Plasma, Eigenschaften und Funktionsweise

Plasma, Eigenschaften und Funktionsweise

1. Plasma - Definition, Eigenschaften, Vorkommen, Funktionsweise

Das Wort Plasma kommt aus dem Griechischen und ist in „das Geformte“ bzw. „das Gebilde“ zu übersetzen. In der Physik wird damit das Gas bezeichnet, welches ganz oder auch nur zum Teil im ionisierten Zustand ist. Eingeführt wurde der Begriff Plasma bereits 1928 von dem Physiker und Chemiker aus den USA Irving Langmuir. Er definierte und führte damit neben „fest“, „flüssig“ und „gasförmig“ den neuen vierten Aggregatzustand der Materie (vor allem der Gase) ein: den Plasmazustand. Typische physische Eigenschaften der ionisierten Gase bzw. der Plasmen sind, dass sie elektrisch leitende Gase sind. Dieses basiert auf den freien Ladungsträgern, die das ionisierte Gas enthält, wie Elektronen und Ionen.
Im All kommt das Plasma sehr häufig vor. Aus Plasma bestehen alle Sterne, wie auch unsere Sonne, die ja auch ein Stern ist. Die für uns sichtbare Sonnenkorona ist nämlich Plasma. Die Furcht erregenden Blitze, die flimmernden Flammen, wie auch das zauberhafte Polarlicht sind ebenfalls gute Beispiele für Plasma.
Eine enorme Menge Plasma beinhaltet die Ionosphäre, jener Teil der Erdenatmosphäre, der aus großen Mengen freier Elektronen und Ionen besteht. Die Ionosphäre beginnt bei ca. 40 bis 80 km Höhe und kann bis zur Höhe von ca. 400 bis 800 km reichen. Das bekannte Polarlicht (auch Nordlicht, bzw. Aurora genannt) ist auch mit der Ionosphäre zu erklären. Genauer gesagt, ist es eine der so genannten Ionosphärenstörungen. Das Polarlicht tritt unvermittelt auf und kann von wenigen Minuten bis zu einige Tagen sichtbar bleiben.
Obwohl relativ spät entdeckt, ist der vierte Aggregatzustand der Materie, der Plasmazustand mir einem Anteil von über 99% der am stärksten verbreitete Aggregatzustand des Universums.
Bekanntlich hat jedes Atom einen Atomkern, der positiv geladenen ist und von Elektronen umkreist wird, die negativ geladen sind. Wird ein Gas stark aufgeheizt, können die Zusammenstöße seiner Atome die Trennung deren Elektronen verursachen, wobei das Gas aus geladenen Teilchen entsteht, das Plasma. Das Strahlen dieser Teilchen erklärt das Leuchten der Plasmen.

