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Plasma

Ein faszinierend leuchtendes Gas und zugleich Schlüsseltechnologie der Zukunft

Viele Menschen kommen mit Plasma erst in Kontakt, wenn sie einen Fernseher oder Computermonitor kaufen. Die Einsatzmöglichkeiten reichen aber weit darüber hinaus. Von praktisch unbegrenzten Energie- und Lichtquellen über modernste Schaltertechnik bis hin zum chemischen und physikalischen Mittel der gesamten Mikroelektronik erstreckt sich der Anwendungsbereich. 1 Mit Hilfe der Plasmatechnik werden innovative, attraktive und qualitativ hochwertige Produkte durch schonende und effektive Prozesse erzielt. 2

Plasma

Plasma

In dem imposanten Schauspiel das Blitz und Nordlicht bieten ist das Plasma der Hauptakteur.

© Plasma Research Lab.

Schon die griechischen Naturphilosophen hatten die Vorstellung, dass alle Materie aus den Urstoffen – Feuer, Wasser, Luft und Erde – besteht. Aristoteles meinte, dass weder etwas aus dem nichts entstehe, noch, vergehe oder verschwinde etwas wieder in das Nichts. Über zwei Jahrtausende war die antike Lehre von den vier Elementen das beherrschende Denksystem des Abendlandes.

Plasmen im Alltag

Vom Plasma sprechen die Physiker erst seit kurzer Zeit, doch gesehen hat es jeder schon. In dem imposanten Schauspiel das Blitz und Nordlicht bieten ist das Plasma der Hauptakteur. Wer einmal das «Vergnügen» hatte, einen Kurzschluss in der elektrischen Leitung zu verursachen, hat ebenfalls mit dem Plasma Bekanntschaft gemacht. Der Funke, der von einem Leiter zum anderen überspringt, besteht aus dem Plasma einer elektrischen Entladung in der Luft. Wenn wir abends durch die Straßen einer Großstadt spazieren und die Lichtreklamen sehen, denken wir nicht daran, das in jeder Röhre das Plasma der Edelgase Neon oder Argon leuchtet. Jeder auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzte Stoff geht in den Plasmazustand über. Sogar eine gewöhnliche Flamme besitzt eine gewisse elektrische Leitfähigkeit. Sie ist, wenn auch in geringem Maße ionisiert und somit ein Plasma. 5

Universum im Plasmazustand

99% des leuchtenden Universums ist im Plasmazustand. Es sind die kalten Bedingungen auf unserem Planeten, die uns die klassischen Aggregatzustände als die «natürlichen» erscheinen lassen. Alle Sterne sind aber Plasmen, weil sie sehr heiß sind, aber auch das Medium zwischen den Sternen ist im Plasmazustand. Dieses Gas ist so dünn, das bereits das schwache Sternenlicht ausreicht, den Atomen, das ein oder andere Elektron zu entreissen und damit zu einer nennenswerten Ionisation zu führen. Selbst wenn nur ein Ion auf 100.000 neutrale Atome kommt, reagiert das Gas auf elektrische und magnetische Kräfte. 5

Informationszeitalter

Irving Langmuir

Der Begriff Plasma geht auf Irving Langmuir (1881-1957) zurück. Der Plasmazustand wird als vierter Aggregatzustand bezeichnet.

© Nobelprize

Plasma

Der Begriff Plasma (gr: πλασμα – das Geformte, das Gebilde) geht auf Irving Langmuir zurück. Der Plasmazustand wird als (quasi) vierter Aggregatzustand der Materie bezeichnet. 3 Dies ist jener Zustand, bei dem im Gas freie Ladungsträger vorhanden sind. Neben neutralen Atomen (Molekülen) gibt es also auch freie Elektronen sowie positive und unter Umständen negative Ionen.

Im Gegensatz zum idealen Gas, dessen Definition ja gerade jegliche Wechselwirkung zwischen seinen Bestandteilen ausschließt, wird ein Plasma ganz wesentlich von den kollektiven Coulomb- Wechselwirkungen zwischen seinen Ladungsträgern geprägt. Der Plasmabegriff ist jedoch nicht zwangsläufig auf Gase beschränkt, sondern auch Elektrolytlösungen, metallische Leiter sowie Halbleiter lassen sich in gewissen Grenzen mit Hilfe der Methoden der Plasmaphysik behandeln. 4

Der vierte Aggregatzustand

Innerhalb der Naturwissenschaften lassen sich Erde, Wasser und Luft mit den drei Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig vergleichen und das Feuer mit dem (quasi) vierten Aggregatzustand, dem Plasma. 2 Man kann sich den Wechsel der Aggregatzustände einfach am Beispiel von Wasser vorstellen. In Form von Eis ist es ein fester Körper. Führt man ihm Wärme, also Energie zu wird es flüssig und schließlich gasförmig. Wird noch mehr Energie zugeführt, entsteht ein Plasma, ein Zustand in dem sich die äusseren Elektronen von den Gasatomen oder -molekülen lösen. In diesem Plasma bewegen sich nun neutrale Teilchen, Ionen – Atome oder Moleküle denen ein oder mehrere Elektronen fehlen – und Elektronen frei umher und wirken gleichzeitig aufeinander ein. Ein Plasma ist also ein vollständig oder teilweise ionisiertes Gas, das als elektrisch leitendes Medium eine Reihe von besonderen Eigenschaften besitzt und sich deutlich von Gasen, Flüssigkeiten oder festen Körpern unterscheidet. 6

