Forschung

Eine Flasche ultrakaltes Plasma, bitte!

15.03.2021 - Laserkühlung und magnetischer Einfang bringen Fusions- und Sonnenwindforschung voran.

Phy­siker der Rice Uni­ver­sität in Hous­ton, Texas, ha­ben eine Mög­lich­keit ge­fun­den, das käl­teste Plasma der Welt auf mag­neti­sche Fla­schen „zu zie­hen“ – ein tech­no­logi­scher Fort­schritt, der neue Möglich­kei­ten für die Er­for­schung von Fusi­ons­pro­zes­sen, Welt­raum­wet­ter und ast­ro­phy­sika­li­schen Vor­gän­gen er­öff­net. „Um zu ver­ste­hen, wie der Son­nen­wind mit der Erde in­ter­a­giert oder wie man Ener­gie durch Kern­fu­sion ge­win­nen kann, muss man wis­sen, wie sich Plasma im Magnet­feld ver­hält“, er­klärt Tom Kil­lian, Pro­fes­sor für Phy­sik und Ast­ro­no­mie und De­kan der na­tur­wis­sen­schaftli­chen Fa­kul­tät. Sei­nem Team ge­lang es, lasergekühltes Plasma erst­ma­lig für kurze Zeit in ei­nem Magnet­feld ein­zu­schlie­ßen.

„Damit ha­ben wir nun ein kla­res und kontrol­lier­ba­res Testfeld für die Un­ter­su­chung von neut­ra­len Plasmen, wie sie an weitaus komplexe­ren Or­ten – der Sonnenat­mosphäre oder wei­ßen Zwergster­nen – vor­kom­men“, freut sich der Pro­fes­sor für Physik und Ast­ro­no­mie. „Es ist wirk­lich hilf­reich, dass das Plasma so kalt ist und dass wir diese sehr sau­be­ren La­bor­sys­tem ha­ben. Wenn man mit ei­nem ein­fa­chen, klei­nen, gut kontrol­lier­ten und gut ver­stan­de­nen Sys­tem an­fängt, kann man et­was von dem un­ter na­tür­li­chen Ge­ge­ben­hei­ten im­mer vor­hande­nen Durchei­nander ent­fer­nen und das zu ver­ste­hende Phäno­men wirklich iso­lie­ren."

Zur Er­zeu­gung die­ses ult­ra­kal­ten neutra­len Plasmas kühlten die For­scher zu­nächst ein Gas aus Stronti­um­ato­men mit ei­nem La­ser auf drei Mil­li­kel­vin her­un­ter, um dann mit ei­nem Lichtim­puls von je­dem Atom ein Elektron ab­zu­strei­fen. Die­ser Pro­zess gibt nur sehr we­nig Energie an die Elektro­nen und Io­nen ab, hält das Plasma ult­ra­kalt und macht es emp­findlich für re­lativ schwa­che magne­ti­sche Kräfte.

Der Quadru­pol­magnet­aufbau, der zum Ein­fan­gen des Plasmas ver­wendet wurde, ist ein Standard­bau­teil, das vielfach in Auf­bauten zur Be­obach­tung kalter Plasmen eingesetzten wird. Die zum Rand hin flaschen­hals­förmig zu­sammen­laufenden Feld­linien sorgen für die Rück­führung nach außen flie­gender gela­dener Teilchen, sodass man auch von magne­tischen Flaschen zum Einfang des Plasmas spricht. Da das Mag­net­feld je­doch mit dem op­ti­schen Be­obachtun­gssys­tem wechselwirkt, war sein Ein­satz zum Ein­fan­gen der Plas­men kniffe­lig.

