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INTERVIEW/006: Kernfusion und Plasmaforschung - Plasma fischen, Stäube wischen ...    Prof. Dr. André Melzer im Gespräch (SB)


Pressereise zur Startvorbereitung für den Wendelstein 7-X & Plasmaphysik im All und auf der Haut

Interview mit Prof. Dr. André Melzer am 18. August 2015 am Institut für Physik der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald


So wie nicht aus jedem Saatkorn ein Baum entsteht, dessen Früchte den Menschen Nahrung liefern, führt nicht jede physikalische Grundlagenforschung zu einer direkten Umsetzung in einen Gegenstand des Gebrauchs. Aber keine Frucht ohne Saatkorn und kein Gegenstand, ohne daß nicht an irgendeiner Stelle seiner Herstellung physikalische Grundlagenforschung eingeflossen wäre. So war es folgerichtig von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG), bei der von ihr organisierten Pressereise am 17., 18. August 2015 zum Thema Plasmaphysik in Greifswald nicht nur dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) und dem Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie (INP), sondern auch dem Institut für Physik (IfP) der Ernst-Moritz-Arndt-Universität einen Besuch abzustatten.


Der Interviewpartner vor physikalischen Laboreinrichtungen - Foto: © 2015 by Schattenblick

Prof. Dr. André Melzer
Foto: © 2015 by Schattenblick

Hatte man beim Wendelstein 7-X schon den Eindruck, daß dort Grundlagenforschung betrieben wird, weil der Forschungsreaktor keine Energie produzieren, sondern "nur" Erkenntnisse für einen zukünftig zu bauenden Fusionsreaktor liefern soll, so galt das für das Institut für Physik um so mehr. Da wird beispielsweise - filmkulissenreif in einem im Keller des IfP-Gebäudes angesiedelten und mit lautstark brummenden Geräten bestückten Labor - an für den Laien so merkwürdigen Dingen wie in Plasma eingebetteten Silber-, Gold- oder Aluminium-Atomclustern geforscht, die mit zusätzlichen Elektronen ausgestattet werden sollen.

Nur zur Auffrischung des Schulwissens: Elektronen halten sich wahrscheinlich irgendwo auf ... sie halten aber auch alles zusammen, zumindest all das, was dem Zugriff Widerstand bietet, sei es fest, flüssig oder gasförmig. Nur Plasma nicht. Dort ist die Elektronenbindung an die Atomkerne aufgelöst, beide flitzen wild durcheinander, solange dem Plasma genügend Energie zugeführt wird. Wird dies unterbunden, finden sich Atomkerne und Elektronen wieder zusammen und alles ist in Ordnung.

In einem weiteren Labor des IfP wird in einer Vakuumkammer, salopp gesprochen, Staub aufgewirbelt und mittels eines Argonplasmas wieder eingefangen, das heißt in Schwebe gehalten. Durch das mit einem Laser angestrahlte staubige Plasma wandern manchmal "selbsterregte Dichtewellen", wie man sie auch im Weltall schon beobachtet haben will.


Laboranordnung mit Laser - Foto: © 2015 by Schattenblick Blick auf Sichtfenster, hinter dem sich das angeleuchtete Plasma befindet - Foto: © 2015 by Schattenblick Blick auf Sichtfenster, hinter dem sich das angeleuchtete Plasma befindet - Foto: © 2015 by Schattenblick

Gleich große Teilchen verteilen sich regelmäßig, sie werden im Plasma aufgeladen und stoßen sich gegenseitig ab. Die Teilchen werden mit Laser beleuchtet und mit Hilfe einer Videokamera wird die Struktur dieser Teilchen beobachtet. Daraus werden dann Eigenschaften wie die Ladung der Teilchen und die Stärke abgeleitet.
Fotos: © 2015 by Schattenblick

Hinter der Labortür gleich gegenüber werden 4,68 Mikrometer kleine Plastikkügelchen aus Melamin-Formaldehyd in ein Plasma eingebracht. Man will damit Staub simulieren und herausfinden, wie sich einzelne, bzw. kleine Gruppen form- und größenmäßig definierter "Staubteilchen" innerhalb des Plasmas verhalten. Das wird dann mit Kameras aus allen drei Raumrichtungen beobachtet. Man könnte mit so einer Anordnung die Teilchen sogar zum Tanzen bringen.

