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Plasmaphysik
Die Plasmaforschung geht der Frage nach, welche Zustände die Materie
bei extrem hohen Drücken und Temperaturen annimmt. Was ist ein Plasma?
Das Plasma ist, neben gasförmig, fest und flüssig, eine weitere
Zustandsform der Materie. Dieser Zustand wird erreicht, wenn man so viel
Energie zuführt, dass der Elektronenhülle der Atome einzelne oder
alle Elektronen entrissen werden. Es entsteht ein System aus freien negativ
geladenen Elektronen und positiven Ionen. Obwohl wir in unserem täglichen
Leben wenig mit Plasmen vertraut sind, ist das Plasma der vorherrschende
Materiezustand im Universum. Mehr als 99% der Materie im Kosmos liegt als
Plasma vor. Dabei können Plasmen in einem weiten Temperatur- und Druckbereich
existieren und dabei in verschiedene Erscheinungsformen übergehen.
Bild 1: Die Abbildung zeigt das theoretisch vorhergesagte Phasendiagramm von
Wasserstoff. Aufgetragen ist die Temperatur in Elektronenvolt gegen die Teilchendichte.
Die normale Festkörperdichte von gefrorenem Wasserstoff ist durch den Pfeil angedeutet.
100 eV entspricht einer Temperatur von etwa 1 Millionen Grad Celsius. An der FAIR-Anlage soll
der Phasenübergang von molekularem bzw. atomarem Wasserstoff in metallischen Wasserstoff
untersucht werden. Außerdem können in der Kombination mit Laserstrahlen die Grundlagen
der Trägheitsfusion erforscht werden.
Wasserstoff und seine vielfältigen Erscheinungsformen
In der Abbildung ist dies für Wasserstoff gezeigt, der im Universum je
nach Druck und Temperatur in sehr unterschiedlichen Zustandsformen und Eigenschaften
auftritt: als kaltes Gas in großen Wasserstoffnebeln, als heißes dünnes
Plasma in der Photosphäre der Sonne, als molekulare Flüssigkeit nahe der Oberfläche
und als metallische Flüssigkeit im Zentrum großer Planeten oder als Fusionsplasma hoher
Dichte im Inneren von Sternen. Auch im Inneren unserer Sonne herrscht ein solches Fusionsplasma,
in dem Wasserstoff zu Helium verschmolzen wird. Um heiße und dichte Plasmen im Labor herzustellen,
beschießen die Wissenschaftler Feststoffe mit hochintensiven, zeitlich gepulsten Schwerionen- oder
Laserstrahlen. Mit der FAIR-Anlage wird es gelingen, in Temperatur- und Dichtebereiche des Plasmas
vorzudringen, die den Verhältnissen im Inneren großer Planeten, wie dem Jupiter, nahe kommen.
Diese Untersuchungen eröffnen zugleich die Möglichkeit, die physikalischen Grundlagen der
Trägheitsfusion zu erforschen, in der einige Wissenschaftler die Zukunft der Energieversorgung
für die Menschheit sehen.
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