Die zur Plas­madi­ag­nos­tik ein­ge­setzte la­ser­in­du­zierte Flu­o­res­zenz ge­stattet die Be­stimmung von Ort und – über Dopp­ler-Ver­schie­bungen – auch Ge­schwin­dig­keit der Io­nen, in­dem die Fre­quenz des La­ser­lichts auf die im Plasma vor­han­de­nen Io­nen so ab­ge­stimmt wird, dass die Photo­nen an den Io­nen ge­streut werden. Um die Re­so­nanzfrequen­zen herum ver­schieben sich al­ler­dings auch die Magnetfel­der, so­dass die­ser Ef­fekt vom ei­gentlich zu be­obachten­den Doppler-Ef­fekt ge­trennt werden muss. Zu­sätzlich än­dern sich die Magnetfel­der im ge­samten Plasma ebenfalls gra­vie­rend.

„Wir müssen also ein auf ziem­lich kompli­zierte Weise im Raum va­riie­ren­des Magnet­feld be­rücksichti­gen, um die Da­ten zu ver­ste­hen und her­aus­zu­fin­den, was im Plasma pas­siert“, so Kil­lian. „Wir ha­ben ein Jahr da­mit ver­bracht, her­aus­zu­fin­den, was wir se­hen, so­bald wir die Da­ten ha­ben.“

Das Er­gebnis kann sich se­hen las­sen: Nachdem das Plasma im feld­freien Zent­rum ei­nes Quadrup­olmag­ne­ten er­zeugt wurde, dehnte es sich schnell aus und be­wegte sich in den Be­reich des stärke­ren Fel­des. Da­bei ver­langsamte sich seine Ausdeh­nung. Gorman und seine Kol­le­gen konnten nicht be­obachten, wie das Plasma schließ­lich aus der Falle ent­kam, aber es ge­lang ihnen, es für min­destens eine halbe Mil­li­se­kunde ein­zu­schlie­ßen. Ohne magneti­schen Ein­schluss würde sich ein sol­ches Plasma in ein paar zehn Mik­ro­se­kunden auf­lö­sen.

„Wenn sich un­ser Plasma über die Feldli­nien ausdehnt und be­ginnt, die Kräfte zu spüren, die es dann ge­fan­gen hal­ten“, sagte Kil­lian, „ist das ein häufi­ges auf­tre­ten­des, sehr kompli­ziertes Phäno­men, das wir wirklich ver­ste­hen müs­sen.“

In der Na­tur tritt es bei­spiels­weise beim Son­nenwind auf. Wenn diese Ströme hoch­ener­ge­ti­schen Plas­mas auf die Erde treffen, in­teragie­ren sie auf noch nicht de­tail­liert ge­klärte Weise mit dem Magnetfeld un­se­res Pla­ne­ten. Auch die Fu­sionse­nergie­for­schung ist auf ein ge­naues Verständnis für die Wechsel­wir­kung zwischen Plasmen und Magnetfel­dern an­ge­wiesen.

„Ei­nes der Hauptprobleme ist es, das Magnetfeld lange ge­nug stabil zu hal­ten, um die Re­ak­tion tat­säch­lich ein­zu­däm­men“, be­schreibt Ast­ro­physi­ker und Co-Au­tor Ste­phen Bradshaw, der sich auf die Un­ter­su­chung von Plas­maphäno­me­nen auf der Sonne spe­zia­li­siert hat. „So­bald es eine kleine Art von Stö­rung im Magnet­feld gibt, wächst es und 'pfft', die Kernre­ak­tion ist rui­niert. Da­mit es gut funkti­o­niert, muss man die Dinge wirklich, wirk­lich stabil hal­ten“, sagte er. „Und auch hier könnte das Be­trach­ten der Dinge in ei­nem wirklich schö­nen, un­be­rührten La­borplasma uns hel­fen, besser zu ver­ste­hen, wie Teil­chen mit dem Feld wechsel­wir­ken.“

In zu­künfti­gen Ar­bei­ten pla­nen die Forscher, Magnet­felder mit La­sern zu kombinie­ren, um noch stabi­lere und viel­sei­ti­gere Fal­len zu schaf­fen.

Rice Universität / LK

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