Manchmal packen die Physiker ihre Geräte auch ein, fahren nach Paris und stellen das Experiment in einem weitgehend leergeräumten Airbus auf. Der bringt sie dann auf rund 8.000 Meter Höhe und fliegt dort eine Reihe von Parabeln. Dabei wird jeweils über eine Zeitspanne von 20 Sekunden ein Zustand von vermeintlicher Schwerelosigkeit erreicht. Die kurze Zeit wird für Experimente zum Thema Staub in Plasmen genutzt, denn alles, was dann nicht festgezurrt ist - Staubteilchen, Kaffeebecher, Menschen - beginnt scheinbar frei im Raum zu schweben. Das Flugzeug als Gesamtsystem ist natürlich nicht schwerelos, sondern es fällt mit allem, was in ihm steckt, zunächst noch aufgrund des Schubs ein Stück nach oben und anschließend der Erde entgegen.

Wer jetzt glaubt, daß all das Forschungen sind, die mit seiner Lebenswirklichkeit nichts zu tun haben, sollte wissen, daß ohne die Plasmaforschung sich beispielsweise sein Handy allenfalls noch als Wurfgeschoß eignen würde. Was die Kommunikationsmöglichkeit auf einen Umkreis von höchstens 100 Meter beschränkte und auch nur unter der Voraussetzung, daß sich dort Menschen aufhalten, denen man das Ding an den Kopf werfen könnte - was vielleicht nicht die empfehlenswerteste Art wäre, eine Kommunikation aufzubauen. Telefonieren wäre jedenfalls nicht drin. Mikroprozessoren, wie sie unter anderem in Handys vorkommen, sind in einem erheblichen Ausmaß das Produkt von Plasmatechnologien.

Ohne Plasmagrundlagenforschung würde womöglich ein vom letzten Ersparten erworbener Neuwagen bereits nach einem Jahr rosten, weil die Beschichtung nicht hält, was sie verspricht, und die Supermarkt- Einkaufsplastiktüte verlöre beim ersten Regen ihre Farbe, was der Hose, an der dann die vollgepackte Tüte bei jedem Schritt riebe, gewiß einen postmodernen Anstrich verliehe, aber ob das unbedingt erwünscht ist, ist doch sehr die Frage.

Zwei der vier Labore, die am 18. August ihre Tür den Vertretern der Presse geöffnet haben, befinden sich in der Obhut von Prof. Dr. André Melzer. Er leitet die Arbeitsgruppe "Kolloidale Plasmen" bzw. staubige Plasmen. Das ist eigentlich keine nebensächliche Forschung, denn laut dem heutigen wissenschaftlichen Weltbild befindet sich über 99 Prozent des sichtbaren Universums in einem Plasmazustand, und meistens enthält das Plasma Staub. Als besonders spektakuläre Beispiele hierfür gelten die Ringe des Saturn und die Schweife von Kometen.


Kometenaufnahme vor Sternenhintergrund - Foto: Geoff Chester, United States Naval Observatory, freigegeben als gemeinfrei via Wikimedia Commons

Komet Hale-Bobb, 11. März 1997.
Das bläuliche Leuchten ist der Plasmaschweif, das weiße Leuchten der Staubschweif mit Staub und Plasma.
Foto: Geoff Chester, United States Naval Observatory, freigegeben als gemeinfrei via Wikimedia Commons

Am Rande der Laborführungen war Prof. Melzer bereit, dem Schattenblick einige Fragen zu beantworten.

Schattenblick (SB): Professor Melzer, Sie erforschen unter anderem das Verhalten von Staub. Im Alltagsverständnis wird Staub eher als lästig empfunden und Physik manchmal mit Begriffen wie "staubtrocken" belegt. Können Sie unserer Leserschaft erklären, was Staub so spannend macht?

Prof. André Melzer (AM): Wir benutzen nicht Staub, wie man das im landläufigen Begriff vielleicht vermuten könnte. Der Begriff "staubiges Plasma", wie wir ihn verstehen, bezeichnet ein Plasma, das zusätzlich Partikel enthält. Diese Partikel liegen typischerweise in der Größenordnung von wenigen Nanometern bis hin zu hundert Mikrometern vor. In unseren Grundlagenexperimenten sind es sogar Teilchen, die im Normalfall alle die gleiche Größe aufweisen. Die ist genau definiert, und am besten sollten die Partikel auch noch kugelrund sein, so daß man sehr detaillierte und ausreichende Kenntnis über die Teilchen und deren Eigenschaften hat, damit man zumindest das Ausgangsmaterial genau kennt.

SB: Manchmal, wenn die Sonne schräg ins Zimmer scheint, kann man schwebende Staubteilchen beobachten. Als Kind hat das dann Assoziationen zu den Sternen im Universum geweckt. Ist da etwas dran? Verhält sich Staub im Zimmer ähnlich wie im Weltall?

