Plasma in Ketten

06. August 2009, 14:20

Man kann mithilfe von neuen Materialien schöne Dinge machen. Ferrofluide zum Beispiel sind Flüssigkeiten, in denen sich nanometer-große Kügelchen befinden, die durch ein angelegtes Magnetfeld stark polarisiert werden. Neben einer Menge technischer Anwendungen kann man mit diesen Flüssigkeiten auch wunderschöne Kunst herstellen, wie der folgende Film von Sachiko Kodama und Yasushi Miyajima zeigt.

Ein ähnliches Material, das anstelle eines Magnetfelds auf ein elektrisches Feld reagiert, ist eine elektrorheologische Flüssigkeit. Dabei befinden sich ebenfalls kleine Teilchen in einer Flüssigkeit. Wird ein elektrisches Feld angelegt, werden die Teilchen polarisiert, so dass sich ein sogenannter Dipol ausbildet—sie sind auf einer Seite positiv und auf der anderen negativ geladen. Die Teilchen richten sich dann in dem elektrischen Feld aus und bilden Ketten. Dadurch ändert sich das Fließverhalten der gesamten Flüssigkeit plötzlich—sie wird starrer. Sobald das elektrische Feld abgeschaltet wird, kehrt die Flüssigkeit in den ursprünglichen Zustand zurück. (weiter)

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Dissipatives dunkles Soliton in einem Komplexen Plasma

22. Juli 2009, 16:41

Normale Wellen verbreitern sich im Laufe der Zeit. Solitonen sind eine Form von Wellen, die sich einzeln fortpflanzen. Die klassischen Solitonen bewegen sich dabei über eine lange Strecke mit konstanter Geschwindigkeit fort, ohne ihre Form zu verändern, was ein Resultat von einem Gleichgewicht zwischen linearen und nicht-linearen Effekten ist. Sie können einander auch durchlaufen, ohne ihre Eigenschaften zu verändern.

Diese Phänomene können zum Beispiel in Glasfasern zur Datenübertragung verwendet werden, um Daten ohne Repeater über enorme Strecken zu übertragen. Allerdings geht in diesen Systemen Energie verloren, so dass sich die Form des Solitons mit der Zeit durchaus ändert und es irgendwann auch völlig verschwunden ist. Man spricht dann von dissipativen Solitonen.

Das Gegenteil eines Solitons besteht aus einem sich fortpflanzenden Loch mit ansonsten genau denselben Eigenschaften - ein "dunkles Soliton".

Kollegen von mir am Max-Planck-Institut haben nun ein solches dissipatives dunkles Soliton in einem unserer Komplexen Plasmen beobachtet und in dem renommierten Journal Physical Review Letters beschrieben. (weiter)

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Krönender Abschluss der 11. Mission

16. Juli 2009, 00:15

Die Experimente der 11. Mission von PK-3 Plus sind abgeschlossen.

Gestern wurde das dritte Experiment durchgeführt. Wir hatten sehr lange Videozeit, die dann dazu genutzt wurde, den Kosmonauten so anzuleiten, dass die gewünschten Effekte auftreten konnten. Die Experimente zur Spurbildung sahen gut aus. Bei den anderen müssen wir auf den Rest der Videos warten; in den Logdateien, die wir bereits bekommen haben, sah es allerdings so aus, als wäre das Plasma bei einem der beiden Drücke bei "meinem" kleinen Experimentteil ausgegangen. (weiter)

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Shuttlestart und PK-3 Plus Experimente verschoben

14. Juli 2009, 10:39

Eigentlich sollten die nächsten drei Experimente der aktuellen Mission von Dienstag bis Donnerstag durchgeführt werden, da das Shuttle am Montag an die ISS andocken sollte, und Gennady Padalka damit beschäftigt gewesen wäre. Jetzt wurde der Shuttle-Start ja bis mindestens Mittwoch verschoben, und die übrigen Experimente werden heute abend und morgen durchgeführt. Wir fliegen dann auch einen Tag früher als geplant zurück, falls wir am Donnerstag noch Flüge bekommen.

