Plasma (Physik)

(griechisch)

Plasma wird neben dem festen, flüssigen und gasförmigen als der vierte Aggregatzustand der Materie bezeichnet. Es ist ein ionisiertes heißes Gas, in dem sich neben neutralen Atomen und Molekülen viele negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen mehr oder weniger frei bewegen. Das führt zu sehr eigentümlichen Eigenschaften der Materie, die Prozesse ermöglichen, die in den anderen Zustandsformen nicht ablaufen können. Es verfügt über eine große elektrische Leitfähigkeit. In der Natur findet man es nur in den höchsten Schichten der Atmosphäre, im Weltraum und im Inneren der Sterne.

Plasmen haben einen hohen Energieinhalt und lassen sich leicht durch äußere elektrische und magnetische Felder beeinflussen und steuern. Die Temperaturen bekannter und vorstellbarer Plasmen reichen über zehn Zehnerpotenzen hinweg. Plasmen, die in der Technik angewendet werden, weisen Temperaturen zwischen etwa 1 000 und 10 000 Grad Kelvin (0 °C = 273 K) auf; man spricht von Niedertemperaturplasmen. Zum Vergleich: Das Plasma aus den beiden Wasserstoffarten Deuterium und Tritium, mit dem die Kernfusion Wirklichkeit werden soll, wird eine enorme Dichte und eine Temperatur von mehr als 100 Millionen Grad aufweisen müssen, damit die Wasserstoffkerne zu Helium verschmelzen.

Plasmatechnologie

Als Strahlungsquelle wird Plasma in den Gasentladungslampen, wie den Leuchtstoffröhren mit Niederdruckentladung und neuartigen Hochdrucklampen, genutzt. Die plasmagestützten Lichtquellen haben nicht nur die konventionelle Beleuchtungstechnik revolutioniert, sondern auch Produkte wie Fotokopierer und Plasmadisplays möglich gemacht. Weil gewisse Plasmen eine intensive Röntgenstrahlung emittieren, eröffnet die Plasmatechnologie der Mikroskopie und der Mikrolithografie neue Möglichkeiten. Das Licht des Glaslasers wird ebenfalls von einem Plasma erzeugt.

In der Schaltertechnik wird das Plasma eines Lichtbogens, den sich der Schalter selbst erzeugt und der im richtigen Moment wieder verschwindet, v.a. dort genutzt, wo Millionen Volt und Stromstärken bis eine Million Ampere zu beherrschen sind. In der so genannten Leistungsimpulstechnik werden solche Schalter elektronisch angesteuert. Mit ihrer Hilfe werden extrem hohe Leistungen bei Leistungsdichten von Billionen Watt je Quadratzentimeter schockartig übertragen.

Plasma als Wärmequelle wird zum Schweißen, Schneiden und Schmelzen eingesetzt. So wird ein hoher Prozentanteil der Weltstahlproduktion aus Schrott in Lichtbogenöfen erschmolzen. Das Plasmaspritzen eignet sich zur Beschichtung nahezu jedes Werkstoffes. In den Plasmabrenner eingebrachte Materialien werden von Plasma an- und durchgeschmolzen und von der Strömung auf die Werkstückoberfläche geschleudert; auf gleiche Weise lassen sich sogar kompakte Teile herstellen.

Im Plasma werden darüber hinaus hochschmelzende Stoffe legiert, Pulver und selbst völlig neue Materialien hergestellt. Nach dem so genannten atmosphärischen Plasmaspritzen (APS) werden seit Jahrzehnten Kunststoffe metallisiert, Maschinenteile verzinkt und Kolbenböden etwa mit keramischen Auflagen versehen. Beim Plasmaspritzen im Vakuum (VPS = Vakuumplasmaspritzen) entstehen im Allgemeinen stabilere Schichten, die zentimeterdick sein können.