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PKE Nefedov Mehr Ergebnisse (2)

Koagulationsexperiment

Die folgenden Filme zeigen einen ladungsverstärkten Wachstumsprozess, wie er bei einem Experiment mit PKE-Nefedov an Bord der Internationalen Raumstation ISS beobachtet wurde.

Film (MPEG) anschauen: Geringe Qualität (3.5 MB), hohe Qualität (11.5 MB).

Bei diesem Experiment ist das Plasma abgeschaltet. Während der Teilcheninjektion in die Kammer finden sich innerhalb weniger Sekundenbruchteile einige 100.000 Teilchen zu einem großen Agglomerat zusammen (Klumpen in der Bildmitte, Vergrößerung rechts), sowie einigen kleineren 'Klümpchen' mit zusammengenommen etwa der gleichen Masse. Dies deutet auf einen besonderen, explosionsartigen Wachstumsprozess hin, den sogenannten "run-away growth". Die Untersuchungen zeigen weiterhin, dass die Agglomerate eine elektrische Ladung tragen, und zwar gleichermaßen positiv wie negativ. Die Standard- (Smoluchovski-) Koagulationstheorie kann diese beobachtete Wachstumsdynamik nicht erklären. Daher verallgemeinern wir diese Gleichungen, indem wir eine Wachstumsrate annehmen, die durch den Einfluss der elektrischen Ladungen stark vergrößert ist. Es zeigt sich, dass die Gleichungen auf diese Art und Weise tatsächlich eine "run-away"-Lösung für das Teilchenwachstum, die sog. "Gelierung", erlauben. Hierbei wird zu einem bestimmten Zeitpunkt t_gel, bei dem die äußeren Bedingungen erfüllt sind, ein einziges, sehr großes Teilchen gebildet. Für einen späteren Zeitraum t>t_gel koexistieren zwei Phasen, das Gel ('unendliches' Aggregat) und das Sol (Teilchen begrenzter Größe). Zusammenfassend ist zu sagen, dass die (Ladungs-) modifizierte Theorie des Teilchenwachstums die von uns beobachteten Prozesse zu erklären vermag. Im besonderen ist die daraus abgeleitete "Gelierungszeit" t_gel in guter Übereinstimmung mit dem von uns beobachteten Zeitraum für die Bildung des großen Teilchen-Agglomerats.

Überlagerung mehrerer Videobilder. Deutlich kann man die Oszillationen der
einzelnen Partikel erkennen, was bedeutet, dass sie eine elektrische Ladung
besitzen (links). Ein Phasenvergleich der Oszillationen ergibt, dass etwa
genauso viele positiv wie negativ geladene Partikel existieren (rechts).

Durch dieses Experiment können wir vielleicht bald nachvollziehen, was in der frühen Phase der Planetenentstehung in einer protoplanetaren Staubscheibe vor sich geht und wie letztendlich aus mikroskopischen Staubteilchen ganze Planeten wie die Erde entstehen - durch die Hilfe elektrischer Aufladung.

Weitere Experimente zur Koagulation sind geplant.

Entladung der Teilchen

Im 'Entladungsexperiment' wurde die Restladung auf den Teilchen gemessen, nachdem das Plasma abgeschaltet wurde. Dazu wurden die Teilchen einem niederfrequenten elektrischen Feld (0.5 Hz) ausgesetzt, in dem sie - sofern sie eine Ladung haben - eine Oszillation ausführen (siehe Abbildungen unten), deren Amplitude ein direktes Maß für die Ladung ist.

Abbildung a) zeigt die aufwärts gerichtete Bewegung der Teilchen
in der Mitte und am Rand nachdem die RF-Entladung abgeschaltet wurde
("RF off"). Wird die durch Thermophorese verursachte Bewegung subtrahiert,
so bleibt die Oszillation der Partikel übrig, siehe Abbildung b).

Auf der Erde wäre diese Messung kaum möglich gewesen; die Teilchen würden zu schnell nach unten fallen und eine Ladungsbestimmung wäre äußerst schwierig. Dieses Experiment zeigt uns, dass sich die Teilchen nicht völlig entladen, wenn das Plasma abgeschaltet wird. Sie behalten eine 'eingefrorene' Ladung, nachdem Ionen und Elektronen aus dem Plasma verschwunden sind. Diese Erkenntnis aus der Physik der komplexen Plasmen könnte auch wichtig sein für andere Plasmaprozesse, z.B. in industriellen Anwendungen.

Publikation: A. Ivlev, M. Kretschmer, M. Zuzic, et al., Phys. Rev. Letters Vol.90 No.5, Feb. 2003


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Letzte Änderung: 2007-05-08
Ansprechpartner: Michael Kretschmer