Das zweite Experiment dieser Mission fand schon gestern statt, nicht erst heute, wie eigentlich geplant. Es handelte sich um das einzige automatische Experiment dieser Mission, bei dem der Kosmonaut es lediglich anschalten und ausschalten muss, falls alles wie geplant läuft. Dieses Mal hat die Videoübertragung auch wieder wunderbar geklappt. Es ging wieder um Kristallisation, die teilweise mit einem zusätzlichen elektrischen Feld gestört oder verstärkt wurde. Dabei wurden horizontale Scans durchgeführt, so dass wir in einem tomographischen Verfahren die Teilchenpositionen dreidimensional auswerten können.

Auf dem Live-Video haben wir schon tolle Kristalle gesehen. Besonders interessant fand ich, dass teilweise Wellen, die durch Störungen kurzzeitig angeregt wurden, zum Rand des Systems liefen. Ich bin schon gespannt auf die Originaldaten, die wir irgendwann auf den Festplatten erhalten werden.

Außerdem haben wir gestern das fehlende Video von dem Experiment von letzter Woche bekommen, das in der Bodenstation in Sibirien aufgezeichnet worden war. In diesem Experiment waren wirklich sehr viele Teilchen in der Plasmakammer, wie gewünscht. Leider war das Video zu kurz, um viel von der Dynamik des ungestörten Systems zu sehen, es zeigte hauptsächlich den Einstreuvorgang der Teilchen. Also, auch hier bleiben wir gespannt.

Heute abend wird ein Experiment zur Phasenseparation durchgeführt, das auf einer Idee unseres Theoretikers, Alexei Ivlev, basiert. Außerdem geht wieder um Spurbildung, wenn Teilchen einer anderen Größe in eine schon vorhandene Wolke geschüttelt werden. Ein ganz kleiner Teil basiert auf einer Idee von mir, die auf die Experimente zur Blasenbildung während der letzten Missionen aufbaut. Wir werden versuchen, eine Instabilität zwischen zwei Teilchenwolken verschiedener Größen zu erzeugen. Vermutlich sehen wir diesen Teil aber ebenfalls nicht live im Video, sondern dann erst später in den Originaldaten.

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Experiment 1 der 11. Mission

11. Juli 2009, 17:35

Das erste Experiment der 11. Mission von PK-3 Plus ist beendet. Wie schon berichtet, haben wir uns dieses Mal einen neuen Parameterbereich untersucht. Leider hat die Videoübertragung (zum ersten Mal, seit ich bei den Missionen dabei bin) nicht geklappt, da die Verbindung zu der Bodenstation in Sibirien nicht aufgebaut werden konnte. Bei solchen Problemen wird einem dann erst wieder bewusst, wie viele Zahnrädchen ineinander spielen müssen, damit alles ansonsten so reibungslos klappt.

Wir - bzw. unser russischer Kollege, Andrey Lipaev, um den wir alle im Kontrolraum herum standen, während er direkt mit dem Kosmonauten sprach - mussten also den Kosmonauten, Gennady Padalka, "blind" per Funk anleiten. Gennady Padalka hat dann beschrieben, was er beobachtet, und mit Bildern verglichen, die ihm vorher per Radiogramm geschickt worden waren, und die Effekte zeigten, von denen wir dachten, dass sie eventuell auftreten könnten.

Besonders beim ersten Teil des Experiments bei relativ niedrigen Drücken scheinen sehr interessante Effekte aufgetreten zu sein. Leider ist das Plasma dann bei höheren Drücken ausgegangen, so dass wir diese überspringen mussten. Wir haben aber auch dabei viel über diesen Parameterraum des Experiments gelernt, und auch über die Unterschiede zwischen Experimenten auf dem Boden und in der Schwerelosigkeit - denn auf dem Boden ist das Plasma bei den Testläufen nicht ausgegangen.

