Projekt B7 - Nanosekunden-Plasmen

Extreme Bedingungen in Plasmen in Flüssigkeiten

Nanosekundenplasmen in Flüssigkeiten spielen eine wichtige Rolle im Bereich der Dekontamination, Elektrolyse oder Plasmamedizin. Das Verständnis dieser sehr dynamischen Plasmen erfordert Informationen über die zeitliche Variation von Speziesdichten und Temperaturen. Dies wird durch die Beobachtung von Nanosekundenplasmen analysiert, die durch Hochspannungen (HV) zwischen 14 kV und 26 kV und Pulslängen von 10 ns erzeugt werden, die an eine in Wasser eingetauchte Wolframspitze mit 50 µm Durchmesser angelegt werden. Die Zündung des Plasmas bewirkt die Bildung einer Kavitationsblase, die mit Hilfe der Schattengrafie überwacht wird, um die Dynamik der erzeugten Blase und die Schallgeschwindigkeit der emittierten akustischen Wellen in der Umgebung dieser Wolframspitze zu messen.

Die zeitliche Entwicklung der Blasengröße wird mit der Kavitationstheorie verglichen und ergibt eine gute Übereinstimmung für einen anfänglichen Blasenradius von 25 µm mit einem Anfangsdruck von GPa bei einer Temperatur von 1200 K für eine Hochspannung von 18 kV. Daraus ergibt sich eine Anfangsenergie im Bereich von einigen 10-5 J, die mit der angelegten Hochspannung variiert. Die dissipierte Energie des Plasmas treibt die adiabatische Ausdehnung des Wasserdampfs innerhalb der Blase vom anfänglichen überkritischen Zustand in einen Zustand mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur bei maximaler Blasenausdehnung, die Werte von 10^3 Pa bzw. 50 K erreicht. Diese Vorhersagen aus der Kavitationstheorie werden durch die optische Emissionsspektroskopie (OES) untermauert. Nach dem Zünden des Nanosekunden-Plasmas oszilliert die elektrische Leistung in der Zuleitung zwischen HV-Pulser und Plasmakammer mit einer Abklingzeit in der Größenordnung von 60 ns. Diese reflektierten Pulse zünden das Plasma innerhalb der expandierenden Blase periodisch neu. Breitbandige Emission aufgrund von Rekombination und Bremsstrahlung wird innerhalb der ersten 100 ns sichtbar. Zu späteren Zeiten dominiert die Linienemission. Die Starke Verbreiterung der Spektrallinien von H_alpha (656 nm) und OI (777 nm) wird ausgewertet, um sowohl die Elektronendichte als auch die Elektronentemperatur in diesen wiedergezündeten Plasmen zu bestimmen.

 

Posterpreis

Posterpreis für Patrick Preissing (A6) auf dem 8. Internationale Workshop zur Plasmaspektrokopie in Oxford

Der 8. Internationale Workshop zur Plasmaspektrokopie fand vom 23. bis 26. September 2018 am Worcester College in Oxford, UK statt. Volker Schulz- von der Gathen, Patrick Preissing und Katharina Grosse vom Lehrstuhl für Experimentalphysik II waren mit 2 Vorträgen und 3 Posterpräsentationen beteiligt. Einer von zwei Posterpreisen wurde von Patrick Preissing gewonnen, was während des Konferenzdinners bekannt gegeben wurde. Die Exkursion zum Blenheim Palace war neben dem hervorragenden wissenschaftlichen Programm ein Highlight der Konferenz.

Projekt A3 - Anregungstransfer

Nicht-Gleichgewichts-Anregung von CO2 in einem Atmosphärendruck-Helium-Plasmastrahl

Erste Ergebnisse zur Nicht-Gleichgewichts-Anregung und Dissoziation von CO2 in einem Atmosphärendruck-Helium-HF-Plasmastrahl. Ziel des Projektes A3 im SFB 1316 und des BMBF-Projektes Carbon2Chem ist die Trennung von Plasma- und Oberflächenchemie, die am Beispiel einer dem Edelgas beigemischten CO2-Plasmaanregung innerhalb des Plasmastrahls untersucht wird. Diese Methode bietet die Möglichkeit, sowohl die Gastemperatur des Feedgases als auch die Molekülanregung durch niederenergetische Elektronen oder durch Penning-Kollisionen mit den angeregten Edelgasatomen oder Dimeren zu steuern. Der Plasmastrahl wird mit unterschiedlicher absorbierter Plasmaleistung und Beimischung von CO2 betrieben. Die Anregung des CO2 wird durch in-situ-Aufbau der Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie überwacht. Die Konzentrationen von CO2 und dem erzeugten CO werden analysiert. Weiterhin werden die Schwingungs- und Rotationstemperaturen der möglichen Freiheitsgrade der gemessenen Moleküle bestimmt.

Die Gaszufuhr des Atmosphärendruck-Plasmastrahls war Helium, wegen des großen Massenunterschieds und des damit verbundenen schlechten Impulsübergangs auf CO2. Daraus resultiert das geringste kollisionelle Quenchen aller Edelgase. Der planparallele Plasmastrahl wird mit RF betrieben. Diese Art der Plasmaquelle ist hinsichtlich ihrer Plasmaphysik und -chemie für verschiedene Gasgemische aus Edelgasen und Molekülen bereits sehr gut untersucht.

