Staub der Erkenntnis

Ein gut verzahnter Sonderforschungsbereich der Kieler Uni ist mit seinen Experimenten den Geheimnissen von Plasmen auf der Spur.

Kinogänger erleben sofort ein Déjàvu, nur dass sich in diesem Szenario statt des verrückten Erfinders eher neugierige Forscher tummeln: Von einer Galerie aus, die mit allerlei geheimnis­vollen Gerätschaften angefüllt ist, führt eine Gittertreppe direkt hinunter in das "Herz" eines Laboratoriums – in diesem Fall zum "Dustwheel" im Physikzentrum der Kieler Uni.

Das Dustwheel ist ein großes Rad, in dem ein tonnenschwerer Magnet im Kreis gedreht werden kann. An seinem Rücken winden sich zahlreiche blaue Schläuche. »Die sind alle nur dazu da, um den Magneten zu kühlen«, erklärt Dr. Franko Greiner vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik.

Ein Blick zurück: Seit vier Jahren untersucht ein transregionaler, von der Deutschen Forschungsgesellschaft geförderter Sonderforschungsbereich (SFB) in 13 Teilprojekten "Grundlagen komplexer Plasmen". Beteiligt sind neben den beiden Instituten der Kieler Uni – der Experimentellen und Angewandten Physik sowie der Theoretischen Physik und Astrophysik – die Universität Greifswald sowie Wissenschaftler anderer Greifswalder Einrichtungen. Neu unter den eng verzahnten Teilbereichen des gerade um vier weitere Jahre verlängerten SFB ist ein Projekt der Technischen Fakultät in Kiel.

»Diese wissenschaftliche Kombination ist weltweit einmalig und kann ein besonderer Vorsprung für die Forschung der Kieler Uni sein«, sagt Greiner. Er selbst und Professor Alexander Piel, der den SFB gemeinsam mit Professor Jürgen Meichsner von der Greifswalder Uni initiierte, haben sich der "Dynamik magnetisierter staubiger Plasmen" angenommen.

Plasma und Staub treffen häufig aufeinander: Im Kosmos unter anderem bei der Entstehung von Planeten. Und in der Industrie beispielsweise bei der Produktion von hocheffektiven Solarzellen. Hier ist der Effekt gewollt. Störend kann sich der bei der Herstellung entstandene Staub bei der Produktion von Mikrochips – wie sie in Computern eingesetzt werden – auswirken, weil er dort empfindliche Strukturen zerstören kann.

In Kiel wird untersucht, zu welchen Wechselwirkungen es beim Aufeinander treffen von Staub und Plasma kommt – um das Weltall besser zu verstehen und Technologien zu optimieren.

Beim neuen Dusty-Plasma-Experiment, im Dustwheel, wird in einer Plexiglasröhre Plasma in Schlauchform erzeugt. Durch eine Öffnung kann man in das Innere der Röhre blicken: Das Vakuumgefäß wird leer gepumpt und dann bei ganz niedrigem Druck mit dem Edelgas Argon gefüllt. Über Elektroden wird eine Hochfrequenz angelegt, die Spannung ionisiert das Gas, das heißt, es wird ›zerrissen‹ in Ionen und Elektronen. So entsteht Plasma, das auch als vierter Aggregatzustand – neben fest, flüssig und gasförmig – bezeichnet wird. Um die langgezogene, dreidimensionale Form des Plasmas zu halten, die für dieses Experiment gewünscht ist, braucht es sehr starkes Magnetfeld. Das verwendete Netzteil hat mit einem Handyladegerät wenig gemein, es füllt einen Nebenraum und wartet mit einer elektrischen Leistung auf, die den Heizungsanlagen von 25 Einfamilienhäusern zusammen entspricht. Damit die Kupfer spulen im Magneten nicht durchbrennen, müssen sie hohl sein, so dass ständig kühlendes Wasser hindurchfließen kann. Daher das plätschernde Geräusch im Hintergrund. Langgezogen soll der Schlauch deswegen sein, weil das Plasma hierdurch eine besondere Form der Instabilität, die so genannten »Driftwellen« erzeugt, deren Veränderung durch Staub ebenfalls untersucht wird.

Fehlt nur noch der Staub. Ein Stockwerk höher ist in einer kleineren Versuchsanordnung aus den Anfangszeiten des SFB zu sehen, wie winzige Melamin-Kugeln per »Salzstreuer« in eine Plasmafläche gebracht wurden. Das würde hier nicht mehr funktionieren. Zum einen wäre die benötigte Menge an Kügelchen unbezahlbar, zum anderen würde die Schwerkraft in diesem Versuchsaufbau bewirken, dass die Teilchen einfach durch das Plasma hindurch fielen. Da hilft nur Nanostaub, der in diesem Labor selbst "gezüchtet" wird.

Die "Zutaten" für dieses Experiment sind nun vorhanden, die Forschung geht weiter, »die Experimente werden größer, die Staubteilchen kleiner, die Theorie komplizierter«, so Greiner, dem das aber Freude zu bereiten scheint. »Am Anfang war es ein Risikounternehmen. Inzwischen bin ich sicher, dass wir aus den Kinderschuhen hinaus sind. Aber es sind noch viele Fragen offen.«

Jana E. Seidel

Zuständig für die Pflege dieser Seite: Pressestelle der Universität, presse@uv.uni-kiel.de