Plasmawelle

Eine Plasmawelle ist eine elektromagnetische Welle, die sich in einem Gasplasma ausbreitet.

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Vorbemerkung

Als Plasma bezeichnet man in der Physik ein hochenergetisches, ionisiertes Gas. Die Ionisierung (Trennung der Elektronen vom Atom) wird durch eine äußere Anregung, z. B. durch ein elektrisches Wechselfeld, erreicht. Die Elektronen kehren nach kurzer Zeit zu den Atomen zurück und geben hierbei die überschüssige Energie in Form von Licht ab. Dieses Phänomen macht man sich z. B. bei der Leuchtstoffröhre und der Energiesparlampe zu Nutze.

Arten von Wellen in Plasmen

Es gibt drei charakteristische Arten von Wellen in einem Plasma. Die Unterschiede liegen im wesentlichen in der Art der Energieumwandlung. Im folgenden Abschnitt wird die Welle als Auslenkung von Ionen um feste Plätze betrachtet.

1. Schallwelle

Die Schallwelle ist nicht nur auf Plasmen begrenzt. In einem Plasma entsteht sie durch Auslenkung von Ionen aus Ihrer Gleichgewichtsposition. Darauf folgt eine Änderung des Druckes an dieser Stelle, was eine Fortpflanzung der Auslenkung über die benachbarten Ionen zur Folge hat, da ein "gestörtes" Ion sein Nachbarion "anstößt" usw.

2. 'Shear'-Alfvén-Welle

Bei Anliegen eines Magnetfeldes kann sich eine Welle senkrecht zu den Feldlinien ausbreiten. Das heißt, die Ionen bewegen sich senkrecht zum Magnetfeld und "ziehen" dabei die Feldlinien mit. Daraus resultiert ein gestörtes Feld im Plasma, das wiederum eine Rückstellkraft hervorruft, und eine Welle entsteht.

3. Kompressions-Alfvén-Welle

Diese Welle verhält sich wie die Schallwelle, mit dem Unterschied, dass ein Magnetfeld anliegt und dieses in Bewegungsrichtung der Ionen komprimiert wird, da es wie bei der Shear-Alfvén-Welle mitgezogen wird.

Die Alfvén-Wellen sind benannt nach Hannes Alfvén und bewegen sich mit der gleichnamigen Alfvén-Geschwindigkeit fort.

Erzeugen der Plasmawelle

Um in diesem dynamischen Gleichgewicht eine Plasmawelle zu erzeugen, wird das Plasma zusätzlich gezielt angeregt.

mittels kurz gepulster Laser

Die Verwendung eines hochenergetischen und sehr kurz gepulsten Lasers ist eine Möglichkeit.

Hierbei wird der Laser auf einen Punkt fokussiert. Durch die extreme Zunahme der Energie an einem einzigen Punkt werden die freien Elektronen zusätzlich angeregt und entfernen sich von den Atomkernen in diesem Bereich. Nach dem Impuls streben die Elektronen wieder zurück zu den Restatomen. Die Elektronen werden jedoch nicht vollständig von den Atomen eingefangen, schießen teilweise über das Ziel hinaus und kehren anschließend wieder zurück. Durch diesen schwingenden Dipol, gebildet durch die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Restatome, entsteht für sehr kurze Zeit eine elektromagnetische Plasmawelle.

Auf diese Weise ist es Forschern gelungen, Elektronen bis auf 200 MeV (MegaElektronenVolt) zu beschleunigen (Science 298, 1596-1600 (2002)).

mittels beschleunigter Positronen

Eine weitere Möglichkeit ist die Erzeugung einer Plasmawelle mittels bereits beschleunigter Positronen, den Antiteilchen der Elektronen.

Hierbei werden Positronen durch ein Plasma geschossen. Entlang des Flugweges stört das Positron das Gleichgewicht und erzeugt einen ähnlichen Effekt wie der Laserimpuls. Allerdings breitet sich die Plasmawelle hier über die gesamte Flugbahn aus.

Auf diese Weise konnte ein weiteres Positron, das dem ersten folgte um weitere 80 MeV beschleunigt werden (Phys. Review Letters 90, Art.-Nr.: 214801 (2003)).

Einsatzmöglichkeiten

Zur Zeit befinden sich diese Techniken noch im Experimentierstadium. Doch in naher Zukunft ist der praktische Einsatz in folgenden Bereichen absehbar:

• im Bereich der experimentellen Elementarteilchenphysik, die durch die deutlich kleineren und günstigeren Apparaturen (25 Quadratmeter) im Vergleich zu den heutigen Teilchenbeschleunigern mit kilometerlangen Beschleunigungsröhren einen klaren Vorteil bieten.
• in der Medizin: Tumore können durch Protonenstrahlen behandelt werden. Durch die neuen Apparaturen müssten die Patienten nicht mehr in Beschleunigungszentren gebracht werden, sondern könnten direkt im Krankenhaus behandelt werden.
• in der Antriebstechnologie für den Einsatz von Plasmatriebwerken, z. B. für Weltraumexpeditionen in weiter entfernte Bereiche des Weltalls.