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Experiments and modeling of dust particle heating resulting from changes in polarity switching in the PK-4 microgravity laboratory

McCabe, Lori Scott und Williams, Jeremiah und Thakur, Saikat Chakraborty und Konopka, Uwe und Kostadinova, Evdokiya und Pustylnik, Mikhail und Thomas, Hubertus M. und Thoma, Markus und Thomas, Edward (2025) Experiments and modeling of dust particle heating resulting from changes in polarity switching in the PK-4 microgravity laboratory. Physics of Plasmas, 32 (5). American Institute of Physics (AIP). doi: 10.1063/5.0244581. ISSN 1070-664X.

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Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.1063/5.0244581

Kurzfassung

In the presence of gravity, the micrometer-sized charged dust particles in a complex (dusty) plasma are compressed into thin layers. However, under the microgravity conditions of the Plasma Kristall-4 (PK-4) experiment on the International Space Station (ISS), the particles fill the plasma, allowing us to investigate the properties of a three-dimensional multi-particle system. This paper examines the change in the spatial ordering and thermal state of the particle system created when dust particles are stopped by periodic oscillations of the electric field, known as polarity switching, in a dc glow discharge plasma. Data from the ISS are compared against experiments performed using a ground�based reference version of PK-4 and numerical simulations. Initial results show substantive differences in the velocity distribution functions between experiments on the ground and in microgravity. There are also differences in the motion of the dust cloud; in microgravity, there is an expansion of the dust cloud at the application of polarity switching, which is not seen in the ground-based experiments. It is proposed that the dust cloud in microgravity gains thermal energy at the application of polarity switching due to this expansion. Simulation results suggest that this may be due to a modification in the effective screening length at the onset of polarity switching, which allows the dust particles to utilize energy from the potential energy in the configuration of the dust cloud. Experimental measurements and simulations show that an extended time (much greater than the Epstein drag decay) is required to dissipate this energy.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/215638/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Experiments and modeling of dust particle heating resulting from changes in polarity switching in the PK-4 microgravity laboratory
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
McCabe, Lori ScottNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0003-1748-0381NICHT SPEZIFIZIERT
Williams, JeremiahNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0002-5199-707XNICHT SPEZIFIZIERT
Thakur, Saikat ChakrabortyNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0002-8422-2705NICHT SPEZIFIZIERT
Konopka, UweNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0003-2437-0965NICHT SPEZIFIZIERT
Kostadinova, EvdokiyaNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0001-8816-332XNICHT SPEZIFIZIERT
Pustylnik, MikhailNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0002-4308-2830NICHT SPEZIFIZIERT
Thomas, Hubertus M.Hubertus.Thomas (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-8358-2023NICHT SPEZIFIZIERT
Thoma, MarkusNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0002-8816-9120NICHT SPEZIFIZIERT
Thomas, EdwardNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0002-7747-0284NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:1 Mai 2025
Erschienen in:Physics of Plasmas
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:32
DOI:10.1063/5.0244581
Verlag:American Institute of Physics (AIP)
ISSN:1070-664X
Status:veröffentlicht
Stichwörter:PK-4, International Space Station, complex plasma, dusty plasma, microgravity research
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Forschung unter Weltraumbedingungen
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R FR - Forschung unter Weltraumbedingungen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Materialforschung und Mikrogravitation (MuM)
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Materialphysik im Weltraum
Hinterlegt von: Thomas, Dr. Hubertus M.
Hinterlegt am:12 Aug 2025 12:21
Letzte Änderung:12 Aug 2025 12:21

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