AM: Im Weltall kommt noch eine ganz wichtige Kraft hinzu, nämlich die elektrische Kraft. Man hat dort eigentlich immer eine Plasma-Umgebung, das heißt, dort liegen negative Elektronen und positive Ionen vor und die sorgen dafür, daß sich die Staubteilchen auch aufladen. Somit hat man dort ein Dreiersystem aus Elektronen, positiven Ionen und im Normalfall negativ geladenen Staubteilchen. Die elektrischen Kräfte zwischen diesen drei Komponenten bestimmen das Verhalten des Plasmas, des Staubs und die Wechselwirkung der Teilchen untereinander. Im Weltall hat man natürlich auch viel geringere Dichten des Gases als in einem Zimmer. Wenn man bei Sonnenlicht Staubpartikel sieht, die sich bewegen, spielen eigentlich immer nur Gravitation und vielleicht noch Gasbewegung, also die Bewegung der Luft, eine Rolle.

SB: Eine weitere Überschneidung von Staub aus dem Alltag betrifft die Feinstaubbelastung, von der immer die Rede ist. Haben Ihre Forschungen auch damit zu tun?

AM: Unsere Arbeitsgruppe direkt nicht, aber in der Tat ist das ein wichtiges Thema. Es ist schon so, daß beispielsweise Kraftwerke mit Entrauchungsanlagen ausgestattet sind, für die eine spezielle Art von Plasma, eine sogenannte Koronaentladung, genutzt wird, um die Teilchen aufzuladen und auf metallische Spitzen draufzuziehen. Die vermögen diese Staubteilchen aus den Abgasen von Kraftwerken rauszuziehen. Aber, wie gesagt, das ist jetzt keine Untersuchungsrichtung, die wir hier betreiben, sondern das liegt so ein bißchen nebenan.

SB: Gibt es Überschneidungen zwischen dem, was wir gestern im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik gesehen haben, und den Forschungen, die Sie hier betreiben?

AM: Das ist in der Tat eine gute Frage. Eine einfache Antwort ist die, daß in dem Fusionsreaktor des Max-Planck-Instituts das Plasma irgendwann mal an die Wand gelangen - auch wenn man das natürlich möglichst zu vermeiden versucht - und dort dafür sorgen wird, daß sich kleinste Partikel herauslösen. Diese können sich dann zu Staubpartikeln formen. An der Stelle wäre eine gewisse Überlappung zwischen Untersuchungen der staubigen Plasmen und der Fusionsforschung gegeben. Zu diesem Problem wurden auch schon einige Arbeiten verfaßt. Andere Arbeitsgruppen als meine haben sich genau dieses Problems der staubigen Plasmen in einem Fusionsreaktor, wenn man das so plakativ sagen möchte, angenommen.

Ansonsten wäre man in umgekehrter Richtung mit den Plasmabedingungen in einem Fusionsreaktor viel dichter an einem Weltraumplasma dran als mit dem, was wir hier machen. Insofern könnte man natürlich dann für astrophysikalische Situationen noch realistischere Bedingungen herstellen als in unseren Experimenten. Auch da gäbe es eine Überschneidung, die sozusagen erst im Wachsen begriffen ist. Da wird in Zukunft sicherlich auch was möglich sein.


Bildschirm, auf dem Plasmakammer zu sehen ist, in der Staubpartikel von Laser angeleuchtet sind - Foto: © 2015 by Schattenblick Schreibtisch mit drei Computerschirmen, auf denen ein bis drei Dutzend Lichtpunkte gezeigt werden - Foto: © 2015 by Schattenblick

Das Experiment: Ansammlung von normierten Partikeln im Plasma, zeitgleich aus allen drei Raumrichtungen aufgenommen. Dadurch ist das Verhalten jedes einzelnen "Staubkorns" beobachtbar.
Fotos: © 2015 by Schattenblick

SB: Meine nächste Frage besteht eigentlich aus zwei Teilen. Erstens, trifft die Vorstellung zu, daß Astrophysiker auf Fernerkundungsmethoden angewiesen sind und somit der letztgültige Beweis in dem Sinne für etwas, was man beobachtet, nicht erbracht werden kann, weil man es auch nicht widerlegbar ist? Handelt es sich somit um theoretische Modelle, die vielleicht ihre Schlüssigkeit aufweisen, aber immer nur für etwas, das zuvor aus der irdischen Welt übertragen wurde? Und zweitens, gibt es Erkenntnisse aus Beobachtungen des Alls, von denen man sagt, daß sie einen Nutzen für die erdgebundene Plasmaphysikforschung haben?

AM: Auch das ist eine schwierige Frage. Grundsätzlich ist es natürlich richtig, daß man hier auf der Erde nur Beobachtungen machen und dementsprechend Rückschlüsse ziehen kann auf das, was im Weltall passiert. Aber die Astrophysiker stützen sich dann natürlich auch auf Experimente, die es auf der Erde gibt. Insofern sind die verwendeten Diagnostikmethoden schon gut validiert. Man stochert da nicht nur im Nebel. Man hat da schon sehr genaue Kenntnis von dem, was man beobachtet. Trotzdem gibt es natürlich eine ganze Reihe von Fragen, zu denen man spekulieren muß, wie das im Zweifelsfall vonstatten geht. Das ist schon richtig.