‚© A.Dreher / PIXELIO

2. Plasma Technologie – die Zukunft

Das 1928 entdeckte und als vierten Aggregatzustand definierte Plasma, den gewisse Gase durch Erhitzen erreichen, hat seitdem eine erfolgreiche Entwicklung in Richtung Zukunft hinter sich gebracht. Aus den ersten theoretischen Erkenntnissen der Plasmaphysik ist die praktische Plasma Technologie entstanden, durch die das Plasma ihren nutzbringenden Einzug in zahlreichen technischen Bereichen des täglichen Lebens gestartet hat.
Mittlerweile ist „Plasma“ für viele durch die Plasmabildschirme bekannt geworden: die Plasma Fernseher und Plasma PC Monitore mit ihrer hervorragenden Bildqualität. Erwähnt sei aber, dass auch die Chips in den Computern ebenfalls mit Plasma zu tun haben, denn sie werden durch ein Plasma Verfahren geätzt.
Doch Plasma hat noch viel mehr zu bieten. Denn neben ihrer Leitfähigkeit hat es weitere bedeutende Eigenschaften, die ihm weitere Einsatzmöglichkeiten in Industrie und Technik erlauben. Die Plasma Forschung, die weitere Entwicklung der Plasma Technologie und die daraus resultierenden neuen Plasma Verfahren werden durch enge Kooperation von Forschern, Wissenschaftlern und Ingenieuren kontinuierlich vorangetrieben. Zudem kann Plasma nicht nur aus Gasen, sondern ebenfalls aus Elektrolytlösungen, Metallen und auch aus Halbleitern erzeugt werden.
Erwähnt seien einige der wichtigsten und bedeutendsten zukünftigen Einsatzbereichen der Plasma Technologie.
• Energie
Die Plasma Forscher sind überzeugt, dass die Lösung des für die gesamte Weltbevölkerung lebenswichtigen Energieproblems mit Hilfe der Plasma Technologien gelingen wird. Die Vision diesbezüglich heißt „kontrollierte Kernfusion“. Ist der praktische Weg dazu gefunden, steht der Menschheit eine unerschöpfliche Energiequelle zur Verfügung.
• Chirurgie
Die Chirurgie wird auch von neuen des Plasmas zu verdankenden Produkten profitieren. So wird nach neuen von Plasma beschichteten Stents geforscht. Stents werden bereits heute anstatt Herzoperationen zur Dehnung der Gefäßverengungen wie zum Offenhalten der Herzadern eingesetzt. Ebenfalls von Plasma beschichtete Körperimplantate zeigen eine bessere Bioverträglichkeit und werden wiederum sicherer vom Organismus angenommen.
• Oberflächenbeschichtung
Viel versprechend sind die Ergebnisse der Forschung mit feuchtigkeitsempfindlichen Materialien und Stoffe wie z. B. Papier, Holz bzw. Textilien. Durch Beschichtungen mittels Niedertemperaturplasmen werden sie unempfindlich gegen Feuchtigkeit und sogar Wasser abweisend.

3. Plasma Technologie - Vorteile und Nachteile

Bereits 1964 entwickelten Donald L. Bitzer und H. Gene Slottow den ersten funktionsfähigen Plasmabildschirm für das Rechenzentrum der Universität von Illinois.
Die im Jahr 1997 erstmalig auf den Markt gebrachten Plasma Fernseher sind seitdem auf den Vormarsch. Die Unterschiede deren Eigenschaften gegenüber den LCD Fernseher basieren auf den unterschiedlichen Technologien, nach denen die Bilder entstehen.
Die LCD Fernseher (von „Liquid Crystal Display“, zu Deutsch „Flüssigkristall Display“) bzw. die TFT Bildschirme (TFT (von „Thin Film Transistor“, zu Deutsch „Dünnfilm Transistor“) basieren auf der Technologie der Flüssigkristalle, für deren Ausrichtung zur Steuerung deren Lichtdurchlässigkeit wiederum Transistor Elemente verwendet werden.
Die Plasma Technologie dagegen basiert auf die Eigenschaft der Edelgase, bei deren Erhitzung in den Plasmazustand zu kommen, wodurch sie durch UV Lichtstrahlung je eine Lichtquelle pro Display Bildpunkt erzeugen. Für alle Bildpunkte (Pixel) entstehen gleichzeitig je ein rotes, ein grünes und ein blaues Licht. Darauf ist die beachtenswerte Bildqualität der Plasmabildschirm zurück zu führen.

Die Vorteile der Bildqualität sind:
• Ganzflächig scharfe Bilder, ohne Flimmern und ohne Verzehrungen an den Bildrändern
• Es werden eine bedeutend höhere Anzahl Farben erreicht
• Die Farben sind brillant, die Helligkeit perfekt, der Kontrast gestochen
• Schwarz wird erheblich besser gezeigt, als echt sattes Tiefschwarz
• Die schnellen Bildbewegungen kommen besser zur Geltung
• Möglichkeit der Wandbefestigung mit einem Plasma Wandhalter

