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Universitätsdruckerei

Staub und Plasma

Verstehen, wie Sterne entstehen, und Grundlagen schaffen für optimierte Techno­logieverfahren – den Schlüssel hierzu liefern »komplexe Plasmen«.

Die Plasmaphysik ist ein wichtiger Forschungsbereich der Zukunft. Davon ist Professor Alexander Piel vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik überzeugt. »Die so genannten Niedertemperatur- oder technologischen Plasmen haben in den letzten zwanzig Jahren eine Schlüsselstellung erobert«, betont der Kieler Physiker. Plasmabildschirme, Energiesparlampen oder Hochleistungslampen für Datenprojektoren sind nur ein kleiner Ausschnitt aus der Fülle der Einsatzgebiete von Plasmatechnologie. Die freien, energiereichen Elektronen, die ein Plasma kennzeichnen, machen es sehr reaktionsfreudig.

Dadurch kann es Oberflächen von Werkstoffen vielfältig und in weiten Bereichen verändern. Die Halbleiterindustrie benutzt Plasmaprozesse bei mehr als 60 Prozent aller Verfahrensschritte, zum Beispiel zum Plasmaätzen von feinsten Chipstrukturen. Auch Solarzellen werden mit Plasmaverfahren hergestellt. Es lassen sich damit ganz neue Oberflächeneigenschaften erzeugen oder verbreitete Verfahrenstechniken rationeller und umweltfreundlicher machen. In der Textilindustrie zum Beispiel: »Früher wurde Wolle mittels organischer Halogenverbindungen gegen Verfilzen geschützt«, so Piel. »Dadurch erzeugte man umweltbelastende Abfälle. Mittlerweile wird die Wolle mit einem Plasmaverfahren aktiviert.«

Um die Verfahren weiterzuentwickeln, bedarf es noch wei­terer Forschung. »Es gibt eine Vielzahl ungeklärter Einzel­phänomene fundamentaler Art«, betont der Plasmaphy­siker. Um diesen auf den Grund zu gehen, hat Piel zusammen mit Professor Jürgen Meichsner von der Univer­sität Greifswald einen Transregionalen Sonder­forschungs­bereich TR 24 »Grundlagen komplexer Plasmen« initiiert und erfolgreich Mittel von der Deutschen Forschungs­gemein­schaft eingeworben. Das auf zwölf Jahre angelegte Forschungskonzept wird im Rahmen von 15 Teilprojekten gemeinsam von Physikern der beiden Universitäten in Greifswald und Kiel sowie von Wissenschaftlern des Instituts für Niedertemperatur- Plasmaphysik Greifswald und des Max- Planck-Instituts für Plasmaphysik, Teilinstitut Greifswald getragen. In Kiel sind die beiden physikalischen Institute beteiligt.

Im Zentrum der Forschungsarbeiten stehen komplexe Plasmen. Damit meinen Physiker Plasmen, die durch die Anwesenheit zusätzlicher Komponenten – wie kleinster Partikel oder reaktiver Moleküle – bestimmt sind oder durch physikalische Prozesse und chemische Reaktionen an Oberflächen beeinflusst werden. Diese Situationen trifft man sowohl bei technologischen Plasmaverfahren als auch im Weltraum an. Die Mischung von Staub und Plasma findet sich im Kosmos in den Sternentstehungsregionen, in den Ringen der großen Planeten und in Kometen. Viele technische Plasmen enthalten Pulver als Prozessbestanteil oder als Abfallprodukt.

Im Rahmen des TR 24 untersuchen die Wissenschaftler in Kiel und Greifswald die vielfältigen Prozesse, die sich bei der Wechselwirkung von Plasma und Materialoberflächen ergeben, wie Staubteilchen im Plasma wachsen können oder wie Staubteilchen miteinander wechselwirken. Eine Fragestellung, der die Greifswalder Forschergruppen nachgehen, widmet sich zum Beispiel der Abscheidung von Nanopartikeln. Bei Solarzellen weiß man, dass die in die Siliziumschicht eingebrachten Nanokristalle die Effizienz und Lebensdauer erhöhen. Aber um das weiter zu optimieren, muss man die Vorgänge besser verstehen.

Der Forschungsschwerpunkt in Kiel innerhalb des TR 24 liegt auf der Erforschung der Eigenschaften von so genannten Plasmakristallen. Piel: »Das sind regelmäßige Anordnungen von Mikrometer (tausendstel Millimeter) großen Partikeln in Plasmen. Mit optischen Mikroskopen und einer Videokamera beobachten wir, wie sich diese Modellsysteme verhalten. Erst kürzlich haben wir kugelförmige Kristalle mit einer völlig ungewöhnlichen Kristallstruktur gefunden, in denen die Partikel in einer Anordnung mit ineinander verschachtelten »Zwiebelschalen« saßen. Das Interessante daran: Diese regelmäßigen Muster bilden sich nicht nur im Labor. Das tun sie auch im Weltraum im Inneren der weißen und braunen Zwerge. Alle Sterne entstehen aus einer ungeheuren Staubwolke, in der ein erster gezündeter Stern mit seiner UV-Strahlung Plasma erzeugt. Was macht Staub mit Plasma? Wie kann daraus etwas Neues entstehen? Das ist für mich eine fundamentale Fragestellung.« (ne)

www.ieap.uni-kiel.de/plasma/ag-piel
www.inp-greifswald.de/web.nsf/s-plasma

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