Comsol-Simulation des He-Strömungsmusters und der CO2-Dissoziation

Das Hauptergebnis dieser Arbeit ist die deutliche Nicht-Gleichgewichtsanregung von CO2 und CO. Im Detail liegt die Rotationstemperatur von CO unter 400 K und im Gegensatz dazu erreicht die Schwingungstemperatur Werte bis zu 1600 K, und die Temperatur der Anregung der asymmetrischen Schwingung von CO2 liegt bei etwa 700 K. Der Einfluss der variablen Plasmaleistung und der Beimischung von CO2 zum He-Gasstrom ist eher schwach. Es wird angenommen, dass die Schwingungs- und Rotationsanregung von CO hauptsächlich aus der Zerfallsreaktion stammt, entweder durch direkten Elektronenstoß von CO2 oder durch Penning-Dissoziation zwischen CO2 und angeregten Helium-Metastabilen. Aus diesem elektronischen Energietransfer auf CO2 werden durch Dissoziation hoch schwingungsangeregte CO-Moleküle erzeugt.

Das Nicht-Gleichgewicht ist auf die Art der Anregung der Moleküle durch Kollisionen mit Elektronen mit Energien größer als 7 eV an den schwingenden Mantelkanten und Penning-Kollisionen mit angeregten Heliumatomen zurückzuführen. Die niedrige Temperatur des Rotationsgases wird durch das Helium-Plasmagas erklärt, das als Puffer wirkt.

Dieser Nicht-Gleichgewichtscharakter bietet weitere Untersuchungen im Bereich der Plasmakatalyse, durch die die Reaktionsgeschwindigkeit einer gewünschten katalytischen Reaktion unterstützt wird. Dabei ist es wichtig, dass die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit durch die Einwirkung angeregter Moleküle und nicht durch eine ungewollte Erwärmung der Katalysatoroberfläche durch das Plasma selbst erfolgt.

In Zukunft sollen die Experimente auf andere Gasgemische ausgeweitet und der Einfluss von katalytisch aktiven Oberflächen untersucht werden.

DFG

SFB 1316 bewilligt

Nichtgleichgewichtsprozesse sind die Grundlage einer Vielzahl von Phänomenen in der Natur, wie z.B. Transport, Anregung von Atomen und Molekülen sowie Entanregung und Dissipation an Oberflächen. Der Nicht-Gleichgewichtscharakter von Plasmen ist aufgrund der hohen Energiedichte in diesen Systemen und der sehr selektiven Anregung z. B. nur der Elektronen besonders ausgeprägt. Bringt man diese Plasmen in Kontakt mit Festkörpern oder Flüssigkeiten, kann der Nichtgleichgewichtscharakter auf andere Aggregatzustände übertragen werden. Ein hervorragendes Beispiel sind plasmachemische Prozesse, die direkt an katalytisch aktive Oberflächen gekoppelt sind.

DBDDer Einsatz von Nicht-Gleichgewichts-Atmosphärendruck-Plasmen ist besonders interessant, da sie sich am einfachsten mit chemischen Standardprozessen kombinieren lassen. Der Nicht-Gleichgewichtscharakter dieser Plasmen kann durch große Gasströme oder durch kurze gepulste Anregung, die starke Kühlmechanismen gewährleistet, kontrolliert werden. Dadurch kann eine große Vielfalt an gewünschten Plasmachemien oder Emissionsmustern nach einer empirischen Strategie eingestellt werden. Einem weiteren Fortschritt steht jedoch das fehlende grundlegende Verständnis dieser Entladungen und ihrer Wechselwirkung mit flüssigen und festen Grenzflächen entgegen.

Der Sonderforschungsbereich (SFB) 1316 "Transiente atmosphärische Plasmen - von Plasmen über Flüssigkeiten zu Festkörpern" adressiert diese Forschungsfragen durch die Kombination von Expertise in Plasmaphysik, Oberflächenphysik, Chemie, Biotechnologie und Ingenieurwissenschaften. Dieser SFB konzentriert sich auf transiente atmosphärische Plasmen auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen für die Nanostrukturierung und Aktivierung von katalytischen Oberflächen, für die Kopplung zur Katalyse und Biokatalyse sowie für elektrochemische Prozesse. Aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen diesen Plasmen und den begrenzenden Grenzflächen werden spezielle in-situ-, Echtzeit- und in-operando-Methoden zum Einsatz kommen. Das Forschungsprogramm folgt drei aufeinander aufbauenden Phasen vom Erreichen eines grundlegenden Verständnisses zu Beginn über die optimale Integration von Plasma und aktiver Oberfläche bis hin zum Upscaling dieser Plasmen. Der SFB 1316 sucht nach optimalen Lösungen für Systeme zur Energieumwandlung (solare Brennstoffe, CO2-Harvesting, Photokatalyse), für den Gesundheitsbereich (Entfernung flüchtiger organischer Verbindungen aus Luftströmen), für die Biotechnologie (plasmagestützte Biokatalyse) und für die technische Chemie (Bottom-up-Synthese von kleinen Molekülen zu wertvollen Chemikalien).