Chemia katalityczna jako fundament transformacji energetycznej
Plazma jest uznawana za czwarty stan skupienia materii(odnośnik otworzy się w nowym oknie) obok ciała stałego, cieczy i gazu. Składa się z przegrzanego gazu, w którym atomy dzielą się na wolne elektrony i jony dodatnie. Dzięki modulacji mocy wejściowej przy pomocy impulsów trwających od nanosekund do mikrosekund można precyzyjnie kontrolować wytwarzanie tych wysokoenergetycznych elektronów. Co więcej, otaczające je cząsteczki gazu pozostają schłodzone, co maksymalizuje wydajność reakcji chemicznej i efektywność energetyczną. Ta zaawansowana metoda wzbudzania elektrycznego, nazywana szybką modulacją plazmy, umożliwia uzyskiwanie zimnej plazmy oraz przeprowadzanie procesów opartych na plazmie nietermicznej(odnośnik otworzy się w nowym oknie), czyli NTP. Jednym z zastosowań jest przetwarzanie chemiczne niewielkich cząstek charakteryzujących się niską reaktywnością, takich jak dwutlenek węgla, dwuatomowy azot, metan i woda, w temperaturach i ciśnieniach zbliżonych do warunków otoczenia. Kontrolowanie tych reakcji i selektywne wytwarzanie pożądanych związków wymaga katalizatora. To z kolei wymaga wykorzystania nowatorskiego podejścia - katalizator może bowiem zatrzymać reakcję cząsteczek aktywowanych plazmą.
Mniejsze oddziaływanie na środowisko
Zespół finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych projektu SCOPE(odnośnik otworzy się w nowym oknie) podjął wyzwanie rozwiązania tego problemu dzięki badaniu, modelowaniu i wykorzystaniu synergistycznych oddziaływań między plazmą nietermiczną i katalizatorami stałymi. Efektem tego połączenia są korzyści przewyższające te wynikające z sumy ich indywidualnych oddziaływań. Zaletą procesów opartych na plazmie nietermicznej jest możliwość przeprowadzania reakcji w bardzo łagodnych warunkach w porównaniu z konwencjonalnymi termicznymi procesami katalitycznymi. Technologia ta umożliwia także wykorzystanie energii odnawialnej, co pozwoli na elektryfikację procesów chemicznych. Zespół projektu SCOPE wykorzystał procesy oparte na plazmie nietermicznej, które charakteryzują się znacznie mniejszym śladem węglowym (nawet o ponad 90 %), w trzech reakcjach istotnych z punktu widzenia przemysłu. Wśród nich znalazły się wiązanie azotu, utylizacja metanu w celu wytworzenia węglowodorów o dłuższych łańcuchach węglowych oraz przekształcanie dwutlenku węgla w płynne paliwa słoneczne. „W ramach projektu opracowaliśmy między innymi nowe procesy umożliwiające rozproszoną produkcję nawozów z azotu atmosferycznego”, wyjaśnia Gabriele Centi, koordynator projektu z ramienia Instytutu Technologii Przemysłowych Uniwersytetu w Mesynie(odnośnik otworzy się w nowym oknie) we Włoszech. „Nawozy syntetyczne są kluczem do zapewnienia globalnego bezpieczeństwa żywnościowego, ponieważ stanowią źródło azotu niezbędnego z punktu widzenia upraw żywności dla prawie połowy ludności świata”.
Szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu
Choć zespół projektu SCOPE koncentrował się na dopracowaniu procesów chemicznych realizowanych na dużą skalę, zastosowania technologii wykorzystanej przez badaczy istotnie wykraczają poza przemysł chemiczny. „Zimną plazmę charakteryzuje niezwykła wszechstronność zastosowań, a jej wykorzystanie może przełożyć się na bardziej zrównoważoną produkcję, wydajniejsze rolnictwo, sprawniejszą opiekę zdrowotną, skuteczniejszą ochronę środowiska, a nawet rozwój przemysłu spożywczego”, zauważa Centi. W rolnictwie zimna plazma może być wykorzystywana do obróbki nasion przed wysiewem. „Obróbka bez wykorzystania środków chemicznych poprawia wchłanianie wody, zwiększa współczynnik kiełkowania i sprzyja silniejszemu wczesnemu wzrostowi roślin, dzięki czemu rolnicy mogą zwiększyć plony przy jednoczesnym ograniczeniu konieczności stosowania chemicznych środków ochrony roślin”, dodaje Centi. W przemyśle drzewnym obróbka przy pomocy plazmy poprawia wchłanianie powłok ochronnych przez drewno. „Dzięki temu producenci mogą osiągnąć ten sam poziom ochrony, zużywając znacznie mniej substancji chemicznych - to zmniejsza zarówno koszty, jak i wpływ na środowisko”, zauważa Centi.
Obiecująca przyszłość
Plazma ma także szereg zastosowań w produkcji żywności - dzięki niej można regulować proces tworzenia się kryształów w czekoladzie i innych produktach, co pozwala uzyskać lepszy połysk i konsystencję, a także charakterystyczny odgłos trzasku, którego oczekują konsumenci. Dzięki plazmie odpowiednie rezultaty można uzyskać w ciągu kilku minut, co stanowi znaczący postęp względem kilku godzin wymaganych w przypadku stosowania konwencjonalnych metod temperowania. Inne badane zastosowania obejmują sterylizację urządzeń medycznych, procesy opracowywania nowych materiałów, oczyszczania zanieczyszczonego powietrza i wody(odnośnik otworzy się w nowym oknie) oraz poprawy efektywności energetycznej produkcji. „Zimna plazma jest tak interesującą substancją ze względu na to, że umożliwia realizację wielu z tych procesów przy niższym zużyciu energii i mniejszym zapotrzebowaniu na środki chemiczne, dzięki czemu jest niezwykle istotnym rozwiązaniem z punktu widzenia bardziej zrównoważonej przyszłości”, podsumowuje Centi.
