Erforschung Komplexer Plasmen unter Schwerelosigkeit

Abstract

Einleitung: Um die Untersuchung der Grundlagen der Physik von stark gekoppelten klassisch wechselwirkenden Systemen im Bereich der komplexen Plasmen in ganzer Breite durchzuführen benötigt es Forschung im Labor und unter Schwerelosigkeit, begleitende Theorie und Simulation und nichtlineare Daten-analyse. Alles zusammen ermöglicht eine ausgewogene und komplementäre Forschung. Die Forschung unter Schwerelosigkeit stellt dabei eine wesentliche Säule. Die Ziele der Zuwendung sind: 1. Die Nutzung des Labors PK-4 auf der ISS in enger Kooperation mit unserem russischen Partner und einer internationalen Wissenschaftsgemeinschaft. Sowohl grundlegende Eigenschaften des komplexen Plasmas werden untersucht, wie die Aufladung der Partikel im Plasma oder deren Selbstorganisation, als auch Phänomene aus der Flüssigkeits- und Festkörper-Physik. 2. Die Entwicklung und Vorbereitung des nächsten Multi-User Labors Ekoplasma für die ISS inklusive wissenschaftlicher und technologischer Tests im Labor und auf Parabelflügen. Gegenüber PK-4 bietet dieses Labor einen viel breiteren Parameterbereich und ermöglicht dadurch die erweiterte Forschung auch neuer Themenbereiche, wie z.B. aktiver Partikel, durch viel größere Systeme und einer 3-D Partikeldiagnostik. Methoden: PK-4 ist unser aktuelles Labor auf der ISS, dessen wissenschaftlicher Teil in unserer Gruppe entwickelt, gebaut, kalibriert und qualifiziert wurde. Seit 2014 steht es auf der ISS im Columbus-Modul zur Verfügung und wird regelmäßig in Kampagnen wissenschaftlich genutzt. Unsere Gruppe ist an dieser Nutzung maßgeblich beteiligt, plant und testet wissenschaftliche Experimente und führt sie dann vom Kontrollzentrum CADMOS in Toulouse durch. Datenauswertung sowie begleitende Theorie und numerische Simulation wird in unserer Gruppe und in Zusammenarbeit mit unserem russischen Partner RAS-JIHT sowie einer großen internationalen Gemeinschaft durchgeführt. Ekoplasma: Als nächstes Langzeit-Labor für die ISS wird Ekoplasma bei uns in der Gruppe entwickelt. Es wird im Labor und auf Parabelflugkampagnen technisch getestet und liefert interessante wissenschaftliche Ergebnisse, die die großen Möglichkeiten von Ekoplasma für die Zukunft belegen. Ergebnisse: PK-4: seit 2015 wurden 7 wissenschaftliche Kampagnen auf der ISS durchgeführt mit Untersuchungen zu: Ladungen und Ionenreibung, selbstinduzierte Wellen, String-Bildung und Wellenausbreitung in elektrorheologischen Plasmen, Laser-induzierte Scherung von Kristallen und Flüssigkeiten, transversale Instabilitäten, Schockwellen, Laning-Übergang in binären komplexen Plasmen. Ekoplasma: Durchführung von 3 Parabelflugkampagnen (2015, 2016 und 2019) mit Breadboard-Modellen von Ekoplasma, Durchführung einer Akkommodation- und Phase A Untersuchung mit der Weltraumindustrie. Schlussfolgerungen: Mit komplexen Plasmen hat man ein klassisches Mehrteilchen-System zur Verfügung, das auf der einen Seite ermöglicht generische, skaleninvariante Prozesse aus der Flüssigkeits- und Festkörperphysik auf dem fundamentalsten Level der Kinetik einzelner Partikel (Proxyatome) zu untersuchen, auf der anderen Seite liefert es interessante Einblicke in Effekte, die speziell in komplexen Plasmen auftreten. Beides bildet Lehrbuchwissen für die Zukunft und kann in vielen Bereichen, wo natürliche oder künstliche staubige Plasmen bzw. geladene Staubpartikel auftreten, wie z.B. auf dem Mond oder Mars, in unserer Erdatmosphäre, oder in Prozeß- und Fusionsplasmen, genutzt werden. Das aktuelle Labor PK-4 auf der ISS soll bis 2022 betrieben werden und steht für diese interdisziplinäre Forschung zur Verfügung. Durch die fortgeschrittene Entwicklung des Labors Ekoplasma kann die ISS auch in seiner verlängerten Nutzungsphase bis 2030 für die Erforschung komplexer Plasmen genutzt werden. Darüber hinaus werden junge Wissenschaftler und Ingenieure an einem Projekt geschult, daß sich an vorderster Front der Wissenschaft und Technologie befindet. Die Miniaturisierung von Tabletop-Laboren für die Raumfahrt und auch die besondere Bedeutung von sicherheitsrelevanten Eigenschaften der Anlagen in der bemannten Raumfahrt erzeugen technologisches Knowhow, das auch in ganzen anderen, teils anwendungsorientierten Bereichen von Nutzen sein kann, wie schon im Bereich der Plasmamedizin und Plasmahygiene gezeigt.