber die Gasdichte sehr klein, so dass nur wenige Ionen und Elektronen gebildet werden. Auch in den unteren Schichten der Atmosphäre ist die Ionisierungsrate klein: Dort ist zwar die Dichte an Atomen und Molekülen groß, aber die harte, energiereiche UV-Strahlung wurde in den darüber liegenden Schichten der Atmosphäre fast vollständig absorbiert. Zwischen diesen Bereichen gibt es eine Schicht, in der sowohl die Gasdichte als auch die Intensität der Strahlung so hoch ist, dass die Ionisierungsrate ihr Maximum erreicht. In 200 bis 400 Kilometer Höhe trifft man auf die höchste Elektronendichte mit bis zu einer Million freier Elektronen pro Kubikzentimeter. Nachts, wenn die Sonneneinstrahlung fehlt, geht die Dichte freier Elektronen je nach Höhe über der Erde bis auf fünf bis zehn Prozent des Tageswertes zurück. Im Dunkel der Nacht fangen dann Atome und Moleküle sowie deren positiv geladene Ionen frei bewegliche Elektronen ein. Moleküle brechen auf, negative Ionen entstehen und neutralisieren sich in Stößen mit positiven Ionen. Erst mit dem neuen Morgen beginnt wieder die Ionisationspumpe der Sonnenstrahlen die Ladungsträgerdichte zu erhöhen, und das Spiel beginnt von neuem.       




Eigenschaften eines Plasmas

In der Physik bezeichnet man als Plasma ein makroskopisches Vielteilchensystem, das insgesamt elektrisch neutral ist, aber so viele freie elektrische Ladungen enthält, dass deren elektromagnetische Wechselwirkung untereinander oder mit äußeren elektromagnetischen Feldern die Systemeigenschaften wesentlich bestimmt. Diese Definition erfasst vor allem ionisierte Gase, auf die der Begriff auch normalerweise angewandt (und oft auch leider beschränkt) wird. In dieser Arbeit richtet sich das Interesse auch hauptsächlich den gasförmigen Plasmen. Plasmaphysik und deren Methoden können sich aber auch auf andere Gebiete beziehen, wie zum Beispiel Halbleiter, Elektrolytlösungen oder metallische Leiter.

Um ein gasförmiges Plasma zu erzeugen, muss genügend Energie zugeführt werden, damit eine messbare Anzahl von Neutralatomen ionisiert wird. Ein Plasma ist dann ein Gemisch aus Neutralteilchen, freien Elektronen und Ionen. Im Plasma treten dann je nach der mittleren kinetischen Energie dieser Teilchen ein- oder mehrfachgeladene Ionen auf. Bei einer hohen Energie besteht ein Plasma aus "nackten" Atomkernen und Elektronen (bei einer noch höheren Energiezufuhr können Atomkerne gesprengt oder verschmolzen werden Kernfusion). Der Ionisationsprozess darf nicht als eine typische Plasmaeigenschaft angesehen werden, obwohl in vielen Fällen damit die Aufheizung auf eine hohe Temperatur gemeint ist. Es ist auch zu beachten, ob der Temperaturbegriff für das bestimmte Plasma relevant ist oder nicht.

Text Box: Brennendes Plasma in einem Reaktor. Hierbei werden Temperaturen von über 50 Mio. Grad erreichtDie meisten Plasmaeigenschaften hängen stark von den Anzahldichten der Plasmateilchen (vor allem der Elektronen) und ihren Energien bzw. der Temperatur - sofern diese definierbar ist - ab. In der Plasmaphysik gibt es eine ganze Reihe von Kriterien, nach denen sich Plasmen untergliedern lassen. So unterscheidet man beispielsweise Hochtemperaturplasmen von Niedrigtemperaturplasmen. Im Gegensatz zu Systemen mit hohen Temperaturen bestehen Niedrigtemperaturplasmen nicht einheitlich aus Ionen und Elektronen, sondern vielmehr aus einer Mischung von Ionen, Elektronen und noch intakten Atomen bzw. Molekülen. Weitere Unterscheidungskriterien sind z. B. der Druck oder die Elektronenkonzentration. Um die entsprechenden Zusammenhänge zu untersuchen, werden Plasmaparameter mit Methoden der Plasmadiagnostik gemessen. Bei vielen Laborplasmen, vor allem Hochenergieplasmen, die Lebensdauern von nur Milli- bis zu Nanosekunden haben, sind solche Messungen schwierig, zumal wenn sie zeitaufgelöst vorgenommen werden müssen. Die meisten Plasmaparameter können nur indirekt bestimmt werden. Vielfach eingesetzt wird die spektroskopische Untersuchung der vom Plasma emittierten (auch der absorbierten oder gestreuten) elektromagnetischen Strahlung, weil dies oft die einzige Messmethode ohne nachhaltige Störung des zu untersuchenden Plasmas darstellt. Plasmen können zur Herstellung von Lichtquellen verwendet werden, da man eine optische Strahlung von Plasmen erreichen kann.

Plasmen lassen sich nach ihren Elektronendichten (bzw. -anzahl) und ihren Temperaturen klassifizieren. Die Elektronendichte ne wird meistens in ne/m-3 angegeben. Zunächst einmal unterteilt man sie in relativistische (>108 K) und nichtrelativistische (<108 K) Plasmen. Ab der Elektronendichte von etwa 1030/ m-3 spricht man von idealen entarteten Plasmen, z.B. das Sonnenzentrum, das allerdings eine Temperatur von 108 K hat. Klassische ideale Plasmen haben eine Elektronendichte von bis zu 1017 Elektronen/m-3 und nichtideale Plasmen liegen auf der Skala zwischen den idealen Plasmen. Von einem idealen Plasma spricht man dann, wenn es sich als ein (mehr oder weniger) ideales Gas beschreiben lässt. Wenn aber in einem Plasma die potentielle Energie der Coulomb-Wechselwirkung  der geladenen Teilchen gegenüber ihrer kinetischen Energie nicht vernachlässigt werden kann, dann spricht man von einem nichtidealen Plasma.