Entstehung von Licht

Im Gaszustand können eine Reihe chemischer Elemente durch Mikrowellenanregung so stark erhitzt werden, dass der Plasmazustand erreicht wird. Die Atome liegen nun großteils ionisiert vor. Im absoluten Plasma sind die Elektronen der Atomhüllen vollständig von den Kernen getrennt. Der Plasmazustand ist äußerst instabil und es erfolgt sehr schnell die Wiedervereinigung – Rekombination der angeregten Elektronen mit dem Atomrumpf. Dabei wird elektromagnetische Energie im UV-Vis-Bereich, zum überwiegenden Teil jedoch einfach Wärmeenergie IR emittiert. 7

Arten von Plasmen

Die Plasmaphysik unterscheidet verschiedenste Arten von Plasmen, die sich im Allgemeinen anhand der Dichte geladener Teilchen, der Temperatur und dem Ionisierungsgrad der Plasmen charakterisieren lassen. Plasmen im Niederdruckbereich sind nicht im thermischen Gleichgewicht, dies bedeutet, dass die ionisierten Atome oder Moleküle nicht dieselbe Temperatur (kinetische Energie) haben wie die freien Elektronen. Die Elektronen sind dabei um ein vielfaches heißer als die Ionen, die aber auf Grund ihrer hohen Masse die thermische Energie für das verfügbare Substrat liefern. 8

Anwendungsbereiche

Unser technisches Zeitalter ist ohne Plasmen nicht denkbar. Die Chips in jedem Computer werden mit Plasmaverfahren geätzt, flache Computerbildschirme benutzen Plasmadisplays, Gaslaser, in denen das Plasmamedium Atome oder Moleküle anregt, werden in der Forschung, Industrie, Medizin und Umweltanalytik eingesetzt. Neue Werkstoffe werden mit Plasmabrennern erzeugt. Zur Lösung der Energieprobleme künftiger Generationen ist die Aufrechterhaltung einer kontrollierten Kernfusion schon in greifbarer Nähe. 5

Plasmatechnik

Plasmatechnik ist eine innovative Schlüssel- und Querschnittstechnologie von wachsender Bedeutung. Die international übliche Bezeichnung «Plasma Science and Technology» verweist auf die enge Verbindung grundlagenorientierter Naturwissenschaft und anwendungsorientierter Ingenieurswissenschaft. Charakteristisch für die Plasmatechnik sind Interdisziplinarität und ein enger Zusammenhang von Grundlagenforschung, technischer Entwicklung und praktischer Umsetzung. 9

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Plasmabildschirme

Plasmabildschirme bieten ein helles Bild und ein großes Farbspektrum, außerdem können sie in Größen von bis zu  120 Zoll in der Diagonale hergestellt werden.

© Fujitsu Siemens

Ein Beispiel dafür ist der Plasmabildschirm, der Licht mit Hilfe von Leuchtstoffen erzeugt, die durch Plasma Entladungen angeregt werden. Plasmabildschirme bieten ein helles Bild und ein großes Farbspektrum, außerdem können sie in Größen von bis zu  120 Zoll in der Diagonale hergestellt werden. Verwendung findet der Plasmabildschirm hauptsächlich als Fernsehanzeigegerät. 10 An anderen Stellen sieht man nur die Resultate wie z.B. Werkzeuge aus oberflächengehärtetem Stahl, deren Herstellung Plasmaverfahren benötigen. Hier eröffnet sich ein unabsehbares Feld von Anwendungen, die in unmittelbarer Zukunft in die Fertigungsverfahren der Industrie Einzug halten werden. 11

Zukunft des Plasma

Für die fernere Zukunft bietet die Plasmaphysik die Chance, eines der Hauptprobleme der Menschheit zu lösen, nämlich die gefahrlose und umweltschonende Versorgung mit Energie durch die kontrollierte Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium. Wie das im einzelnen zu realisieren ist, weiß man heutzutage noch nicht. Aber eines ist klar, das Gas der Zukunft muss im Plasmazustand vorliegen. 11

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Plattenkondensator-Anordnung

Die Erzeugung eines Plama's erfolgt mittels der Zündung einer Gasentladung. Dazu bringt man zwei Elektroden in das Gas und legt zwischen diesen eine Spannung an.

© Uni-Frankfurt

Erzeugung von Plasmen

Eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung eines Plasma's ist das Zünden einer Gasentladung. Von einer solchen spricht man, wenn elektrischer Strom durch ein Gasvolumen fließt. Dazu bringt man zwei Elektroden in das Gas und legt zwischen diesen eine Spannung an. Die einfachste Elektrodenanordnung ist die eines Plattenkondensators. Üblicherweise handelt es sich bei den auf diese Weise erzeugten Plasmen um Niederdruckplasmen bei Drücken von wenigen hPa. 4 Nach dem Zünden eines Plasma's muss ständig Energie zugeführt werden, um es am Leben zu erhalten. Bleibt die Energieeinkopplung aus, so verlischt das Plasma, das heißt die positiven und negativen Ladungsträger rekombinieren zu neutralen Atomen, Molekülen oder Radikalen. 3


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