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Die Wirkung von Magnetfeldern auf Plasma

Von Feldern verformt

Wenn ein neutrales Gas in den „vierten Zustand“ der Materie wechselt, verändert sich ein Aspekt seines Verhaltens fundamental: Als Plasma reagiert es plötzlich stark auf elektromagnetische Felder. Die von ihren Atomen getrennten Elektronen können sich im Plasma frei bewegen und dadurch wie in einem Metall fließen – das Plasma leitet Strom. Gleichzeitig lässt es sich durch Magnetfelder beeinflussen und lenken.

Plasmaröhren
Hoch über unseren Köpfen existieren gewaltige Röhren aus dünnem Plasma. © CAASTRO/Mats Bjorkland

Feuerkugeln und turbulente Ströme

Die Reaktion des Plasmas auf Magnetfelder kann zu überraschenden Phänomenen führen, wie Forscher vor kurzem feststellten: Bewegt man einen einfachen Stabmagneten an der Außenwand eines Plasmagefäßes entlang, löst dies im Inneren chaotische Turbulenzen aus. Im Extremfall entstehen dadurch lokal begrenzte Strukturen, die leuchtenden Feuerbällen ähneln.

Ungewöhnliche Plasma-Strukturen existieren auch hoch über unseren Köpfen: Durch die Wechselwirkung mit dem irdischen Magnetfeld bilden sich in der Ionosphäre riesige, für uns unsichtbare Röhren aus Plasma. Diese „Zebrastreifen“ bilden ein erstaunlich regelmäßiges Muster, das durch Resonanzeffekte zwischen den Elektronen des Ionosphären-Plasmas und dem Erdmagnetfeld entstehen.

Wasserstoff-Plasma im Fusionsreaktor Wendelstein 7-X © IPP

Magnetkäfig und explodierende Feldlinien

Die Reaktion von Plasma auf Magnetfelder hat aber auch eine ganz praktische Bedeutung. Denn erst durch sie kann man Plasmen kontrollieren und sogar wie in einem Käfig einsperren. Besonders wichtig ist dies in Fusionsreaktoren. In ihnen ist der unter hohem Druck nahezu vollständig ionisierte Wasserstoff mehrere Millionen Grad heiß – dieser Hitze kann kein Material standhalten. Deshalb wird das Fusionsplasma in einem Käfig aus starken Magnetfeldern eingeschlossen. Im Testreaktor Wendelstein-7X in Greifswald sorgt ein gewundenes System von Magnetspulen für den nötigen Einschluss und zwingt das Plasma in eine ringförmige Form.

Doch ein Plasma kann auch selbst elektromagnetische Felder erzeugen. Besonders spektakulär ist dies beim Sonnenplasma zu beobachten: Die auf- und absteigenden Ströme der heißen Sonnenmaterie erzeugen enorm starke Magnetfelder und komplex verzwirbelte Magnetfeldlinien. Durch die Wechselwirkungen dieser Feldlinien kommt es immer wieder zu heftigen Ausbrüchen, bei denen Plasma und energiereiche Strahlung weit ins All hinausgeschleudert werden – ein Sonnensturm beginnt. Treffen die Plasmawolken eines solchen Sturms die Erde, prallen sie auf das irdische Magnetfeld und dringen teilweise bis in die obere Erdatmosphäre ein. Die Folge sind prachtvolle Polarlichter, aber auch Störungen der Telekommunikation oder sogar Stromausfälle.

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Plasma – der vierte Zustand der Materie
Ein physikalisches Phänomen als Werkzeug der Zukunft

Am Anfang war das Plasma
Das Wesen des vierten Zustands

Vom Gas zum Plasma
Wie man den vierten Materiezustand herstellt

Zwischen kalt und extrem heiß
Plasma ist nicht gleich Plasma

Von Feldern verformt
Die Wirkung von Magnetfeldern auf Plasma

Keimkiller und Wundheiler
Kaltes Plasma in der Medizin

Antriebsdüsen und feine Schnitte
Plasma-Anwendungen in Technik und Raumfahrt

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