Strömende Komplexe Plasmen

Bringt man Mikropartikel in ein Plasma ein, so laden sie sich
elektrisch auf, man spricht von einem "`Komplexen Plasma"'. Das
Komplexe Plasma besteht damit aus Elektronen, Ionen,
Neutralgasteilchen und den (meist negativ) geladenen
Staubpartikeln. Alle diese Teilchen wechselwirken miteinander. Mit
Hilfe eines Lasers und einer Kamera, können Position und
Geschwindigkeit der Staubpartikel ermittelt werden. Bei
herkömmlichen Flüssigkeiten ist dies nicht möglich, da die
Atombewegung nicht gleichzeitig räumlich und zeitlich in genügend
hoher Auflösung zugänglich ist. In dieser Arbeit werden Ströme
geladener Mikropartikel beschrieben, die in einem eigens dafür
konstruierten Kanal fliessen. Im ersten Teil werden lineare
Strömungen, im zweiten Teil ringförmige, quasi-unendliche
Strömungen Komplexer Plasmen untersucht. Dabei steht die Frage nach
den Grenzen des kooperativen Verhaltens der Teilchen im
Vordergrund. Bei den linearen Strömungen geht es um kollektive
Effekte in einer Laval-Düse. Die Untersuchung der Teilchenbewegung
unter Schwerelosigkeit (während der Parabelflüge) auf kinetischem
Level offenbart den Unterschied zwischen Einzelteilchenbewegung und
der Strömung kleiner und großer Teilchenwolken. Im Labor wird die
Bildung von Ketten unter Schwerkraft beschrieben. Die Analysen der
Position, der Länge und der Stabilität der Ketten ergeben, dass ein
bindendes Potential zwischen den negativ geladenen Staubteilchen
vorhanden sein muss. In einer Erweiterung dieses Experiments zeigen
sich Wellen. In horizontaler Konfiguration wird dargestellt, dass
Wellen in Staubpartikelströmungen wie Wasserwellen am Strand
brechen können. Das Hauptziel der Experimente mit ringförmigen
Strömungen ist die Frage nach dem Strömungsverhalten bei der
Bewegung um ein Hindernis. Die Antwort der Thermodynamik, dass in
einem klassischen inkompressiblen Fluid das Produkt aus
Geschwindigkeit und Querschnittsfläche konstant bleibt, wird für
die hier untersuchten ringförmigen Strömungen nachgewiesen.
Weiterhin wird das Ordnungsverhaltens der Partikel innerhalb der
Strömung beim Passieren des Hindernisses analysiert. Dabei wird
sehr detailliert gezeigt, wie Partikelbahnen verschmelzen oder neu
entstehen. Es zeigen sich viele Analogien zu bekannten Systemen,
wie z.B. dem Straßenverkehr, wenn etwa auf einer mehrstreifigen
Straße eine Spur endet. Die gefundenen Ergebnisse unterstreichen
eindrucksvoll die Eignung Komplexer Plasmen als interdisziplinäres
Modellsystem zur Analyse dynamischer Vorgänge in der Natur.