Wir haben dann sehr schnell die Logdateien von dem Experiment bekommen, in dem die Parameter wie gemessener Druck, Ströme, Spannungen usw. aufgezeichnet sind, und gestern abend bereits neugierig alle gemeinsam im Kontrollzentrum noch angeschaut. Falls wir Glück haben, bekommen wir nächste Woche dann auch die Videos aus Siberien und können vielleicht einige der Effekte selbst ansehen, die wir uns bisher nur mithilfe der Parameter und der Beschreibung Gennady Padalkas vorstellen konnten.

Das nächste Experiment war eigentlich wegen des Andockens des Shuttles erst für Dienstag geplant, aber da der Shuttle-Start ja verschoben wurde, werden wir nachfragen, ob und wie der Zeitplan verschoben wird.

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Vor dem ersten Experiment

10. Juli 2009, 09:27

Gestern hat der aktuelle Kommandant der ISS, Gennady Padalka, das PK-3 Plus Experiment getestet, nachdem er es vorgestern schon aufgebaut hatte (die Experimenttonne wird, wenn sie nicht gebraucht wird, verstaut). Anders als bei den letzten Mission hat dieses Mal alles gut geklappt, der Druck in der Tonne stimmt, die Test-Prozeduren sind durchgelaufen.

Heute abend steht das erste Experiment der 11. Mission an. Das Experiment soll um 6:10 Uhr Moskauer Zeit beginnen - wie man auch im heutigen Zeitplan der Astro- und Kosonauten sieht:

14:10-16:00 - CDR - PLASMA CRYSTAL. Set up and Conduct the Experiment in Manual Mode Tagup with specialists (S-band + VHF)

Die Zeiten dort sind GMT, also vier Stunden vor Moskau mit Sommerzeit. CDR ist der Kosmonaut, der das Experiment durchführen wird, hier der Kommander. Wir werden wieder die ersten Minuten des Experiments live per Video verfolgen können, den Rest dann leider erst, wenn wir die Festplatten mit den Videoaufzeichnungen bekommen.

In dem heutigen Experiment geht es darum, näher an den "Kritischen Punkt" des Komplexen Plasmas zu kommen - das ist der Punkt, der die Bedingungen eines Systems beschreibt, bei dem Phasenübergänge verschwinden. Zum Beispiel bei Flüssigkeiten / Gasen bedeutet das, dass es im überkritischen Zustand keinen Unterschied in den Dichten der Phasen gibt.

Wir erwarten nicht, schon bei dem Versuch heute so einen krtischen Punkt in unserem Plasma zu beobachten - vielleicht ist der momentane Experimentaufbau auf der ISS dafür auch nicht geeignet. Allerdings hoffen wir, die Parameter genauer bestimmen zu können, um irgendwann einmal vielleicht den Punkt zu erreichen - sozusagen ein Herantasten an den kritschen Punkt.

Unsere japanische Kollegen haben theoretische Vorhersagen erstellt, von denen sie hoffen, näher an den kritischen Punkt zu kommen, und haben ebenfalls die Experimentparameter vorgeschlagen, die dann gemeinsam mit unserer Gruppe in Garching besprochen und in eine genaue Experiment-Prozedur umgeschrieben wurden. Die Japaner sind entsprechend neugierig, was wir heute abend sehen werden, genau wie wir auch, denn wir kommen mit diesem Experiment in einen Bereich, den wir bisher noch gar nicht untersucht haben.

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Plasmakristall-Experiment Mission 11

05. Juli 2009, 21:47

Gestern sind wir in Korolyov in der Nähe Moskaus angekommen, um die 11. Mission des Plasmakristall-Experiments auf der Internationalen Raumstation vorzubereiten. Dieses Mal sind sogar vier anstelle der üblichen drei Experimenttage geplant, da ein Experiment gemeinsam mit japanischen Kollegen durchgeführt wird.

Gestern waren wir nur einkaufen und haben unsere Hotelzimmer bezogen. Heute sind wir dann ins Kontrollzentrum gefahren, wo wir zusammen mit unseren russischen Kollegen den Vergleichsexperiment-Aufbau aufgebaut haben. Wir haben dann gleich angefangen, die geplanten Experimente zu testen.

