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Bei GSI entsteht das neue Beschleunigerzentrum FAIR. Erfahren Sie mehr.

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Plasmaphysik

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

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.

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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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.
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung