''Plasmakristall''
- aktuell! -
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September 2009
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(Bilder: M. Kretschmer.
Zum Vergrößern anklicken.)
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10 Jahre DLR-Parabelflüge: MPE ist dabei
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) feiert mit
seiner 14. Kampagne 10 Jahre Teilnahme an Parabelflügen mit dem
Airbus A300 ZERO-G und auch dieses Mal waren wieder (wie schon
1999) Mitarbeiter des MPE mit einem Experiment zu
komplexen Plasmen
mit an Bord: U. Konopka, L. Wörner, M. Schwabe, Ch. Knapek, A. Lipaev
(JIHT), M. Kretschmer (siehe Bild rechts), sowie G.
Wildgruber (nicht im Bild). Die Kampagne fand zum vierten Mal am
Flughafen Köln-Bonn, in Nachbarschaft zum DLR-Standort Köln-Porz,
statt und nicht, wie üblich, in Bordeaux. In einer Frachthalle hatten
die Wissenschaftler und Ingenieure zwei Wochen Zeit, ihre Experimente zu
testen, im Airbus zu integrieren und bei den Flügen unter Schwerelosigkeit
zu betreiben.
Die Mitarbeiter der MPE ''Theorie/komplexe Plasmen''-Gruppe testeten auf
dieser Kampagne eine völlig neue Kammer für das Projekt
''PlasmaLab'', die ''Zyflex''-Kammer. Diese stellt eine zylindrische
Hochfrequenz-Plasmakammer mit flexibler Geometrie dar, wobei z.B.
der Abstand der Elektroden mit integrierten Motoren verstellt werden kann.
Das Ziel von PlasmaLab, das die bereits erfolgreichen Plasma-Experimente
''PKE-Nefedov'' und ''PK-3 Plus'' auf der Internationalen
Raumstation ISS ablösen
soll, ist die Erweiterung des Parameterbereichs, in dem komplexe Plasmen unter
Schwerelosigkeit untersucht werden können. Genauere und wahrscheinlich
auch völlig neue Ergebnisse sind hiervon zu erwarten.
Auch die Vorgänger von PlasmaLab wurden ausgiebig auf Parabelflügen,
wo pro Parabel ca. 20 Sekunden Schwerelosigkeit erzeugt werden kann,
getestet. Hierzu zählen u.a. die Geräte ''PK-3 Plus'' und ''PK-4''.
Letzteres soll im Jahr 2011 auf die ISS gebracht und im europäischen
Columbus-Modul betrieben werden. MPE-Mitarbeiter können damit auf eine
langjährige Parabelflug-Erfahrung zurückblicken. So haben zwei
Teilnehmer (Konopka, Kretschmer) bereits 500 bzw. 600 Parabeln 'auf
dem Buckel', was von der ZERO-G-Betreiberfirma Novespace mit einer
Bronzemedaille honoriert wird.
Zu den üblichen drei Flugtagen mit jeweils 31 Parabeln kamen
nun noch weitere Fluggelegenheiten bei der ''VIP''-Kampagne mit jeweils
10 Parabeln an zwei Tagen hinzu, zu der die MPE-Forscher vom DLR eingeladen
wurden. Neben hochrangigen Vertretern aus Forschung und Wirtschaft flog auch
der deutsche Astronaut Thomas Reiter ein weiteres Mal in die Schwerelosigkeit.
Reiter verbrachte bereits mehrere Monate auf der russischen Raumstation Mir und
befand sich von Juli bis Dezember 2006 auf der ISS, wo er auch zweimal das
Plasmakristall-Experiment des MPE durchführte. Beim DLR-Parabelflug ließ
Herr Reiter es sich nicht nehmen, auch einmal das PlasmaLab-Experiment im Airbus
ZERO-G zu bedienen (siehe Bild).
Am 20. September fand im DLR-Standort Köln-Porz der ''Tag der Luft- und
Raumfahrt'' statt, den rund 100.000 Besucher nutzen, um sich über die
Forschungsaktivitäten des DLR zu informieren. Neben Forschungsflugzeugen
des DLR waren auch ein Airbus A380 sowie der A300 ZERO-G zu besichtigen.
