PK-4

Das Plasmakristall-Experiment PK-4 ist ein Gerät zur Untersuchung komplexer ('staubiger') Plasmen unter Schwerelosigkeit^[1]. Ein Flugmodell von PK-4 befindet sich seit 2014 auf der Internationalen Raumstation ISS im europäischen Columbus-Modul. Als Plasmakammer dient eine Glasröhre, in der mittels einer hohen Gleichspannung ein Edelgas ionisiert wird. Eingestreute Mikropartikel ('Staub') laden sich elektrisch auf und wechselwirken miteinander. Damit lassen sich hauptsächlich komplexe Plasmen im flüssigen Aggregatzustand auf dem Niveau einzelner Teilchen beobachten, was in natürlichen Flüssigkeiten schwer möglich ist.

PK-4 steht damit im Gegensatz zu den vorigen Experimenten PKE-Nefedov^[2] (2001–2005) und PK-3 Plus^[3] (2006–2013) auf der ISS, in denen der Fokus eher auf der Kristallisation von komplexen Plasmen in einer kubischen Hochfrequenz-Plasmakammer lag. Wie die beiden Vorgänger entstand auch PK-4 als eine deutsch-russische Kooperation zwischen dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE), Garching, und dem Institut für hohe Temperaturen (JIHT) der Russischen Akademie der Wissenschaften. Unterstützt wurde das Projekt durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die Europäische Weltraumorganisation (ESA) und die Russische Weltraumorganisation Roskosmos. Industriepartner war die Firma Kayser-Threde (heute: OHB).

Aufbau

Das Herzstück von PK-4 ist eine Glasröhre mit einer Länge von 30 cm und einem Innendurchmesser von 3 cm. In zwei rechtwinklig dazu angeschlossenen Glasröhren befinden sich die Hochspannungselektroden sowie die Dispensoren zum Einstreuen der Mikropartikel. Die Partikel bestehen aus Melamin-Formaldehyd-Kügelchen jeweils identischer Größe. Sechs Dispensoren erlauben den Einsatz von sechs verschiedenen Größen zwischen 1,3 und 11 µm. Das in die zuvor evakuierte Glasröhre unter einem Druck von bis zu 2,5 mbar (250 Pa) eingefüllte Edelgas (wahlweise Neon oder Argon) wird mittels einer Hochspannung von bis zu 3 kV ionisiert, erkennbar am Leuchten des Gases. Bei der Injektion der Mikroteilchen in das Plasma laden sich diese elektrisch negativ auf und driften Richtung Anode.

Um die Bewegung der Teilchen beobachten zu können, sind an der Glasröhre zwei Kameras mit aneinandergrenzenden Bildfeldern von jeweils 22 × 16 mm installiert. Die Teilchen werden dazu mit einem grünen, aufgefächerten Laserstrahl beleuchtet. Eine dritte Kamera liefert einen Überblick über die ganze Glasröhre mit dem Plasma. Die Kamerabilder werden auf SSD-Festplatten aufgezeichnet. Während der Experimente auf der ISS kann zur Kontrolle jeweils eine der Kameras im Kontrollzentrum angezeigt werden. Um die Videodaten in Originalqualität wissenschaftlich auswerten zu können, werden die Daten auf Festplatten beim ISS-Crew-Wechsel mit zur Erde gebracht. Seit 2023 existiert auch die Möglichkeit, die Videodaten per Funk zur Erde zu übertragen, was allerdings ca. 6 Wochen dauert. Pro Experimentkampagne werden ca. 750 GB an Daten produziert.

Teilchenmanipulation

Um den Fluss der Mikroteilchen durch die Glasröhre zu beeinflussen, verfügt PK-4 über diverse Einrichtungen:

Elektrische Manipulation (EM): Eine Ringelektrode im Inneren der Glasröhre kann mit Konstantströmen bis zu ±3 mA belegt werden, um die geladenen Teilchen abzulenken.

Hochfrequenz-Plasma (RF): Zwei Spulen außen an der Röhre erlauben, im Inneren ein lokales Hochfrequenzplasma (81 MHz) zu erzeugen, das die Mikropartikel einfängt und stoppt. Eine der Spulen ist mittels eines Motors um 15 cm an der Röhre entlang verschiebbar.

Optische Manipulation (OM): Ein weiterer Laser (808 nm) mit einer einstellbaren Leistung bis zu 20 W kann die Teilchen durch den Strahlungsdruck antreiben. Dies dient der Erzeugung einer Scherströmung zur Untersuchung von Turbulenz auf dem Niveau einzelner Teilchen.

Thermische Manipulation (TM): Ein beheizbarer Ring (bis maximal 55 °C) erzeugt einen thermischen Gradienten an der Glasröhre, der die Partikel durch den thermophoretischen Effekt in ihrer Bewegung beeinflusst, z. B. stoppt.

