4. 1 Technische Plasmaprozesse
4. 1 Technische Plasmaprozesse
4. 1 Technische Plasmaprozesse
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
CRC-Corporate Research Center<br />
<strong>Plasmaprozesse</strong><br />
Dr. rer.nat. Jürgen Steinwandel<br />
EADS Deutschland GmbH<br />
Corporate Research Center<br />
Surface and Chemical Engineering<br />
© EADS<br />
Page 1<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
Inhalt<br />
1. Was ist ein Plasma ?<br />
2. Vorkommen und Bedeutung von Plasmen<br />
3. Natürliche Plasmazustände und Prozesse auf der Erde<br />
<strong>4.</strong> <strong>Technische</strong> <strong>Plasmaprozesse</strong><br />
5. Eine Reise durch unser Universum<br />
© EADS<br />
Page 2<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
1. Was ist ein Plasma ?<br />
Der Begriff Plasma wird oft im Zusammenhang mit Blut verwandt.<br />
! Damit beschäftigen wir uns hier nicht !<br />
Nicht weil es unwichtig ist, sondern weil das Blutplasma nichts mit<br />
physikalischen <strong>Plasmaprozesse</strong>n zu tun hat, die hier relevant sind:<br />
Physikalische <strong>Plasmaprozesse</strong><br />
Eine weit verbreitete Definition für Plasmen ist die, dass man diese als<br />
<strong>4.</strong> Aggregatzustand der Materie bezeichnet. Diese Bezeichnung geht auf<br />
Irvine Langmuir zurück (einer der bekanntesten Naturwissenschaftler des 19.<br />
Jahrhunderts, noch verhaftet in der traditionellen Sichtweise zum Auf-bau der<br />
Materie (u.a. die Aggregatzustände Gas/flüssig/fest).<br />
Eine weitergehende Beschreibung:<br />
Der physikalische Plasmazustand der Materie entspricht dem Normalzustand.<br />
Eine Unterscheidung Gas/flüssig/fest ist nicht von ursächlicher Bedeutung.<br />
Plasmazustände sind dadurch gekennzeichnet, dass in der Materie Elektronen<br />
in mehr oder weniger isolierter Form auftreten. Im einfachsten Fall handelt es<br />
sich um teil- oder vollionisierte Materie. Plasmazustände in weitestgehender<br />
Ausprägung sind Entartete Materie (bezogen auf unser Materieverständnis).<br />
© EADS<br />
Page 3<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
2. Vorkommen und Bedeutung von Plasmen<br />
Die wichtigsten Plasmazustände in unserer Nähe - Definitionen -<br />
© EADS<br />
Sonnenoberfläche 5700 °C Sonnenkorona über 0,5 Mio °C<br />
Thermisches Hochdruckplasma<br />
Niederdruckplasma<br />
Nicht- thermisches<br />
( Druck: über 100 bar) (Druck unter o,ooo1bar)<br />
Page 4<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
2. 1 Plasmazustände, dichte und entartete Materie<br />
Evolution der Sterne (extreme Kurzfassung)<br />
•Entstehung der Sonnen (ggf. Planeten) aus sog. „Prästellaren Nebeln“.<br />
(Gravitationsinstabilitäten)<br />
•Das weitere Zusammenstürzen der Materie (Gravitationskollaps) wird verhindert<br />
durch Zündung der Kernfusion bei ausreichender Kontraktionsdichte.<br />
(stabile thermodynamische Phase eines Sterns, 1 Mio - 15 Milliarden Jahre).<br />
In dieser Phase: Wasserstoff (H, H+, e--) und Heliumplasma (He, He++, 2e-)<br />
von besonderer Bedeutung. Synthese von schweren Elementen (bis Eisen) bei<br />
massereichen Sternen (m > 10 Sonnenmassen). Davon gibt es genug !<br />
• Wenn der Wasserstoffvorrat eines Sterns (das Primärplasma) verbraucht ist,<br />
werden die Sonnen instabil. Abhängig von der primären Sonnemasse werden<br />
weitere Kernfusionsschritte (Helium- Brennen bei Spektraltyp G1 wie der Sonne)<br />
eingeleitet (bis zum Endprodukt Eisen-Plasma in massereichen Überriesen)<br />
•Nach erlöschen der Fusionsreaktionen erfolgt eine weitere Energieproduktion durch<br />
weiteren Gravitationskollaps zu dichter oder entarteter Materie, entweder:<br />
Weiße Zwerge, oder Neutronensterne, oder<br />
Schwarze Löcher und Singularitäten<br />
© EADS<br />
Page 5<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
2.1.1 Eigenschaften von dichten und entarteten Plasmen<br />
Harrison- Wheeler Zustandsgleichung für entartete „kalte“ Materie<br />
