Awards

Dissertationspreis der Fakultät für Physik und Astronomie für Dr. Katharina Grosse (Projekt B7)

Die Erzeugung von Plasmen in Flüssigkeiten ist für Anwendungen wie die Elektrolyse, Wasserreinigung oder Medizin wichtig, eröffnet aber auch eine Reihe von sehr grundlegenden Fragen. Diese Plasmen werden durch kurze Spannungspulse im Bereich von vielen Kilovolt und wenigen Nanosekunden Dauer erzeugt, die an einer in Wasser untergetauchten Wolframspitze angelegt werden. Um das Verständnis der Zündung dieser Plasmen herrscht eine rege Debatte, da die Elektronenvervielfältigung bei der Plasmazündung entweder innerhalb kleiner Nanovoids, kleinen Frakturen im Wasser, oder als Elektronenlawine im Wasser selbst postuliert wird. In beiden Fällen spielt Feldemission an Grenzflächen oder Feldionisation von Wassermolekülen eine entscheidende Rolle. Frau Dr. Grosse hat die ganze Dynamik diese Plasmen von der Zündung bis zum Afterglow mittels zeitlich aufgelöster Emissionsspektroskopie untersucht und mit Modellierungen der Emission und der Flüssigkeitsdynamik verglichen. Dabei zeigte sie, dass das breite Kontinuum durch Schwarzkörperstrahlung erzeugt wird, die mit einer Temperatur von 7000 K genau der Temperatur von kochendem Wolfram entspricht. Aus der Starkverbreiterung der Balmerlinien der Wasserstoffatome lassen sich Elektronendichten von mehreren 10²⁵ m^-3 ableiten. Weiterhin beobachtet man eine starke Selbstabsorption von Licht aus der Region des Plasmakanals während das Licht von der laufenden Ionisationsfront keine Selbstabsorption zeigt. Daraus lässt sich ableiten, dass das Plasma direkt durch Wasser läuft und nicht innerhalb von Nanovoids gebildet wird. Damit dominiert Feldemission und Feldionisation. Nach diesem ersten Plasmapuls, führt die hohe Leistungsdichte zu dem Phasenübergang von Wasser zu Wasserdampf und Bläschenbildung innerhalb der ersten Mikrosekunde. Der hohe Druck im Bereich von GPa bewirkt eine Ausdehnung des Kavitationsbläschens und die Erzeugung einer Schallwelle, die sich in der Flüssigkeit ausbreitet. Dies konnte mittels Schattenaufnahmen direkt beobachtet werden. Insbesondere erreicht die Schallgeschwindigkeit mehrere 1000 Meter pro Sekunde, was auf den sehr hohen Druck zu Beginn der Entladung hindeutet. Auf der Basis dieser Messung hat Frau Dr. Grosse das Verständnis dieser Plasmen sehr wesentlich erweitert.

Preise

Zwei Auszeichnungen für SFB-Forscher auf der Akademischen Feier 2021

Auf der Akademischen Feier der Ruhr-Universität Bochum wurde der Doktorand David Steuer am 24th November für seine herausragende Arbeit im Rahmen seines Masterstudiums ausgezeichnet. Seine Arbeit "Comparative Investigation of Two-Dimensional Oxygen Distributions in Microplasmas by Optical Methods" wurde zur besten Masterarbeit der Fakultät für Physik und Astronomie im Jahr 2020 gekürt.

Zusätzlich erhielt Dr. Marco Krewing den GdF-Preis für eine herausragende interdisziplinäre Arbeit im Rahmen seiner Dissertation mit dem Titel "Impact of low-temperature plasmas on microorganisms and biomolecules". Wir gratulieren beiden Preisträgern zu dieser besonderen Auszeichnung.

Fotos: M.Sc. David Steuer, Projekte A6, B2 (links) and Dr. Marco Krewing, Projekt B8 (rechts)

Plasmen für die Katalyse

DFG bewilligt zweite Förderperiode des SFB 1316

Systeme zur Stoffwandlung sind ein wichtiger Baustein bei der Nutzung und Speicherung von dezentral erzeugten regenerativen Energien. Der Sonderforschungsbereich 1316 (SFB 1316) „Transiente Atmosphärendruckplasmen – vom Plasma zu Flüssigkeiten zu Festkörpern“ widmet sich der Kombination von Atmosphärendruckplasmen mit der Katalyse, um möglichst flexible Lösungen für diese Stoffwandlung zu entwickeln. „Sie sollen skalierbar, steuerbar und robust gegen äußere Einflüsse sein, wie zum Beispiel Verunreinigungen in den Ausgangsstoffen“, erklärt Prof. Dr. Achim von Keudell, Sprecher des SFB. 