Das Plasmakristall-Experiment des MPE gehörte damit auch zu den
Ausstellungsstücken an diesem Tag der offenen Tür. Die MPE-Mitarbeiter
standen für Fragen dem Publikum gern zur Verfügung.
Bildbeschreibung (siehe links), von links oben nach unten:
Der Airbus A300 ZERO-G aus Bordeaux kommt in Köln-Bonn an;
PlasmaLab im Airbus installiert; geöffnete Plasmakammer; Plasma mit
Gitterelektrode; Thomas Reiter bedient das PlasmaLab-Experiment;
Airbus am Morgen; Besucherschlange am A300 mit PlasmaLab
beim DLR 'Tag der Luft- und Raumfahrt'.
Weitere Links (extern):
DLR:
14. DLR-Parabelflug: Liste der Experimente September 2009
DLR:
Mehr als 100.000 Besucher beim Tag der Luft- und Raumfahrt
2009 im DLR
WDR:
Schweben für die Wissenschaft
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Juni 2009
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Titel von ''Physical Review Letters'', Ausgabe 102/Nr.25 vom
26.6.2009
(Vergrößern)
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Titelblatt von ''Physical Review Letters'' kommt vom MPE
Das Titelblatt der weit verbreiteten Fachzeitschrift ''Physical Review Letters''
vom 26.06.2009 ziert ein Bild eines Experiments, das in der Gruppe
''Theorie/komplexe Plasmen'' des Max-Planck-Instituts für
extraterrestrische Physik von Mierk Schwabe durchgeführt
wurde. Es zeigt einen Tropfen aus mikrometergroßen Teilchen,
der in einem komplexen Plasma entsteht.
Solch ein Plasma besteht aus einem ionisierten Gas, in das kleine geladene
Plastikteilchen - die Mikroteilchen - gegeben werden. Normalerweise werden
diese Teilchen von der Schwerkraft an den unteren Rand des Plasmas
gezogen. Wenn man die untere Platte der Plasmakammer heizt,
werden sie in das Zentrum des Plasmas gehoben. Die entstehende Kraft
kompensiert die Schwerkraft, die auf die nur wenige Tausendstel Millimeter
großen Plastikteilchen wirkt. Das komplexe Plasma sieht dann ganz ähnlich
aus wie bei einem entsprechenden Versuch in Schwerelosigkeit, etwa mit dem
Plasmalabor ''PK-3 Plus'' des MPE auf der Internationalen Raumstation
ISS. Besonders auffällig ist eine große, teilchenfreie
Region in der Mitte der Teilchenwolke, das sogenannte Void.
Unter bestimmten Bedingungen entstehen am unteren Rand dieses Voids unter
Schwerkraftbedingungen neuartige Phänomene: Es bilden sich Blasen, die
nach oben in das Void hinein ''explodieren'', wie auf dem Bild rechts gezeigt.
(Vergrößern, Bild: Michael Kretschmer)
Ebenfalls entstehen Tropfen wie der auf dem Titelbild gezeigte. Dabei
strömen einzelne Teilchen nach oben in das Void hinein. Ein weiteres
Phänomen sind Spitzen, die sich in der Teilchenwolke am unteren Rand
bilden und nach oben zeigen. Diese Kegel erinnern an sogenannte ''Taylor-Kegel'',
die in Flüssigkeiten unter dem Einfluss eines elektrischen Felds und der
Oberflächenspannung entstehen.
Wie das Titelbild zeigt, waren die Tropfen dabei völlig unabhängig von
dem Rest der Teilchenwolke. Die Illustration entstand mithilfe eines
tomographischen Verfahrens. Es nimmt den Tropfen in vertikalen Schnitten
auf, die dann zu einem dreidimensionalen Bild kombiniert werden.
