Was ist eigentlich Plasma?

Die drei Aggregatszustände fest, flüssig und gasförmig sind, spätestens seit dem Physikunterricht, jeder Schülerin ein Begriff. Manchmal ist in diesem Zusammenhang auch von Plasma die Rede. Was hat es mit diesem sogenannten „vierten Aggregatszustand“ auf sich?

Plasmalampe

Plasma sichtbar gemacht: Wird das Gas in einer Plasmalampe unter Strom gesetzt, lösen sich Elektronen von den Atomkernen. Das Gas ist nun ionisiert (oder eben ein Plasma) und beginnt zu leuchten, wo der Strom in fadenartigen Strukturen zur Wand der Glaskugel fliesst. Bild: CanStockPhoto

Plasma ist etwas schwieriger zu beschreiben als die anderen drei Aggregatszustände, da es sich im Klassenzimmer nicht so anschaulich darstellen lässt. Die theoretische Herleitung ist aber einleuchtend: Wird Gas mit sehr hohen Temperaturen behandelt, lösen sich durch die starke Energieeinwirkung die Elektronen aus ihrem Atom heraus. Das Ergebnis sind ionisierte Atome: also positiv geladene Kerne, so genannte Ionen, und negativ geladene freie Elektronen. Physikalisch gesehen ist Plasma also nach wie vor ein Teilchengemisch aus Ionen und Elektronen; diese sind aber voneinander getrennt und nicht wie bei den anderen drei Aggregatszuständen in Atomen organisiert. Einfacher ausgedrückt: Plasma ist ein leitfähiges Gas aus geladenen Teilchen.

Das Plasma auf der Erde …

Blitz

Die hohen Temperaturen in einem Blitz ionisieren das Gas der Atmosphäre. Dieses Plasma sehen wir hell aufleuchten. Bild: CanStockPhoto

Auf der Erde entsteht Plasma natürlicherweise nur unter sehr speziellen Bedingungen. Es kann beispielsweise um Gewitterblitze herum auftreten, da dort Temperaturen bis zu 30‘000 Grad Celsius herrschen. Die Atome der Atmosphäre werden durch die hohen Temperaturen ionisiert, und hell leuchtendes Plasma entsteht.

... ist nichts im Verhältnis zum Plasma im Weltall

Verlässt man jedoch den unmittelbaren Umkreis unseres Planeten, gelangt man bald in einen Bereich, in dem bis zu 99% der Materie als Plasma vorliegen: das Weltall. Die Sterne, darunter auch die Sonne, sowie das Innere von Planeten bestehen beispielsweise aus Plasma.

Die Sonne besteht zu drei Vierteln aus Wasserstoff, der bei den sehr hohen Temperaturen von ca. 15 Millionen Grad als Plasma vorliegt. Das bedeutet, dass in diesem Zustand die Elektronen der Wasserstoffatome von ihren Kernen getrennt sind und so eine Fusion der Wasserstoffkerne möglich wird. Bei diesen Kernfusionen entsteht eine immense Menge Energie. Um den gesamten Energieverbrauch von uns Erdbewohnern für eine Million Jahre zu decken, würde es ausreichen, nur eine Sekunde lang auf diese Weise Energie zu produzieren!

Die Sonne, ein leuchtender Plasmaball

Bild: CanStockPhoto

Die Kernfusion von Wasserstoff

Bei der Fusion von Wasserstoffkernen wird eine immense Menge Energie freigesetzt. Was dabei passiert, siehst du in dieser Animation zur Kernfusion in der Sonne.

Da fragt sich: Warum wird nicht der gesamte Strom auf der Erde auf diese Weise produziert?
Das Problem hierbei ist, dass die Wasserstoffatome auf unglaublich hohe Temperaturen erhitzt werden müssen, damit sie in den Plasma-Zustand übergehen und eine Kernfusion möglich wird. Eine konstante Erhitzung auf solch extreme Temperaturen ist heute technisch noch nicht möglich.

Mit kaltem Plasma gegen Bakterien und andere Keime

Die besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Plasma werden in verschiedenen technischen Anwendungen ausgenutzt, sei es in Leuchtstofflampen, bei Verarbeitungsprozessen wie dem Schweissen oder in der Medizin.

Sogenanntes „Kaltes Plasma“ wird zum Beispiel in der modernen medizinischen Forschung verwendet. Es zerstört die Zellwände von Bakterien, nicht aber diejenigen des Menschen. Deshalb wird geprüft, ob eine medizinische Bestrahlung mit diesem Plasma als Waffe gegen resistente Bakterien eingesetzt werden könnte. Auch Anwendungen in der Krebstherapie werden erforscht.

Auf Interesse stösst die Plasmasterilisation auch in der Nahrungsmittelindustrie. Die Idee ist, frische und hitzeempfindliche Lebensmittel damit keimfrei und länger haltbar machen zu können. Bis aber diese Technik Anwendung findet, müssen noch einige Fragen geklärt werden: z. B. wie sich die Plasmabehandlung auf die stoffliche Zusammensetzung der Lebensmittel auswirkt und ob die so behandelten Produkte gesundheitlich unbedenklich sind.

Plasma: Die Lösung für viele ungelöste Probleme?

Die Forschung am vierten Aggregatszustand ist noch lange nicht abgeschlossen: Wissenschaftler im All, in der Energieversorgung, in der medizinischen Forschung oder im Lebensmittellabor interessieren sich für diesen ungewöhnlichen Materiezustand. Es bleibt abzuwarten, wo die vielfältigen Arten von Plasma noch überall Verwendung finden werden!

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