Die erste Förderperiode des SFB 1316 hat sich der Aufklärung der transienten Phänomene in Atmosphärendruckplasmen sowie den Grenzflächenprozessen an der Oberfläche von Katalysatoren gewidmet. Hierbei standen drei Systeme im Zentrum: die plasmakatalytische Umwandlung von Gasen, die Kombination von Plasmen mit der Elektrolyse an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Festkörper, sowie die plasmagestützte Biokatalyse, bei der Enzyme sehr selektiv neue Moleküle erzeugen. Dabei konnten die Forschenden große Fortschritte erzielen: Sie erreichten zum Beispiel eine genaue Kontrolle der Bildung von Reaktivteilchen in diesen Plasmen. Ebenso konnten sie die atomaren und molekularen Oberflächenprozesse tiefergehend verstehen. 

In der zweiten Förderperiode sollen diese Erkenntnisse zusammengeführt werden, um das Wechselspiel eines Plasmas mit seinen Reaktivteilchen und einer katalytisch wirksamen Oberfläche optimal auszunutzen. Hierzu gibt es viele weitere Fragen, da zum Beispiel in der traditionellen Katalyse im Wesentlichen stabile Moleküle Reaktionspartner sind, während in der Plasmakatalyse, Reaktivteilchen beziehungsweise hoch angeregte Spezies einen bestimmten Reaktionspfad beschleunigen oder unterdrücken können. Auf dieser Basis sollen erste Prototypenanlagen für die Plasma-Katalyse, die Plasma-Elektrolyse und die Plasma-Biokatalyse entstehen. 

Beteiligt am SFB sind neben der RUB als Sprecherhochschule Forscher der Universität Ulm, dem Forschungszentrum Jülich und dem Fritz-Haber-Institut in Berlin.

Konferenz

Japan-Workshop

Vom 29. November bis 3. Dezember 2021 findet ein Workshop zwischen dem CRC1316 und japanischen Universitäten/Forschungseinrichtungen statt. Die Organisatoren sind Prof. Czarnetzki, Satoshi Hamaguchi, Jan Kuhfeld und zwei Doktoranden der Universität Nagoya. Weitere Informationen finden Sie hier.

Bitte beachten Sie, dass die Frist bereits am 27. Oktober abläuft. Die aktive Teilnahme ist nur auf Einladung möglich, aber die passive Teilnahme ist völlig offen. Die Teilnehmer müssen sich in jedem Fall anmelden.

Einblicke in den SFB 1316

Virtuelle öffentliche 360° Tour des SFB 1316

Einblicke in die Projekte und Labore, die Möglichkeit einen Blick auf die verschiedenen Experimente und Diagnostiken werfen und live hierzu Rückfragen stellen - diese Möglichkeit bietet sich für alle Interessierten am 27.10.2021 um 16 Uhr in der virtuellen Führung mittels einer 360° Tour. Die Tour ist an die breite Öffentlichkeit gerichtet und bietet so neben Forschenden und Studierenden auch Interessierten außerhalb der Universität die Möglichkeit, Forschung interaktiv zu erleben und die Projekte näher kennenzulernen.

ÖFFENTLICHKEITSARBEIT

Plasmen für alle

Zahlreiche Alltagstechnologien würde es ohne Plasmen nicht geben. Die Teams der Sonderforschungsbereiche wollen das Wissen über ihre Relevanz in die Öffentlichkeit tragen.

Mit dem Plasmatruck zur Schule

Die Plasmaforscherinnen und -forscher der RUB engagieren sich seit vielen Jahren, um Schülerinnen und Schülern verschiedener Jahrgangsstufen Plasmen näherzubringen. „Im Physikunterricht werden zwar teils Experimente gemacht, bei denen Plasmen im Einsatz sind, aber das Wort Plasma taucht im Lehrplan gar nicht auf“, erklärt Science-Managerin Dr. Marina Prenzel. Um Schülerinnen und Schüler der Oberstufe mit dem Konzept eines Plasmas vertraut zu machen, hat das SFB-Team in Zusammenarbeit mit Physik- Didaktikern um Prof. Dr. Heiko Krabbe verschiedene in Boxen verstaubare Plasma-Experimente konstruiert, die handlich im Kleinbus transportiert werden können. Mit ihnen können die Forschenden abwechslungsreiche 90-minütige Workshops in Oberstufenklassen abhalten, bei denen Schülerinnen und Schüler selbst experimentieren und verschiedene Anwendungsbereiche von Plasmen kennenlernen können. „So wollen wir ein Bewusstsein dafür schaffen, dass Plasmen extrem wichtig für viele unserer heutigen Technologien sind“, sagt Marina Prenzel.