Die Experimente werden normalerweise teilautomatisch ausgeführt, d.h., die meisten Einstellungen (weiter)

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Teilchenblasen und -tropfen

29. Juni 2009, 13:30

Blasen und Tropfen sind typische Flüssigkeitseffekte.

Dass diese Phänomene auch in anderen Systemen auftreten, mag auf den ersten Blick überraschen. Wir haben sie jedoch unter ganz bestimmten Umständen auch in unseren komplexen Plasmen beobachtet—ein Phänomen, das wir diese Woche in der Zeitschrift Physical Review Letters publiziert haben, und das es sogar auf das Titelblatt geschafft hat!

Aus diesem Anlass beende ich meine doktorarbeits-erzwungene Stille hier jetzt endlich. Wie schon des Öfteren hier im Blog berichtet, besteht ein sogenanntes komplexes Plasma aus einem ionisierten Gas, in dem sich zusätzliche Teilchen befinden, die meistens um ein paar Tausendstel Millimeter groß sind (und damit riesig im Vergleich mit den anderen Teilchen im Plasma, den Ionen, Atomen und Elektronen).

Normalerweise werden diese Teilchen von der Schwerkraft nach unten gezogen, so dass sie sich im unteren Bereich der Plasmakammer ansammeln. Dem kann man entgehen, indem man Experimente in der Schwerelosigkeit durchführt—wie auch schon häufiger hier erwähnt. Oder man übt eine zusätzliche Kraft auf die Teilchen nach oben aus, um sie in den Hauptteil des Plasmas zu heben. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist es, die untere Platte der Experimentkammer zu heizen. Dann besteht ein Temperaturunterschied zwischen der oberen und der unteren Platte, was wiederum zu einer Kraft auf die Teilchen führt, der sogenannten Thermophorese. Diese Kraft kompensiert die Schwerkraft, die auf die Plastikteilchen wirkt. Das komplexe Plasma sieht dann ganz ähnlich aus wie bei einem entsprechenden Versuch auf der Internationalen Raumstation in echter Schwerelosigkeit. Besonders auffällig ist eine große, teilchenfreie Region in der Mitte der Teilchenwolke—das sogenannte Void.

Abb.: Teilchenblase - M. Kretschmer

Unter bestimmten Bedingungen entstehen am unteren Rand dieses Voids unter Schwerkraftsbedingungen neuartige Phänomene: Es

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Spannende Wochen

19. Mai 2009, 18:00

Die letzten Wochen waren sehr spannend bei uns im Institut.

Vor zwei Wochen sind unsere russischen Kollegen zu Besuch gekommen und haben die Daten der letzten Mission auf der Raumstation mitgebracht, die vorher von der Sojuz zurück zur Erde geholt wurden.

Das läuft dann immer so ab, dass das gesamte Team sich in einem Besprechungsraum trifft und die Videos der Daten anschaut. Wir haben dabei einiges an sehr schöner Kristallisation der Mikroteilchen im Plasma beobachten können, und auch die Durchdringung einer Wolke von Teilchen von anderen, neu eingeschüttelten.

Blasen, wie sie auf der Erde unter Einwirkung von Thermophorese entstehen (und die unter anderem Teil meiner Doktorarbeit sind), konnten wir allerdings leider wieder nicht sehen; die Teilchen wurden durch den angelegten Temperaturunterschied einfach zur Seite gedrückt. Natürlich ist auch das Nicht-Auftreten eines Effekts ein Ergebnis (wenn auch kein sehr befriedigendes): (weiter)

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Leuchtende Nachtwolken

09. März 2009, 21:58

Im Moment ist einer der weltweit führenden Experten für Leuchtende Nachtwolken (noctilucent clouds auf Englisch, NLC) bei uns im Institut zu Besuch, Prof. Ove Havnes. Professor Havnes hat dann auch gleich einen Vortrag zu diesem Phänomen gehalten, darüber, welche Fakten dazu man bisher erklären kann, und - besonders spannend - welche nicht.

Leuchtende Nachtwolken treten in den nördlichen Breiten vor allem in den Sommermonaten auf. Man sieht diese Wolken noch nach Sonnenuntergang hell am Nachthimmel leuchten.