Obwohl die Tropfen und Blasen jeweils nur aus wenigen hundert Teilchen bestehen,
zeigen sie viele typische Flüssigkeitseffekte. Die Teilchenbewegung
innerhalb der Tropfen verläuft in Wirbeln wie bei Wassertropfen in einem
Luftstrom, und es gibt viele Hinweise auf Oberflächenspannung. Anders
als bei Wassermolekülen können in komplexen Plasmen jedoch alle einzelnen
Teilchen beobachtet und genau untersucht werden. Dies macht komplexe Plasmen
zu idealen Modellsystemen zur dynamischen Untersuchung solcher Phänomene.
Referenz: M. Schwabe, M. Rubin-Zuzic, S. Zhdanov, A. V. Ivlev, H. M. Thomas,
and G. E. Morfill. Formation of Bubbles, Blobs, and Surface Cusps in
Complex Plasmas, Physical Review Letters 102, 255005 (2009)
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Februar 2009
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MPE-Parabelflugteam, vorn: Christian Deysenroth, Sebastian
Albrecht, Michael Kretschmer. 2. Reihe: Markus Thoma, Hubertus Thomas,
Mierk Schwabe. Nicht im Bild: Tanja Hagl, Ralf Heidemann, Christian Rau.
Bild: M. Schwabe (Vergrößern)
Der Airbus A300 Zero-G in Bordeaux.
Bild: M. Kretschmer (Vergrößern)
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13. DLR-Parabelflugkampagne: MPE gleich doppelt vertreten
Vom 2. bis 12. Februar findet in Bordeaux die 13. DLR-Parabelflugkampagne
statt. Zu den vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
dafür ausgewählten Experimenten zählen dieses Mal gleich
zwei vom MPE: PK-4 und FAST PK-3 Plus.
PK-4 ist das Nachfolgemodell des erfolgreichen Plasmalabors PK-3 Plus, das sich
seit 2006 auf der Internationalen Raumstation ISS befindet. Es soll
2011 zur Raumstation gebracht und dort im europäischen Columbus-Modul
betrieben werden. Mit PK-4 sollen vor allem komplexe Plasmen im flüssigen
Zustand in Schwerelosigkeit untersucht werden. Zur Zeit befindet es
sich in der Projektphase C/D, an deren Ende das erste 1:1-Modell der Flughardware
stehen soll. Um die Tauglichkeit der Komponenten zu testen, werden diese wiederholt
auf Parabelflügen eingesetzt. Soweit möglich werden jedoch auch
wissenschaftliche Fragestellungen in der jeweils 20 Sekunden dauernden
Schwerelosigkeit der Parabelflüge behandelt. Bei der Kampagne werden
insgesamt an drei Flugtagen 93 Parabeln geflogen, was kumulierte 31 Minuten
Schwerelosigkeit bedeutet. Bei PK-4, das zum siebten Mal an einer
Parabelflug-Kampagne teilnimmt, werden hierbei u.a. optimierte Gasjet-Dispensoren
getestet, sowie Experimente zu Selbstorganisationseffekten
in komplexen Plasma-Flüssigkeiten (sog. 'Lane Formation') durchgeführt.
Im Gegensatz zu PK-4 ist FAST PK-3 Plus (Logo siehe rechts,
vergrößern)
zum ersten Mal auf einem Parabelflug vertreten.
Dieses Experiment baut auf der Hochfrequenz-Plasmakammer von PK-3
Plus auf, ist jedoch im Gegensatz zu dem ISS-Experiment mit einem schnellen
Video-Datenerfassungssystem ausgerüstet, welches erlaubt,
Bilder mit einer Auflösung von 1 MPixel mit 1000 Bildern pro Sekunde
aufzuzeichnen. Der Vorteil von komplexen Plasmen, kondensierte Materie auf
dem Level individueller Teilchen (''Atome'') zu simulieren und zu beobachten,
kommt damit auch bei schnellen Prozessen, wie zum Beispiel Schockwellen, voll
zum Tragen. Das Datenerfassungssystem besteht aus einer schnellen Kamera
und einem Datenspeicher, dessen parallel arbeitenden 24 Festplatten erlauben,
etwa eine halbe Stunde Videomaterial mit hoher Bildrate aufzuzeichnen.
