Plasma, das physikalische Phänomen wird oft mit exotischen Materiezuständen in Verbindung gebracht, wie sie im Innern von Sternen anzutreffen sind. Auf der Erde bringen die elektrisch geladenen Gasgemische Energiesparlampen zum Leuchten und werden beispielsweise zum Lichtbogenschweißen oder bei der Oberflächenbehandlung in der Halbleitertechnik eingesetzt.

Erst seit den frühen 90er-Jahren ist es möglich, „kalte“ Plasmen bei Atmosphärendruck zu erzeugen. Dem Gasgemisch wird dabei gerade so viel Energie zugeführt, dass nur die winzigen Elektronen, nicht aber größere elektrische Ladungsträger in Bewegung versetzt und damit Tausende von Grad heiß werden. So lässt sich die Temperatur des Plasmas auf Raumtemperatur einstellen.

Das eröffnet völlig neue Anwendungsmöglichkeiten. Beispielsweise die Reinigung von Industrieabwässern, die mit biologisch schwer abbaubaren Verbindungen belastet sind. Mit kaltem Plasma, das neben geladenen Teilchen kurzwellige Strahlung und reaktionsfreudige chemische Spaltprodukte, sogenannte Radikale, enthält, lassen sich sogar problematische Zyanidverbindungen aus der Galvanik entgiften.

Zyanidkonzentration schrumpft

In die Praxis umgesetzt haben das nun Forscher am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB. „Bringt man verunreinigtes Wasser in Kontakt mit einem solchen Plasma, so reagieren die Radikale mit den im Wasser gelösten Schadstoffen. Auch die durch das Plasma erzeugte Strahlung wirkt über photochemische Prozesse auf die Schadstoffe ein. In beiden Fällen werden die Schadstoffe oxidiert und dadurch unschädlich gemacht“, erläutert IGB-Projektleiter Michael Haupt das Prinzip.

Im Rahmen eines EU-Projektes haben die Forscher einen Plasmareaktor entwickelt. Eine angelegte Hochspannung zündet das Niedertemperaturplasma in dem Reaktionsgefäß. Die Forscher haben zu Testzwecken zyanidhaltige Industrieabwässer eingeleitet, die zusätzlich stark mit organischen Verbindungen belastet waren. Die Behandlung dauert nur 90 Minuten. „Danach ist die Konzentration von Zyanid um mehr als 90 Prozent bis unter die Nachweisgrenze gesunken“, berichten die Forscher, die ihre Ergebnisse im Fachblatt „Water Research“ veröffentlicht haben.

In einem vom Bundesforschungsministerium geförderten Nachfolgeprojekt soll die Plasmatechnik nun bis zur Marktreife gebracht werden. „Um herauszufinden, welche Wechselwirkungen zwischen den reaktiven Plasmaspezies und im Wasser gelösten Schadstoffen am besten zum Abbau der Schadstoffe führen, wollen wir drei verschiedene Reaktortypen aufbauen und umfassend testen“, berichtet IGB-Forscher Haupt. Die Reaktorkonfiguration mit den besten Ergebnissen soll dann als Demonstrator aufgebaut werden, um Industrieabwasser im größeren Maßstab zu untersuchen.

Auch die Medizin setzt neuerdings auf kaltes Plasma. So lassen sich hartnäckige und gefährliche Bakterienbeläge bekämpfen, die Wundheilung verbessern und sogar Krebszellen in den Selbstmord treiben. An solche Möglichkeiten dachte Gregor Morfill, Astrophysiker am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching, zunächst nicht, als er 1993 im All auf ein seltsames Phänomen stieß. In den kalten, staubigen Saturnringen entdeckte er Plasmastrukturen von erstaunlicher Regelmäßigkeit. Diese erinnerten ihn an ein Kristallgitter. Im Labor tüftelte Morfill so lange, bis er die Strukturen nachbilden konnte.

Experimente an Bord der Internationalen Raumstation belegten seine Vorstellung von der Entstehung kalter Plasmen. Die Entdeckung aus dem All hat auf dem Boden neue Techniken hervorgebracht, mit denen sich kalte Plasmen bei atmosphärischem Druck erzeugen lassen. „Diese Geräte bringen große Hoffnungen für die Zukunft“, sagt Morfill, Direktor am MPE. In der Medizin sind sie bereits im Einsatz: als kugelschreibergroßer „Plasma-Pen“.

Das Gerät verursacht kleine elektrische Entladungen. In der Luft bildet sich so in einer Kette chemischer Reaktionen auch die Sauerstoffverbindung Ozon. Zwar ist davon auf der Haut nur ein warmer Lufthauch spürbar, doch „medikamentenresistente Bakterien werden so gezielt abgetötet“, sagt Morfill. Noch sind die genauen Wirkmechanismen aber nicht im Detail geklärt. In klinischen Studien hat sich der Nutzen der Plasmatherapie bereits erwiesen. In einer Studie mit rund 350 Patienten, die an chronischen Wunden und verschiedenartigen Hauterkrankungen litten, konnte so die Zahl krankmachender Keime in zusätzlich mit Plasma behandelten Wunden um weitere 30 bis 40 Prozent gesenkt werden.