Plasmen erklärt

Wir leben glücklicherweise in der gasförmigen unteren Atmosphäre der Erde, die aus einer Mischung von Gasen besteht – hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff. Wenn wir uns jedoch von der Erdoberfläche nach oben bewegen, ändert sich die Umgebung und passt nicht mehr zu dieser Beschreibung. In etwa 80 km Höhe über der Erdoberfläche besteht die Atmosphäre nicht mehr aus Gas. Stattdessen besteht sie aus ionisiertem Gas, das aus einer ausgewogenen Mischung aus Elektronen, positiven Ionen und neutralen Teilchen besteht. Dieser Zustand wird als Plasma bezeichnet. Er wird gemeinhin als „vierter Aggregatzustand“ bezeichnet und ist nach Ansicht vieler Astrophysiker der „erste“ Aggregatzustand überhaupt, da er sich als erster unmittelbar nach dem Urknall gebildet hat.

Um Plasma zu erzeugen, wird Energie benötigt, um die Elektronen aus den Atomen zu lösen. Die Energie kann in verschiedenen Formen vorliegen – Wärme, Elektrizität oder Licht (ultraviolettes Licht oder intensives sichtbares Licht aus einem Laser). Bei unzureichender Energie rekombinieren Plasmen zu neutralem Gas.

Weiter draußen im Weltraum wird alles Gas ionisiert, und es ist die hochenergetische elektromagnetische Strahlung der Sonne, die selbst aus Plasma besteht, die für diesen Ionisierungsprozess verantwortlich ist. Der Weltraum wird also von Plasma beherrscht. Tatsächlich bestehen 99 % der Materie im bekannten Universum aus Plasma.

Plasmaformen

Plasmen kommen natürlich vor, können aber auch künstlich hergestellt werden. Natürlich vorkommende Plasmen können auf der Erde (terrestrisch) oder im Weltraum (astrophysikalisch) vorkommen. Künstliche Plasmen wurden entwickelt, um die Bedürfnisse einer Vielzahl von Fertigungs-, Herstellungs- und speziellen Beschichtungsindustrien zu erfüllen.

Beispiele für drei Arten von Plasmen

Plasmaeigenschaften

Plasma ist der höchste Energiezustand der Materie. Es besteht aus einer Ansammlung von frei beweglichen Elektronen, positiven Ionen und neutralen Teilchen. Obwohl es eng mit der Gasphase verwandt ist, da es weder eine bestimmte Form noch ein bestimmtes Volumen hat, unterscheidet es sich in einigen Punkten:

• Plasma hat eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit.
• Plasma lässt sich leichter durch elektrische und magnetische Felder beeinflussen als durch die Schwerkraft
• Die Bewegung der Elektronen und Ionen im Plasma erzeugt ihre eigenen elektrischen und magnetischen Felder.
• Aufgrund des völlig chaotischen und hochenergetischen Zustands der Teilchen, aus denen das Plasma besteht, erzeugt es seine eigene elektromagnetische Strahlung.

Um den hochenergetischen Zustand des Plasmas zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, muss ständig Energie zugeführt werden.

Künstliches Plasma – heiß und kalt

Heißes oder thermisches Plasma wird in atmosphärischen Lichtbögen, Funken und Flammen erzeugt. Das hochionisierte Plasma besteht aus einer großen Anzahl von Elektronen und positiven Ionen, wobei die Temperatur beider extrem hoch ist. Je nach Leistung arbeiten Plasmaschneidbrenner bei sehr hohen Temperaturen zwischen 5000 und 10 000 °C.

Kaltes oder nicht-thermisches Plasma ist weniger stark ionisiert, und obwohl die Elektronen eine hohe Temperatur haben, haben die positiven Ionen und neutralen Teilchen eine niedrigere Temperatur. Wenn eine Leuchtstoffröhre eingeschaltet wird, entsteht in der Röhre kaltes Plasma (bei Raumtemperatur).

Künstliches Plasma

Thermisches Plasma wird in einer Reihe von Industriezweigen eingesetzt, u. a. in der Beleuchtungsindustrie, bei Beschichtungen, in der Metallherstellung und -reinigung. Beispiele hierfür sind:

• Metallhalogenid-Bogenlampen, die in der Flutlichtbeleuchtung eingesetzt werden
• Plasmabeschichtungsverfahren, die es ermöglichen, verschleißfeste und hitzebeständige Beschichtungen auf ausgewählten Oberflächen aufzubringen
• die Verwendung elektrischer Lichtbögen zum Schneiden und Schweißen von Metallen.

Da die Wissenschaftler mehr über die Struktur und die Eigenschaften von Plasma wissen, haben sich neue Technologien entwickelt, die zu einer raschen Ausweitung der Anwendungen von kaltem oder nichtthermischem Plasma geführt haben. So werden beispielsweise bei der Herstellung von Computer-Hardware-Komponenten Verfahren wie die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung und das Ätzen zur Herstellung integrierter Schaltungen eingesetzt. Diese Art der Plasmabearbeitung war maßgeblich an der Entwicklung und Herstellung der leistungsfähigen, kompakten Computer und Mobiltelefone beteiligt, die heute in Gebrauch sind.

Weitere Beispiele für die Verwendung von kaltem Plasma sind:

• Leuchtstoffröhren
• Plasmafernseher
• Umweltkontrolle – Verringerung von Schadstoffemissionen
• Plasmaballspielzeug.

Betrieb von Plasmafernsehern

Der Flachbildschirm besteht aus zwei transparenten Glastafeln, zwischen denen eine dünne Schicht von Pixeln liegt. Jedes Pixel besteht aus drei gasgefüllten Zellen. Das Gas ist eine Mischung aus Neon und Xenon. Jede Zelle ist auf der Innenseite mit einem Leuchtstoff beschichtet, der bei Anregung rotes, grünes oder blaues sichtbares Licht aussendet. Ein Gitter aus winzigen Elektroden ermöglicht die Zufuhr von elektrischem Strom zu jeder Zelle des Pixels. Wenn Strom fließt, wird das Gas in der Zelle ionisiert und in einen Plasmazustand versetzt, wodurch UV-Licht emittiert wird. Der Phosphor, mit dem die Wände der Zelle beschichtet sind, absorbiert dieses UV-Licht und wird dazu angeregt, sichtbares Licht, entweder rot, grün oder blau, zu emittieren.

Wie viele Pixel ein Plasmabildschirm hat, hängt von der Auflösung des Bildschirms ab. Ein Plasmabildschirm mit einer Auflösung von 1280 x 720 hat 1280 x 720 = 921.600 Pixel. Jedes Pixel hat drei Zellen, so dass ein Plasmadisplay mit einer Auflösung von 1280 x 720 über 3 x 921.600 = 2.764.800 einzelne Zellen verfügt.

Indem das Steuersystem die Stromimpulse, die durch die verschiedenen Zellen fließen, variiert, kann es die Intensität jeder einzelnen Zellenfarbe erhöhen oder verringern und so Hunderte von verschiedenen Kombinationen von Rot, Grün und Blau erzeugen. Auf diese Weise kann das Steuersystem Farben über das gesamte Spektrum erzeugen.