Was die Frage betrifft, inwieweit man Erkenntnisse aus astrophysikalischen Plasmen auf irdische Plasmen übertragen kann, gibt es eine ganze Reihe von Aspekten, die dabei eine Rolle spielen. Eigentlich gilt das für all das, was mit Plasmen und Magnetfeldern zusammenhängt. Es gibt quasi keine astrophysikalischen Plasmen ohne Magnetfelder. Und alle Erkenntnisse, die man aus der Astrophysik zur Wechselwirkung von Plasmen mit Magnetfeldern gewinnt, haben natürlich auch Auswirkungen auf das, was man hier auf der Erde dann nachbilden oder untersuchen kann.

SB: Entwickelt sich eigentlich von den kosmologischen Vorstellungen her das Universum mehr in Richtung Plasma oder mehr in Richtung der Bildung von Atomen durch die Verbindung von Ionen und Elektronen? Verclustert die Materie immer mehr?

AM: Das Universum expandiert. Ich könnte mir vorstellen, daß es so etwas wie Materiecluster gibt, die dann sehr weit voneinander entfernt in einem expandierenden Universum existieren. Aber in welche Richtung sich das entwickelt, kann ich nicht sagen.

SB: Man liest ja hin und wieder von Begriffen wie "dunkle Materie" und "dunkle Energie" als Bestandteil des physikalischen Weltbilds. Werden diese dem Plasma zugeordnet?

AM: Nein, das ist völlig unabhängig davon. Dunkle Materie und dunkle Energie heißen ja deshalb so, weil man sie nicht sehen kann. Und Plasmen kann man im Prinzip sehen.

SB: In Ihrem Vortrag berichteten Sie, daß Ihre Forschergruppe demnächst wieder Experimente in Parabelflügen durchführen wird. Waren Sie auf dem Bild zu erkennen, das Sie beim Vortrag gezeigt haben? Oder haben Sie selbst schon mal an einem Parabelflug teilgenommen?

AM: Ich glaube, auf dem Bild, das ich gezeigt habe, bin ich nicht mit drauf, aber ich habe schon mehrfach an Parabelflügen teilgenommen.

SB: Herr Melzer, vielen Dank für das Gespräch.


Schwarzweißaufnahme eines Ausschnitts der Saturnringe - Foto: NASA

In der Ringstruktur des Saturn sind radial verlaufende, dunklere Abschattungen zu erkennen. Diese "Speichen" genannten Phänomene entstehen innerhalb von wenigen Minuten, bleiben für ein paar Stunden und verschwinden dann wieder. Prof. Melzer erklärte bei seinem Vortrag: "Das sind Prozesse, die viel zu schnell sind, um sie einfach nur gravitativ erklären zu können. Da muß eine elektrische Wechselwirkung der Staubteilchen mit dem Plasma passieren, damit man so etwas überhaupt erklären kann."
Aufnahme vom 22. August 1981 durch die Raumsonde Voyager 2 aus einem Abstand von vier Millionen Kilometern.
Foto: NASA


Zum Forschungsreaktor Wendelstein 7-X und der Pressereise nach Greifswald sind bisher, mit dem kategorischen Titel "Kernfusion und Plasmaforschung" versehen, im Pool NATURWISSENSCHAFTEN → REPORT erschienen:

BERICHT/001: Kernfusion und Plasmaforschung - Im Spannungsfeld der Vielversprechen ... (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrbe0001.html

BERICHT/002: Kernfusion und Plasmaforschung - Fortschritts- und Entwicklungsfragen ... (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrbe0002.html

INTERVIEW/001: Kernfusion und Plasmaforschung - hoffen, forschen, wünschen ...    Prof. Dr. Thomas Klinger im Gespräch (1) (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrin0001.html

INTERVIEW/002: Kernfusion und Plasmaforschung - hoffen, forschen, wünschen ...    Prof. Dr. Thomas Klinger im Gespräch (2) (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrin0002.html

INTERVIEW/003: Kernfusion und Plasmaforschung - Heiße Luft und ihre Ströme ...    Prof. Dr. Klaus-Dieter Weltmann im Gespräch (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrin0003.html

INTERVIEW/004: Kernfusion und Plasmaforschung - alte Gefahren im neuen Gewand ...    Prof. Dr. Robert Wolf im Gespräch (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrin0004.html

INTERVIEW/005: Kernfusion und Plasmaforschung - dem Fortschritt vertrauen ...    Jean Pütz im Gespräch (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrin0005.html

2. September 2015


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