Allein das Gewicht dieses Subsystems beläuft sich auf ca. 75 kg, was
etwa so schwer ist, wie das gesamte Weltraumexperiment! Für den
Einsatz bei einem Parabelflug mit dem Airbus A300 Zero-G
gelten jedoch nicht so strenge Limitierungen, wie im Weltraum,
so dass FAST PK-3 Plus mit einem Gesamtgewicht von 370 kg eher im
Mittelfeld anzusiedeln ist.
Auf der Parabelflug-Kampagne werden einige PK-3 Plus-Experimente, die schon
auf der ISS durchgeführt wurden, mit der verbesserten Auflösung
wiederholt. Hierzu zählen u.a.: Schockwellen, selbsterregte Wellen, sog.
'String-Fluids' und 'Bubbles'. Das schnellere Aufnahmesystem ermöglicht
auch schnelle Scans durch die Mikroteilchen im Plasma, womit nun
auch in flüssigen Systemen die dreidimensionale Struktur ermittelt
werden kann.
Die MPE-Mitarbeiter bleiben für 12 Tage in Bordeaux, um die Geräte
in das Flugzeug einzubauen, zu testen und schließlich damit zu fliegen.
Auch hier berichtet unsere Mitarbeiterin Mierk Schwabe in ihrem
 Blog von den Geschehnissen in Bordeaux und über
ihre Erlebnisse während ihres ersten Parabelflugs.
(Zusammenfassung)
Bemerkenswertes am Rande: MPE-Mitarbeiter Michael Kretschmer, der bereits
seit 2001 an Parabelflügen teilnimmt, erreichte im Lauf dieser Kampagne
über 500 Parabeln. Dies wird von der veranstaltenden Firma Novespace
mit einer Bronze-Medaille gewürdigt.
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Januar 2009
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PK-3 Plus 10th Mission Logo
(Vergrößern) ©MPE/MK
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3 Jahre PK-3 Plus: 10. ISS-Mission
Im Januar befinden sich wieder Mitarbeiter des MPE im Raumfahrt-Kontrollzentrum
in Moskau, um von dort die 10. Mission des Plasma-Experiments PK-3 Plus
auf der Internationalen Raumstation ISS durchzuführen. Der russische
Kosmonaut Yury Lonchakov, Flugingenieur der 'Expedition 18' Crew, wird uns
drei Tage für je 90 Minuten zur Verfügung stehen.
PK-3 Plus befindet sich seit Dezember 2005 an Bord der ISS und wurde im
Januar 2006 in Betrieb genommen. Die 10. Mission markiert damit auch den 3.
Jahrestag von komplexen Plasmaexperimenten in der Schwerelosigkeit der
Raumstation mit diesem Gerät. PK-3 Plus schließt damit an das
vorhergehende, äußerst erfolgreiche Experiment PKE-Nefedov
an, das von 2001 bis 2005 im Orbit 13 mal ausgeführt wurde und damit zu
einem der am meisten verwendeten Experimenteinrichtungen der ISS
zählt.
Auf dem Programm stehen bei dieser Mission Experimente zur Kristallisation,
'String Fluids' und 'Bubbles' (Blasen) in thermophoretischen komplexen
Plasmen, ein Phänomen, das 2006 am MPE entdeckt wurde [1].
Wie schon bei der letzten Mission
wird unsere Mitarbeiterin Mierk Schwabe in ihrem
Blog über die Ereignisse in Moskau berichten.
[1] M. Schwabe, et al: ''Formation of bubbles, blobs and surface cusps in fluid
complex plasmas''. Eingereicht bei Physical Review Letters, Dez. 2008
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Letzte Änderung: 2010-02-02
Ansprechpartner: Michael Kretschmer
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MPE
aktuell! (2009)
©
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