Schüler und Schülerinnen bewerten Forschungsprojekte

Nicht nur, was ein Plasma eigentlich ist und wo es zum Einsatz kommt, sollen Schülerinnen und Schüler erfahren können. Das SFB-Team baut derzeit zusammen mit der Physik-Didaktik auch ein Projekt auf, das die Bewertungskompetenz der Jugendlichen und jungen Erwachsenen fördern soll. Hierbei sollen Schülerinnen und Schüler Einblicke in verschiedene Plasmaforschungsvorhaben bekommen und bewerten, welche dieser Projekte sie fördern würden. Ziel ist, dabei auch zu vermitteln, wie Plasmen dazu beitragen können, die Herausforderungen der Klimaerwärmung zu meistern.

Über 20 Jahre Plasma Summer School

Seit über 20 Jahren organisieren Plasmaforscherinnen und -forscher der RUB einmal im Jahr eine internationale Summer School für Master-Studierende und Promovierende. Sie ging ursprünglich aus einem europäischen Erasmus-Projekt hervor, das die Technische Universität Eindhoven federführend eingeworben hatte. Als die Fördergelder im Jahr 2000 ausliefen, engagierte sich das RUB-Team für die Fortsetzung. „Die Schule ist eigentlich immer überbucht“, erzählt Mitorganisator Dr. Marc Böke. Die jährlich 80 bis 90 Teilnehmerinnen und Teilnehmer sowie die Vortragenden kommen aus der ganzen Welt. Ziel der siebentägigen Veranstaltung ist es, ihnen Einblicke in alle wesentlichen technisch relevanten Plasmen und zugleich die Vernetzung untereinander sowie mit etablierten Forschenden des Fachs zu ermöglichen. „Einige der ehemaligen Teilnehmenden leiten mittlerweile selbst Plasmalabore“, erzählt Böke. Das RUB-Team hofft, das erfolgreiche Format trotz der Coronasituation bald wieder in Präsenz fortführen zu können.

übernommen von Julia Weiler, RUB

Forschung

Plasmen als Chemielabor

e kleiner ein Plasma, desto größer ist oft der Messaufbau, um es zu untersuchen. Der Aufwand lohnt sich, denn in Kubik-Millimeter kleinen Plasmen finden sich Reaktionsbedingungen wie nirgendwo sonst. Plasmen mit Atmosphärendruck sind oft nur wenige Kubik-Millimeter groß – aber trotzdem haben sie es in sich. Denn in ihnen lassen sich spezielle Nichtgleichgewichtszustände einstellen, die physikalische und chemische Prozesse erlauben, welche in keiner anderen Umgebung möglich sind. So wird das Plasma zu einer Art Speziallabor: Atome und Moleküle können darin angeregt werden, ohne dass sich ihre Umgebung erhitzt. „Solche Anregungen könnte man theoretisch auch in einem Gas erzeugen, aber dazu müsste man es auf mehrere tausend Grad Kelvin erhitzen – dann würden sich die Moleküle allerdings zersetzen“, erklärt Prof. Dr. Uwe Czarnetzki, Leiter des Lehrstuhls für Plasma- und Atomphysik an der Fakultät für Physik und Astronomie. Seit vielen Jahren entwickelt er mit seinem Team Verfahren, um die Vorgänge im Inneren von Plasmen zu untersuchen und die Plasmen zu charakterisieren. Das Besondere an Plasmen: Über elektrische Felder kann den Elektronen im Plasma Energie zugeführt werden; die Elektronen wiederum wechselwirken mit Molekülen wie Stickstoff oder Kohlendioxid und geben die Energie dabei an diese ab – die Moleküle werden angeregt, und zwar, ohne dass sich die Umgebung dabei erhitzt, wie es in einem Gas der Fall wäre. Die zu Schwingungen angeregten Moleküle besitzen wiederum eine weit höhere Reaktivität als solche im Grundzustand. Man kann also durch das Plasma die Chemie verändern beziehungsweise gewisse chemische Abläufe überhaupt erst ermöglichen. Das Plasma bietet Grundlagenforscherinnen und -forschern somit eine einzigartige Möglichkeit, um die Anregung von Molekülen und die damit verbundene Chemie fernab des thermodynamischen Gleichgewichts zu untersuchen. Uwe Czarnetzki interessiert sich daher vor allem für die Schwingungszustände von Molekülen in Plasmen.

Anerkennung der Forschung des Projekts A5

Projekt A5 auf der vorderen Umschlaginnenseite von Plasma Processes and Polymers

In der aktuellen Ausgabe (April 2021) von Plasma Processes and Polymers wird auf der vorderen Umschlaginnenseite Arbeit aus dem Projekt A5 des SFB 1316 zum Thema "Positive und negative Streamer-Propagation in dielektrischen Volumen-Barriereentladungen mit planaren und porösen Elektroden" vorgestellt.

Die Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich die Entladungscharakteristik von negativen Oberflächen-Streamern deutlich von der von positiven Oberflächen-Streamern unterscheidet. Während sich negative Streamer entlang der dielektrischen Oberfläche entwickeln und sich so in viel kleinere dielektrische Poren ausbreiten können, entwickeln sich positive Streamer schwebend über dem Dielektrikum.