Die Vorteile der Plasmabildschirme sind:
• Platzsparende Wand- bzw. Deckenbefestigungen möglich
• Bei schrägen Blickwinkeln der Betrachter wird die Bildqualität nicht beeinträchtigt
• Da sie unempfindlicher gegenüber von Magnetfeldern sind, sind kaum Bildstörungen zu befürchten
• Sie können in beliebiger Größe hergestellt werden

Als Nachteile der Plasmabildschirme können erwähnt werden:
• Tageslicht bzw. Helligkeit beeinträchtigen die Bildqualität
• Ein Dauerbetrieb für Standbilder kann Einbrennen verursachen
• Sendungen mit 4:3 Format werden bei Plasmabildschirmen mit 16:9 Format durch schwarze Seitenstreifen beeinträchtigt

Durch die Plasma Technologie ergeben sich gewisse Eigenschaften der Plasmabildschirme, die beim Gebrauch zwingend zu beachten sind. So ist liegender Transport zu meiden, weil dabei die Plasma Kammern reißen können. Die Plasmabildschirme sind sehr schwer, da sie aus dicken Glasscheiben bestehen. Wegen deren hohen Wärmeabgabe erfordern sie oft (laute!) Lüfter. Zudem haben sie einen relativ hohen Stromverbrauch.

4. Plasma – Die Technologien im Alltag

Der Mensch hat von zahlreichen Wundern und Phänomenen der Natur „abgeguckt“, diese nachgeahmt und für sein Wohl erfolgreich technologisch umgesetzt. So hat er auch seine Erkenntnisse über die Entstehung und die Funktion des natürlich vorkommenden Plasmas in die modernen Plasma Technologien umgesetzt. Den ersten Plasmen, die künstlich hergestellt und für das tägliche Leben eingesetzt wurden, verdanken wir die bewährten Leuchtstoffröhren, die ersten Energiesparlampen. Die neuesten und modernsten Plasmen werden wiederum in der Bildschirmtechnik zur Herstellung von Plasmabildschirmen (Fernseher, PC-Monitore) eingesetzt.
Grundsätzlich wird zur Erzeugung des Plasmas die Ionisierung der Gase durch deren Erhitzung bewirkt. Dazu ist selbstverständlich eine permanente Zufuhr von Energie notwendig. Denn, wird diese abgebrochen, können die positiven und die negativen Ladungsträger (die ionisierten Teilchen) nicht mehr erzeugt werden, das Plasma erkaltet und kann nicht mehr strahlen.
Die natürlich vorkommenden Plasmen haben sehr unterschiedliche Formen und Qualitäten, die vor allem auf ihre Dichte zurückzuführen sind. Die Dichte wird auch bei der Erzeugung der künstlichen Plasmen gezielt beeinflusst. Dieses wird wiederum durch den Druck erreicht, in dem sich die ionisierten Teilchen zu bewegen haben. Je nach Druck werden in der Plasmentechnologie Niederdruckplasmen (bei denen der Druck viel niedriger als der Atmosphärendruck ist), Normaldruckplasmen (bei denen der Druck dem Atmosphärendruck gleich ist) und Hochdruckplasmen (bei denen der Druck viel höher als der Atmosphärendruck ist) verwendet.
Zur Herstellung von Plasmabildschirmen werden Niederdruckplasmen erzeugt. Verwendet wird dafür eine Mischung der Edelgase Neon und Xenon, deren UV Strahlung durch von Elektroden erzeugten winzigen Explosionen entsteht. Das stark verdünnte (um eine niedrige Plasmatemperatur zu garantieren) Gasgemisch befindet sich zwischen zwei Glasplatten und zwar in Millionen winzig kleinen Kammern. Die Farbe des einzelnen Bildpunktes (Pixels) wird durch die Lichtquelle gebildet, die ein Set aus drei mit Gasgemisch gefüllten Kammern erzeugt. Die einzelne Kammer im Set leuchtet jeweils in einer der Grundfarben blau, grün oder rot.