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News: Weltraum in der Staubbüchse

Unser Sonnensystem ist ein recht staubiger Ort. Astrophysiker sichteten bereits Staub auf dem Mond, den Asteroiden und in den Ringen von Planeten. Die Partikel können elektrisch aufgeladen werden, was zu überraschenden Phänomenen führt, wie beispielsweise einer schwebenden Staubschicht auf dem Mond. Wissenschaftler glauben, dass die Photonen des ultravioletten Sonnenlichtes den Staub aufladen können, indem sie Elektronen aus den Körnchen herausschlagen. Doch bisher hat diese Annahme niemand bewiesen. Indem sie winzige Staubkörnchen durch eine Vakuum-Kammer fallen ließen und sie dabei mit UV-Licht bestrahlten, haben die Forscher nun bestätigt, dass Staub durch den photoelektrischen Effekt tatsächlich aufgeladen wird. Ihr Experiment bestätigt die bisherige Annahme, dass sich Staubwolken aufgrund von Ladungen um Planeten, Monde und sogar Raumschiffe bewegen.
Den ersten schwebenden Mondstaub entdeckte die NASA 1960 mit einer unbemannten Raumfähre, bevor ihn Jahre später Astronauten als "Glühen" beim Sonnenuntergang am Mondhorizont sahen. "Man würde nicht annehmen, dass sich Staub bewegt, weil es dort keine Luft gibt", meint Scott Robertson von der University of Colorado in Boulder. Forscher nehmen an, dass die Schwerelosigkeit des Staubes von einem photoelektrischen Effekt herrührt: Photonen aus UV-Licht lösen Elektronen aus der Oberfläche eines isolierten Staubpartikels und geben ihm so eine positive Ladung. Gleichzeitig schlagen die Photonen fortlaufend Elektronen aus den Felsen der Mondoberfläche und sprühen dadurch kontinuierlich Elektronen aufwärts. Staubpartikel, die sich der Oberfläche nähern, werden so von mehr Elektronen als von Photonen getroffen und laden sich deshalb negativ auf. Ungefähr einen Meter über der Oberfläche, wo die Dichte der Photoelektronen abnimmt, schweben dann die positiv geladenen Staubkörner – abgestoßen von der positiv geladenen Mondoberfläche. Dies besagte jedenfalls bisher die Theorie.

Ob dies auch so stimmen könnte, untersuchten Robertson und seine Mitarbeiter mit einem einfachen Experiment, indem sie prüften, ob sich Staub tatsächlich nach diesem Prinzip positiv oder negativ aufladen kann. Sie erlaubten einzelnen Teilchen aus Zink, Kupfer und Kohlenstoff mit einem Durchmesser von 100 Mikrometern etwa 30 Zentimeter durch eine evakuierte Kammer zu fallen, in der sie mit einer starken Lichtbogenlampe beleuchtet wurden. Ähnlich einem Salzstreuer verwendeten die Forscher dafür ein Gefäß mit einer vibrierenden Bodenplatte und einem einzigen Loch. Die Partikel fielen anschließend in einen Faraday´schen Käfig, der eine genaue Messung ihrer elektrischen Ladung ermöglichte. In einer zweiten Versuchsreihe fügten sie eine Zirkonium-Platte dicht hinter den Fallweg der Staubkörner hinzu, um den Effekt einer nahe gelegenen Oberfläche – wie der Mondfelsen -zu simulieren, die viele Photoelektronen ausstrahlt. Ohne die zusätzliche Platte nahmen die Partikel ungefähr die Ladung an, welche die Wissenschaftler aufgrund ihrer photoelektrischen Eigenschaften erwarteten. Sie waren alle positiv geladen, in der Größenordnung von 40 000 Elementarladungen. Mit der Platte als Quelle für Photoelektronen waren die Staubteilchen dagegen um den gleichen Betrag negativ geladen.

Robert Melino von der University of Iowa zeigte sich überrascht, dass die Elektronen von einer nahegelegenen Oberfläche die Photonen überwiegen, die auf die Staubpartikel prallen, so dass diese negativ geladen werden. "Ich hätte nicht erwartet, dass Photoelektronen aus der Oberfläche solch einen gewaltigen Unterschied bewirken können", meinte Robertson. "Das gehört zu den Dingen, die man lernt, indem man Experimente durchführt", bemerkt er. Der Forscher fügte hinzu, dass das Verständnis über die Aufladung von Staubwolken wichtig sei, um genauso im kleinen Maßstab Umwelten für Raumschiffe zu modellieren, die auch den Abgas-Staub berücksichtigen, wie auch im Großmaßstab die Effekte der Vereinigung von Staub während der Entstehung eines Sonnensystems.

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