Polarity-Switching (PS): Der Hochspannungsgenerator erlaubt ein schnelles Umschalten der Spannung mit bis zu 1000 Hz. Die 'schnellen' Komponenten des Plasmas (Elektronen, Ionen) folgen dem Umschalten, während die Mikropartikel dafür zu träge sind. So lässt sich durch Wahl des Tastverhältnisses (Plus zu Minus) der Fluss der negativen Mikroteilchen verlangsamen, stoppen oder umkehren.

Die Methoden OM und TM erlauben eine Manipulation der Teilchen ohne die Eigenschaften des Plasmas, und damit die elektrische Ladung auf den Teilchen zu verändern.

Wissenschaftliche Ziele

Experimente mit komplexen Plasmen dienen der Grundlagenforschung. Sie erlauben die Untersuchung der Staub-Plasma-Wechselwirkung, wie sie z. B. im Weltraum vorkommt (Planetenentstehung, Planetenringe, Kometenschweife etc.), aber auch in industriellen Prozessen (Halbleiterherstellung, Rauchgase etc.). Außerdem geben sie die Möglichkeit, das Verhalten von Vielteilchensystemen auf dem fundamentalen Niveau einzelner Teilchen zu beobachten, bei PK-4 insbesondere das Verhalten im flüssigen Aggregatzustand. Beobachtete Phänomene sind u. a.: Laminare Strömungen, Strömungen um Hindernisse oder durch Düsen, Mischungen und Entmischung verschiedener Teilchengrößen, Instabilitäten, Wellenphänomene, Schockwellen, Selbstorganisationseffekte (z. B. „Lane Formation“, Zweistrom-Instabilität), Übergang von individuellem zu kollektivem Verhalten, Turbulenz, Agglomeration, u. v. m.^[4]

PK-4-Modelle

Nach dem Bau eines ersten Prototypen 2003 und einem Labormodell für erste Experimente wurde das Ingenieursmodell, das nahezu identisch zum Flugmodell für die ISS ist, 2010 fertiggestellt. Das fertige Flugmodell wurde nach Baikonur transportiert und 2014 mit dem Raumtransporter Progress M-25M zur ISS gebracht. Baugleiche Bodenmodelle zur Vorbereitung von Experimenten im Labor sind an der Universität Gießen und dem Institut für hohe Temperaturen in Moskau stationiert. Ein weiteres Bodenmodell befindet sich im französischen Raumfahrtkontrollzentrum CADMOS in Toulouse. Von dort werden die Experimentkampagnen auf der ISS überwacht und gesteuert. Das Ingenieursmodell wird an der Universität Gießen für Tests auf Parabelflügen eingesetzt.

Das Flugmodell von PK-4 soll noch bis Oktober 2026 auf der ISS betrieben und nach der 25. Experimentkampagne deinstalliert werden. Das Nachfolgeprojekt COMPACT ist derzeit an der Universität Greifswald in Planung.^[5]

Weblinks

Einzelnachweise

↑ M. Y. Pustylnik et al., Plasmakristall-4: New complex (dusty) plasma laboratory on board the International Space Station, Review of Scientific Instruments 87, 093505 (2016)
↑ Anatoli P. Nefedov et al., PKE-Nefedov: plasma crystal experiments on the International Space Station, New J. Phys. 5 33 (2003)
↑ Vladimir I. Molotkov et al., Complex (Dusty) Plasma Research under Microgravity Conditions: PK-3 Plus Laboratory on the International Space Station, Int. J. Microgravity Sci. Appl. 35(3) (2015) 320302
↑ M. Pustylnik, H. M. Thomas, M. Kretschmer, and M. Thoma, Plasmakristall-4 Experiment: 10 Years of Operation in Orbit, Contributions to Plasma Physics (2025): e70063, DOI: 10.1002/ctpp.70063
↑ COMPACT. Deutsche Raumfahrtagentur im DLR, abgerufen am 12. August 2024.

[1] M. Y. Pustylnik et al., Plasmakristall-4: New complex (dusty) plasma laboratory on board the International Space Station, Review of Scientific Instruments 87, 093505 (2016)

[2] Anatoli P. Nefedov et al., PKE-Nefedov: plasma crystal experiments on the International Space Station, New J. Phys. 5 33 (2003)

[3] Vladimir I. Molotkov et al., Complex (Dusty) Plasma Research under Microgravity Conditions: PK-3 Plus Laboratory on the International Space Station, Int. J. Microgravity Sci. Appl. 35(3) (2015) 320302

[4] M. Pustylnik, H. M. Thomas, M. Kretschmer, and M. Thoma, Plasmakristall-4 Experiment: 10 Years of Operation in Orbit, Contributions to Plasma Physics (2025): e70063, DOI: 10.1002/ctpp.70063

[5] COMPACT. Deutsche Raumfahrtagentur im DLR, abgerufen am 12. August 2024.

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