Nach Verlöschen der Kernreaktionen:<br />
Gravitationskollaps zu:<br />
1. Weißer Zwerg (bis 1,4 Msonne)<br />
(Chandrasekar - Grenze)<br />
Kerne, Elektronen im Plasmazustand:<br />
Relativistisch entartetes Elektronengas.<br />
Dichte: ca. 0,5 - 1 Mio Gramm/cm3<br />
2. Neutronenstern ( bis zu 2 Msonne)<br />
(Zwicky - Volkov - Grenze). Elektronen werden<br />
in die Kerne gedrückt (n + e- -> p+)<br />
Es Neutronen,<br />
Protonen und Elektronen.<br />
resultiert ein entartetes Plasma aus<br />
Dichte: 1000 - 4000Milliarden Gramm/cm3<br />
© EADS<br />
Einstein- Feldgleichungen und<br />
Schrödinger - Dirac - Gleichung<br />
>>><br />
Page 6<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.<br />
3. Schwarzes Loch ( ab ca. 2 Msonne)<br />
(Schwarzschild- Oppenheimer -Grenze).<br />
Materiezustand Radius unterhalb Schwarzschildunbekannt.<br />
-> Schwarzschild- Singularitäten
CRC- Corporate Research Center<br />
2. 2 Die Sonne als Plasmazustand der Materie<br />
Sonnenoberfläche als Planck- Strahler<br />
© EADS<br />
Schwarzkörperstrahler 5.700 °C<br />
Über 90 % Wasserstoff als H, H+, e-<br />
Rest: Helium, Kohlenstoff Sauerstoff<br />
Stickstoff, Metalle, weitere Elemente<br />
Page 7<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.<br />
Das Plancksche Strahlungsgesetz
CRC- Corporate Research Center<br />
2. 2. 1 Energieerzeugung in der Sonne<br />
Sonneninneres als Fusionsreaktor<br />
Proton + Proton -> Deuterium ( D ) + Energie + ......<br />
D + D <br />
+ Energie<br />
© EADS<br />
Der primäre Brennstoff ist das<br />
häufigste Element im Universum<br />
Page 8<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.<br />
Masse 2 X D > Masse 4/2 He<br />
E = M c²
CRC- Corporate Research Center<br />
2. 3 Strahlungseigenschaften anderer Sterne<br />
Planck- Strahlung von Sternen in unserer Nähe (bis 1000 Lichtjahre)<br />
© EADS<br />
- Orionis (Beteigeuze) Hubble ST<br />
Temperatur Oberfläche: 3.300 °C<br />
Page 9<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
3. Plasmazustände und Prozesse auf der Erde<br />
Natürlich vorkommende Plasmen<br />
Polarlichter (kalte Nichtgleichgewichtsplasmen):<br />
Entstehen durch Einwirkung von Teilchenstrahlung des Sonnenwindes (z.B.<br />
elektrisch geladene Teilchen wie Protonen, Elektronen, Mesonen, etc. ).<br />
An den Polen ist die Abschirmwirkung des Erdmagnetfelds reduziert und die<br />
Teilchen können weit in die Atmosphäre eindringen. Dort ionisieren sie die<br />
Luftmoleküle (Plasmazustand) und regen sie zum Leuchten an.<br />
(besonders wichtig: angeregter Stickstoff (N2+)* -> Licht).<br />
Blitze ( stark ionisierte thermische Hochdruckplasmen):<br />
Entstehen aufgrund von Unterschieden der elektrischen Ladung zwischen Wolken<br />
und der Oberfläche (Potentialdifferenzen bis 0,5 Mio Volt). Wenn ein Ladungsausgleich<br />
erfolgt, entsteht ein Plasmadurchschlag , also ein Blitz.<br />
Flammen (schwach ionisierte thermische Hochdruckplasmen):<br />
Entstehen bei brennendem organischem Material (Holz, Gras, Erdgas, Erdöl)<br />
Es handelt sich um die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff.<br />
( z.B. CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + Energie ). Leuchterscheinung bei natürlichen<br />
Flammen durch z.B. Russpartikel (Planck-Strahler), aber auch Linienstrahler<br />
© EADS<br />
Page 10<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
3. 1 Polarlichter<br />
Schwach leuchtende ausgedehnte Plasmen<br />
© EADS<br />
Page 11<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
3. 2 Blitze<br />
Stark leuchtende begrenzte Plasmen (Plasmakanäle)<br />
© EADS<br />
Page 12<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
3. 3 Flammen<br />
Schwach leuchtende Plasmen (überwiegend Planck-Strahlung Russ)<br />
© EADS<br />
Page 13<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
<strong>4.</strong> <strong>Technische</strong> <strong>Plasmaprozesse</strong><br />
Eine Auswahl aus Anwendung und Forschung<br />
