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F.A.Z. v. 24.11.1999

Überschallkegel in einem Kristall

Stoßwellen sichtbar gemacht / Krypton und Polymerkugeln / Von Rainer Scharf

Wenn sich ein Projektil mit Überschallgeschwindigkeit durch ein Gas bewegt, verursacht es eine kegelförmige Stoßwelle. Man spricht auch von einem Mach-Kegel. Beim Vorbeiflug eines Überschallflugzeugs wird diese Stoßwelle als Überschallknall wahrgenommen. Während Mach-Kegel in Gasen recht häufig auftreten, beobachtet man sie in kristallinen Materialien nur unter ganz speziellen Bedingungen. Entsprechend wenig weiß man in diesem Fall über ihre Form und Ausbreitung. Staubige Plasmen, die aus ionisiertem Gas, Elektronen und Staubpartikeln bestehen, können einen Kristall besonderer Art bilden. Die elektrisch geladenen Staubpartikeln ordnen sich zu einem so genannten Wigner-Kristall, in dessen Zwischenräumen sich das ionisierte Gas und die Elektronen befinden. Berechnungen hatten gezeigt, dass in einem solchen staubigen Plasma, wie es auch in den Saturnringen vorkommt, Mach-Kegel auftreten sollten, wenn ein Projektil mit großer Geschwindigkeit hindurchfliegt. Ein Laborexperiment hat das jetzt bestätigt.

Forscher der University of Iowa und des Max Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching haben unter Leitung von John Goree die Eigenschaften eines staubigen Plasmas untersucht, das aus dem ionisierten Edelgas Krypton und rund 10000 mikroskopisch kleinen Polymerkugeln besteht ("Physical Review Letters", Bd. 83, S. 3649). Die negativ geladenen Kügelchen schwebten über einer positiv geladenen Platte und ordneten sich in einer Ebene zu einem bienenwabenförmigen Muster an, einem zweidimensionalen Wigner-Kristall. Mit einem Laser wurden die Kügelchen von der Seite her beleuchtet. Durch ein Mikroskop machte eine Videokamera 50 Bilder in der Sekunde von der Anordnung der Kügelchen. Mit einem Computer wurde anschließend aus der Bilderfolge die Bewegung jedes der Teilchens berechnet.

Die Anordnung der Kügelchen wurde durch einige negativ geladene Partikeln gestört, die sich mit großer Geschwindigkeit in geringem Abstand von der Kugelschicht hin und her bewegten. Die elektrische Abstoßung zwischen einem solchen Teilchen und den Kugeln, an denen es vorüberfliegt, setzte die Kugeln in Bewegung. Die angestoßenen Kugeln setzten ihrerseits die ihnen benachbarten in Bewegung, da sie über das zwischen ihnen befindliche Plasma Kräfte aufeinander ausüben. So entstanden Stoßwellen, deren Ausbreitung im Wigner-Kristall mit Hilfe der Videoaufnahmen sichtbar gemacht werden konnte.

Die im staubigen Plasma auftretenden Stoßwellen sind auf überraschende, bisher noch nicht bekannte Weise angeordnet. Sie bilden nicht einen, sondern zwei V-förmige Mach-Kegel, die unterschiedlich weit geöffnet sind und unmittelbar aufeinander folgen. Mit dem Computer kann man diese ungewöhnliche Form bisher nicht zufriedenstellend reproduzieren. Die Wissenschaftler hoffen jetzt, mit ihren Experimenten neue Erkenntnisse über die Eigenschaften von staubigen Plasmen im Weltall und über die Ausbreitung von Stoßweilen in kristallinen Substanzen zu gewinnen. 
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