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Lunarer Entstauber

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Haben Sie jemals einen zerbrechlichen Gegenstand erhalten, der in einem Karton mit Styropor Schnipseln verpackt war? Sie tauchen mit dem Arm in das Styropor ein um den Gegenstand zu suchen und wenn Sie ihn herausziehen, haften die Schnipsel an Ihrem Arm.

Versuchen Sie sie abzubürsten und sie fallen nicht hinunter -- stattdessen sieht es so aus, als ob sie davon hüpfen, nur um an den Beinen oder sonst wo, festzuhaften. Je kleiner die Schnipsel sind umso hartnäckiger erscheinen sie. Wenn Sie ein Styropor Schnipsel zerbrechen, sieht es tatsächlich so aus, als ob die kleineren Stücke gar nicht mehr abzubekommen sind.

Dieses Verhalten ist klassisch bei statischer Haftung.

Dies ist auch das Verhalten von Mond -- und möglicherweise auch Mars -- Staub.

Die Apollo Astronauten, die zwischen 1969 und 1972 auf dem Mond landeten, empfanden Mondstaub als unerwartete Herausforderung. Nicht nur, dass er so aggressiv war, dass er teilweise durch die äußeren Handschuhe ihrer Raumanzüge trat, er haftete auch überall. Umso intensiver sie versuchten ihn abzubürsten, umso mehr drang er in das Gewebe der Raumanzüge ein.

Zum Teil lag das hartnäckige Anhaften des Staubs an der scharfen, unregelmäßigen Form der einzelnen Staubkörnchen, geformt durch Meteoriteneinschläge über mehrere Millionen Jahre, die Felsen zu Glas schmolzen und dann die verglasten Felsen zu puderigem Glas zerbrachen. Die scharfen Kanten der Teilchen waren fast wie Klauen, die sich in den Dingen festkrallten.

Ein anderer Grund war die elektrostatische Ladung des Staubs. Auf dem Mond haben die rauen, ungefilterten ultravioletten Strahlen der Sonne genug Energie um Elektronen aus den oberen Lagen der Schuttdecke herauszuschlagen, was der Oberfläche jedes Staubteilchens eine positive Ladung gibt. Je kleiner die Teilchen, je geringer ihre Masse und je größer ihre geladene Oberfläche, umso mehr haften sie -- genau wie die Styroporteilchen, die in kleine Stücke zerbrochen wurden.

Ein Team, geleitet von Carlos I. Calle (leitender Wissenschaftler an  NASA's Electrostatics and Surface Physics Laboratory am Kennedy Space Center), hat jedoch einen gedanklichen Spagat vollbracht um einen Weg zu finden die elektrostatische Ladung der Staubteilchen zu nutzen, um sie abzustoßen. In Wirklichkeit haben sie eine neue Anwendung einer alten Idee gefunden.

"In den 70er Jahren hatte der Professor für Elektrotechnik, Senichi Masuda von der University of Tokyo -- bekannt als Pionier der Elektrostatik -- einen 'elektrischen Vorhang' entworfen," erinnert sich Calle.

Masuda, der nicht einmal an den Mars oder Mond dachte, arbeitete an Luftfiltern. Da Smogteilchen oftmals geladen sind, entwarf Masuda einen Prototyp von einem, wie er es nannte, elektrischen Vorhang.

Im Wesentlichen war der elektrische Vorhang eine Reihe von parallelen Elektroden -- dünnen Kupferdrähten -- angebracht etwa einen Zentimeter voneinander entfernt auf einer Leiterplatte. Masuda legte an diese eine Wechselspannung an, wie sie aus einer normalen Steckdose kommt. Der Begriff "wechselnd" bezieht sich auf die Tatsache, dass die Elektronen in der Leitung schnell -- 50 Mal pro Sekunde in Europa -- die Richtung in der Leitung ändern, anstatt nur in eine Richtung zu fließen, wie etwa in einer Batterie.

Aber anstatt die gleiche Wechselspannung an alle parallelen Elektroden gleichzeitig anzulegen, tat Masuda etwas geniales. Er verzögerte das Anlegen der Spannung an jede aufeinander folgende Elektrode ganz leicht. Diese leichte Verzögerung sorgte dafür, dass das elektromagnetische Feld jeder Elektrode nicht mit dem ihrer Nachbarin in Phase war, was eine elektromagnetische Welle erzeugte, die schnell in horizontaler Richtung über die Oberfläche reiste auf der die Elektroden lagen. Zudem wurden alle geladenen Teilchen, die auf der Oberfläche lagen, durch die elektromagnetische Welle angehoben und fortbewegt, so wie Surfer die von einer Welle getragen werden.

Schnellvorlauf in die Gegenwart: Nachdem man gesehen hat wie Marsstaub, der sich auf den Solarpannels des Mars Pathfinder angesammelt hat, diesem elektrische Energie raubte und  ihn in seiner Leistung beeinträchtigte, fragten sich Calle und seine Mitarbeiter ob man den elektrischen Vorhang nicht so anpassen könnte, dass er Solarpannels auf dem Mond und Mars staubfrei hält. Schließlich, so sagt er, "können Menschen und Roboter nicht die ganze Zeit Fenster putzen."

Um Sonnenlicht durchzulassen, bräuchte das Gerät jedoch transparente Elektroden. Anstelle von Kupferdrähten stellten Calle und seine Kollegen Elektroden aus Indium-Titan-Oxid (ITO) her, transparenten Halbleiter-Oxiden "die mittlerweile eine ausgereifte Technologie sind, genutzt in den Touchscreens von PDAs," erklärt Calle. Sie ordneten die Elektroden auch dichter an. Das Resultat war eine transparente Schicht die "flexibel ist, wie eine Vinylplatte," die sie ein elektrodynamisches Staubschild nennen. 

Als das transparente Staubschild mit simuliertem Mond- oder Marsstaub bedeckt wurde (der zumeist aus Vulkanasche und Schlacke aus Vulkanen bestand) und in eine Vakuumkammer gebracht wurde, deren Inneres dann auf den Atmosphärendruck von Mond und Mars gebracht wurde, arbeitet es wie ein Champion. Der meiste Staub wurde innerhalb von Sekunden über die Seiten geworfen: Film.

Der simulierte Mars- und Mondstaub enthielt jedoch weder reines Eisen noch Glasscherben wie sie in echtem Mondstaub vorkommen. Dieser Unterschied beeinflusst vielleicht die Effektivität des Schildes. "Ich hoffe das Experiment noch einmal, mit einer Probe echten Mondstaubs, durchführen zu können," sagt er.

Während Calle optimistisch über die Effektivität des Staubschildes für große, flache oder leicht gebogene Oberflächen, wie Solarpannels und die Visiere der Helme denkt, "sind die Falten im Gewebe der Raumanzüge eine größere Herausforderung," sagt er. "ITOs sind flexibel, brechen aber an einem bestimmten Punkt." Er arbeitet auch daran die Spannung, Frequenz, Phase und weitere elektrische Eigenschaften der elektromagnetischen Welle so abzustimmen, dass der größtmögliche Anteil an Staub entfernt wird. Und er ist neugierig darauf zu sehen, wie es bei niedriger Anziehungskraft funktioniert.

Es gibt noch viel zu tun, sagt Calle, aber eines Tages löst dieses Gerät vielleicht ein für alle Mal die Probleme mit dem Mondstaub.

Quelle: Science@NASA

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