• Licht- und Beleuchtungstechnik<br />
- Plasma- Niederdrucklampen (Leuchtstoffröhren, Energiesparlampen)<br />
- Plasma- Hochdrucklampen ( XBO/ HBO Scheinwerfer)<br />
• Medientechnik und Nachrichtentechnik<br />
- Plasma- Bildschirme und Displays<br />
- Plasmaantennen (Phased Array Technologie)<br />
• Fertigungstechnik<br />
- Plasma- Metallbe- und Verarbeitung( Plasmaschweissen, Schneiden)<br />
- Reinigungs- und Beschichtungstechnik (Hoch -und Niederdruck)<br />
• Energie -und Antriebstechnik<br />
- Ottomotoren (Zündkerzen)<br />
- Elektrische Raumfahrtantriebe (Plasmaantriebe)<br />
- Kernfusionsreaktoren<br />
© EADS<br />
Page 14<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
<strong>4.</strong> 1 <strong>Technische</strong> <strong>Plasmaprozesse</strong> - Ausführungsbeispiele -<br />
Plasmajet- Technologien<br />
• Thermische Plasmen<br />
- Hochfrequenz- und Mikrowellenplasmen<br />
- Lichtbogen- Plasmabrenner<br />
• Nichtgleichgewichtsplasmen<br />
- Hochdruck- Coronaentladungen<br />
- Niederdruck- Glimmentladungen<br />
© EADS<br />
Page 15<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
<strong>4.</strong> 1.1 Hochfrequenzinduzierte Hochdruckplasmen/1<br />
10 kW Plasmaanlage 2,46 GHz- Mikrowellen (Aufbau)<br />
Fadenförmiger Plasmajet 200 mm bis 400 mm<br />
© EADS<br />
Page 16<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
<strong>4.</strong> 1.1 Hochfrequenzinduzierte Hochdruckplasmen/2<br />
10 kW Plasmaanlage 2,46 GHz- Mikrowellen (Betrieb)<br />
Kompakter Plasmajet ca. 40 mm<br />
IR - Emissionen im 3-5µm - Band, Temperaturprofil<br />
des Spritzstrahles<br />
© EADS<br />
Page 17<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
<strong>4.</strong> 1.1 Hochfrequenzinduzierte Hochdruckplasmen/3<br />
10 kW Plasmaanlage 2,46 GHz- Mikrowellen (Beschichtung))<br />
Gefüge einer<br />
Al-Diffusionsschutzschicht<br />
( NiCrAlY)<br />
Hochdruckturbinen-Leitschaufeln<br />
MW-Plasmajet 10 kWatt<br />
© EADS<br />
Page 18<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
<strong>4.</strong> 1. 2. Hochdruck- Coronaentladung<br />
1,5 kW Anlage (Oberflächenreinigung und Konditionierung)<br />
Anwendungen:<br />
Entfettung von Metallen<br />
Entlackung<br />
Vorbereitung Folgeprozesse<br />
(z.B. Lackierung, Kleben)<br />
Betriebs- Plasmagase:<br />
Luft, Stickstoff, etc.<br />
© EADS<br />
Page 19<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
<strong>4.</strong> 1. 3. Glimmentladung - Hochionisiert<br />
Ionenantriebe in der Raumfahrt (Steuertriebwerke)<br />
© EADS<br />
Page 20<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
<strong>4.</strong> 1. 3. Magneto- Plasmadynamische Entladung (MPD)<br />
Leistungsantriebe in der Raumfahrt ( Planetenmissionen )<br />
Quelle:<br />
IRS<br />
Uni Stuttgart<br />
© EADS<br />
Page 21<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
5. Eine Reise durch unser Universum<br />
<strong>Plasmaprozesse</strong> auf dem Weg von der Erde in den tiefen Weltraum<br />
• Start von der Erde ins Sonnensystem<br />
- Kometen im interplanetaren Raum<br />
( Grenze Oortsche Wolke, ca. 1 Lichtjahr von der Sonne )<br />
• Der interstellare Raum unserer Milchstrasse<br />
- Sonnen, Nebel und Sternentstehungsgebiete<br />
( Grenze Milchstrasse, ca. 100.000 Lichtjahre von der Sonne )<br />
• Der intergalaktische Raum<br />
- Galaxien der unmittelbaren Umgebung ( Lokale Gruppe )<br />
( Grenze Andromeda, Berenike, ca. 3 Mio Lichtjahr von der Sonne )<br />
• Deep Space<br />
© EADS<br />
Page 22<br />
- Galaxienhaufen, Schwarze Löcher, Quasare<br />
( Grenze bis 10 Milliarden Lichtjahre von der Sonne )<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
CRC- Corporate Research Center<br />
5. 1 Von der Erde ins Sonnensystem<br />
Mit chemischen und (später?) Plasmaantrieben<br />
© EADS<br />
Page 23<br />
V2 HVA Penemünde<br />
(in White Sands, USA)<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.<br />
Ariane 5 EADS/ ESA<br />
Kouru, F.G.
