Plasma - zwischen kalt und extrem heiß.

aus scinexx                                             Im dichten, heißen Plasma der Sonne sind die Atome vollständig ionisiert

Zwischen kalt und extrem heiß

Auf den ersten Blick hat die brodelnde Sonnenmaterie wenig mit Leuchtstoffröhren oder gar den kalten interstellaren Gaswolken gemeinsam. Dennoch handelt sich bei allen um ein Plasma. Denn wie heiß, wie dicht und wie leuchtend ein Plasma ist, hängt stark von den physikalischen Gegebenheiten ab.

Auf die Teilchen kommt es an

Ein Faktor ist der Ionisationsgrad: Während der Phasenübergang bei den Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig relativ abrupt geschieht, läuft die Ionisation zum Plasma schrittweise ab. Erst nach und nach trennen sich die Elektronen von den Restatomen. Mit steigender Energiezufuhr nimmt dadurch der Anteil freier Elektronen und Ionen im Plasma zu. Besonders heiße Plasmen wie die Sonnenmaterie oder das Plasma in einem Fusionsreaktor sind nahezu vollständig ionisiert. Das Plasma in Gasröhren oder anderen technischen Anwendungen hat dagegen meist einen Ionisationsgrad von nur wenigen Prozent.

Ein zweites Unterscheidungsmerkmal ist das thermische Gleichgewicht des Plasmas. Dieses ist entscheidend dafür, wie heiß uns ein Plasma erscheint. Denn die Plasmatemperatur ergibt sich aus den kombinierten Energien der verschiedenen Teilchensorten in ihm – und diese müssen nicht gleich sein. Entsteht das Plasma unter hohem Druck aus komprimierten Gasen, wie im Inneren der Sonne, dann sind Elektronen und Ionen dicht gedrängt und kollidieren oft. Das führt zu einem ständigen Energieaustausch, der für eine einheitliche Temperatur aller Teilchen sorgt – das Plasma steht im thermischen Gleichgewicht und ist in der Regel sehr heiß.

In Neonleuchten und anderen Gasentladungslampen ist das Plasma nur gering ionisiert und nicht im thermischen Gleichgewicht, daher fühlt es sich nicht heiß an.

Kaltes Plasma

Wird ein Plasma dagegen aus einem eher dünnen, wenig komprimierten Gas erzeugt, haben auch die Ionen und Elektronen in ihm viel Platz. Dadurch findet nur wenig Energieübertragung zwischen den verschiedenen Teilchen statt. Die leichten, bei der Ionisation stärker aufgeheizten Elektronen behalten in einem solchen Niederdruckplasma eine deutlich höhere Temperatur als die schwereren Ionen – es kann sich kein thermisches Gleichgewicht einstellen. 

Die Gesamttemperatur eines solchen Plasmas liegt deshalb eher niedrig. In einer Quecksilberdampflampe beispielsweise sind die Elektronen bis zu 10.000 Grad heiß. Die Ionen haben dagegen nur wenig mehr als Raumtemperatur. Deshalb erscheint uns eine solche Plasmalampe beim Anfassen allenfalls warm. Genau dies ist auch der entscheidende Vorteil solcher „kalten Plasmen“: Sie eignen sich wegen ihrer eher geringen Hitze besonders gut für technische Anwendungen.

Doch es geht noch extremer: Anfang 2019 gelang es Wissenschaftlern erstmals, ein Plasma bis kurz über den absoluten Nullpunkt herunterzukühlen. Dabei nutzten sie die Technik der Laserkühlung, um die Eigenbewegung der Teilchen zu bremsen und so die Temperatur des Plasmas zu senken.