Energiezufuhr für die Erzeugung eines Plasmas

Die für eine Plasmaerzeugung benötigte Energie kann auf unterschiedliche Weisen zugeführt werden:



Chemische Reaktionen, zum Beispiel Verbrennung, besonders wenn der Prozess explosivartig verläuft. Andere Möglichkeiten der Energiezufuhr: Kernspaltungsreaktionen, ohmsche Heizung beim Stromdurchgang, magnetische Kompression, Stosswellen oder sonstige  schnelle Kompressionen, elektromagnetische Strahlung (Laserstrahlung, Mikrowellenstrahlung) oder schnelle Teilchenstrahlen. Natürlich kommt bei kosmischen Objekten auch die Freisetzung von der Gravitationsenergie (unter dem Einfluss eigener Schwerkraft) in Frage.

Das ewige Problem bei der Plasmaerzeugung und der Erhaltung eines Plasmas ist und bleibt der Energieverlust, welcher zu einer raschen Abkühlung des Plasmas führt (was zu einer Rekombination der Ionen führt). Ein solches Plasma wird auch Kurzzeitplasma genannt. Um ein Plasma aufrecht zu erhalten (stationäres oder Langzeitplasma), kann Energie auf dieselben Arten, wie bei der Erzeugung, hinzugefügt werden. In sehr heißen Plasmen können außerdem noch Fusionsprozesse stattfinden, die den Erhaltungsvorgang eines Plasmas unterstützen können.


Kernfusionsplasmen und Kernfusionsreaktor

Wie schon vorher gesagt, kann man in einem Plasma Kernfusionsreaktionen erreichen. Dabei werden bestimmte Atome in einem Plasma, das mehrere Millionen Grad Celsius (wobei die Temperatur bei solchen Prozessen üblicherweise in K angegeben wird) heiß ist mit den zu verschmelzenden Atomen von außen beschossen. Ein Problem dabei war, dass in einem homogenen Feld das Plasma entlang der Feldlinien entweichen würde, daher entwickelte man verschiedene Magnetfeldkonfigurationen. Das erfolgreichste Modell ist von sowjetischen Physikern entworfen worden und trägt den Namen TOKAMAK. Dabei schaut der  Plasmaraum wie ein hohler Ring aus, dessen Wand eine Spule umgibt, die den elektrischen Strom leitet - somit ist das Feld in sich geschlossen und das Plasma kann nirgends entweichen. Damit das Plasma nicht an die Wände kommt (da es dann rasch abkühlen würde) wird der Pinch-Effekt genützt: parallele Ströme ziehen sich an und ein stromdurchflossenes Plasma schnürt sich in ein zylindrisches Rohr (das einen Ring bildet) von sich selbst ein.

Für Kernfusionen entschied man sich Isotope des Wasserstoffs zu verwenden: Tritium und Deuterium. Bei einer Fusion beider Atome (dieser Vorgang wird auch Zündung genannt) wird eine gewaltige Energie frei, die dann nicht nur das Plasma erhitzen könnte, sondern auch (sofern genug solcher Fusionen passiert sind) weiter genützt werden könnte (um Dampf zu erzeugen, der dann eine Turbine antreibt,usw.). Das Problem bei einer Fusion von Atomen ist folgendes: Atome stoßen sich normalerweise ab, solange sie in einer bestimmten Entfernung von einander liegen. Sobald diese Entfernung aber überwunden ist, sieht man die Auswirkungen des Coulombschen Wechselwirkungsgesetzes (die Protonen ziehen sich an). Sobald eine Fusion statt gefunden hat, ist die Masse des neuen Atoms kleiner als die Summe der Massen der vorigen 2 Atome - ∆m bringt Energie mit sich, die als Bindungsenergie nicht mehr eingesetzt werden kann (soll) nach der berühmten Formel  E=∆m . c2

Text Box: Das Prinzip für die Herstellung eines Plasmas in einem TOKAMAK-Reaktor

Die Untersuchung heißer Plasmen allgemein, geschieht in besonderen Versuchseinheiten. Diese Fusionsanlagen dienen vor allem zur Erforschung der Kernfusion. Auf Grund der hohen Temperaturen heißer Plasmen dürfen diese nicht mit den Wänden der Plasmakammer in Berührung kommen. Um das zu vermeiden, kommen, wie schon gesagt starke Magnetfelder zum Einsatz, mit denen das Plasma gehalten wird. In modernen Anlagen hat man bereits Temperaturen von nahezu 400 Millionen Grad erzeugen können - das entspräche fast der 27fachen Temperatur im Zentrum der Sonne. Ein weiteres Problem bei der Plasmaerzeugung nach dem Prinzip TOKAMAK ist, dass das Plasma an der Seite, die zum Zentrum der Anlage näher ist eine größere Dichte hat, als auf der anderen Seite. Daher weitet sich der Ring aus, was wieder zur Berührung der Plasmakammerwand führen könnte. Daher wird ein weiteres Magnetfeld verwendet, um dieses Problem zu beheben, das vertikal zu den ringförmigen Feldlinien ausgerichtet ist.











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