CRC- Corporate Research Center<br />
5. 2 Im Erd- Orbit und Richtung Mond und Planeten<br />
Mit chemischen Antrieben<br />
© EADS<br />
Page 24<br />
Foto aus Space<br />
Shuttle im Orbit<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.<br />
Saturn 5 C NASA<br />
Apollo 11
CRC- Corporate Research Center<br />
5. 3 Im Sonnensystem (Interplanetarer Raum)<br />
Schmutzige Schneebälle: Kometen (Urmaterie des Sonnensystems)<br />
© EADS<br />
Kometen sind Himmelskörper aus gasförmigen und festen Teilchen. Der<br />
Kometenkern ( ca. 1-100 km Durchmesser) besteht aus Eis (Wasser, Kohlenmonound<br />
Dioxid, Methan, u.a.). In der Nähe der Sonne bilden sich Koma (50000-150000 km<br />
Durchmesser) und Schweif (bis zu einige Mio km Länge). Sie bestehen aus<br />
verdampftem Material und enthalten Molekülen wie Kohlen-,Sauer-,Wasser-und<br />
Stickstoff u.a.) Koma und Schweif sind typische Plasmazustände.<br />
Wichtige gefundene Moleküle: OH (Hydroxyl), NH3(Ammoniak), CH2O (Formaldehyd)<br />
Theorie Page 25 EADS/Thermodynamik der Schmutzigen j.stw. Schneebälle: L. Biermann, K.-W. Michel
CRC- Corporate Research Center<br />
5. 4 Innerhalb der Milchstrasse („nahe Objekte“ )<br />
Sternhaufen und Ringnebel<br />
© EADS<br />
Die Plejaden<br />
(kleiner Sternhaufen)<br />
Explosion<br />
Sternentstehungsgebietes<br />
Page 26<br />
an<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.<br />
Ringnebel im Sternbild Leier<br />
Überreste einer Supernova-<br />
Vorstufe eines<br />
Zentralstern regt Plasmaleuchten
CRC- Corporate Research Center<br />
5. 5 Innerhalb der Milchstrasse (weiter entfernte Objekte)<br />
Sternentstehungsgebiete (Plasmawolken)<br />
© EADS<br />
Der Pferdekopfnebel M16<br />
Page 27<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.<br />
Junge Sterne, die gerade anfangen,<br />
im Infraroten zu leuchten.
CRC- Corporate Research Center<br />
5. 6 Die nächsten Sterninseln<br />
Lokale Gruppe und nähere Umgebung<br />
© EADS<br />
Unsere Nachbargalaxie (1,9 Mio LJ).<br />
Der Andromeda- Spiralnebel M31<br />
Page 28<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.<br />
Eine Galaxis etwas weiter entfernt (5 Mio LJ).<br />
Sombrero-Nebel M104 mit ausgeprägter<br />
Halo (Plasma weit in den intergalaktischen<br />
Raum hineinragend
CRC- Corporate Research Center<br />
5. 7 Der tiefe intergalaktische Raum<br />
Galaxienhaufen und Schwarze Löcher<br />
© EADS<br />
Depp- Feld- Galaxien<br />
(Hubble Space Telescope)<br />
Page 29<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.<br />
Die aktive Galaxis NGC4261<br />
mit Akkretionsscheibe und Plasmajets. Das<br />
Zentrum ist vermutlich ein schwarzes Loch
CRC- Corporate Research Center<br />
5. 8 Zukünftige Raumtransportsysteme<br />
Plasmaantriebe oder etwas ganz anderes?<br />
© EADS<br />
Page 30<br />
EADS/Thermodynamik j.stw.
Change language