A7 - Plasma AerodynamicPIV MeasurementParticle Image Velocimetry (PIV) measurements showing the |
PLASMA RESEARCH, project B7
Lightning bolt underwater
A plasma tears through the water within a few nanoseconds. It may possibly regenerate catalytic surfaces at the push of a button.
Electrochemical cells help recycle CO2. However, the catalytic surfaces get worn down in the process. Researchers at the Collaborative Research Centre 1316 “Transient atmospheric plasmas: from plasmas to liquids to solids” at Ruhr-Universität Bochum (RUB) are exploring how they might be regenerated at the push of a button using extreme plasmas in water. In a first, they deployed optical spectroscopy and modelling to analyse such underwater plasmas in detail, which exist only for a few nanoseconds, and to theoretically describe the conditions during plasma ignition. They published their report in the journal Plasma Sources Science and Technology on 4 June 2019.
A plasma tears through the water within a few nanoseconds. Following plasma ignition, there is a high negative pressure difference at the tip of the electrode, which results in ruptures forming in the liquid. Plasma then spreads across those ruptures.
Video: Experimentalphysik II
Plasmas are ionised gases: they are formed when a gas is energised that then contains free electrons. In nature, plasmas occur inside stars or take the shape of polar lights on Earth. In engineering, plasmas are utilised for example to generate light in fluorescent lamps, or to manufacture new materials in the field of microelectronics. “Typically, plasmas are generated in the gas phase, for example in the air or in noble gases,” explains Katharina Grosse from the Institute for Experimental Physics II at RUB.
Ruptures in the water
In the current study, the researchers have generated plasmas directly in a liquid. To this end, they applied a high voltage to a submerged hairline electrode for the range of several billionth seconds. Following plasma ignition, there is a high negative pressure difference at the tip of the electrode, which results in ruptures forming in the liquid. Plasma then spreads across those ruptures. “Plasma can be compared with a lightning bolt – only in this case it happens underwater,” says Katharina Grosse.
Hotter than the sun
Using fast optical spectroscopy in combination with a fluid dynamics model, the research team identified the variations of power, pressure, and temperature in these plasmas. “In the process, we observed that the consumption inside these plasmas briefly amounts to up to 100 kilowatt. This corresponds with the connected load of several single-family homes,” points out Professor Achim von Keudell from the Institute for Experimental Physics II. In addition, pressures exceeding several thousand bars are generated – corresponding with or even exceeding the pressure at the deepest part of the Pacific Ocean. Finally, there are short bursts of temperatures of several thousand degrees, which roughly equal and even surpass the surface temperature of the sun.
Water is broken down into its components
Such extreme conditions last only for a very short time. “Studies to date had primarily focused on underwater plasmas in the microsecond range,” explains Katharina Grosse. “In that space of time, water molecules have the chance to compensate for the pressure of the plasma.” The extreme plasmas that have been the subject of the current study feature much faster processes. The water can’t compensate for the pressure and the molecules are broken down into their components. “The oxygen that is thus released plays a vital role for catalytic surfaces in electrochemical cells,” explains Katharina Grosse. “By re-oxidating such surfaces, it helps them regenerate and take up their full catalytic activity again. Moreover, reagents dissolved in water can also be activated, thus facilitating catalysis processes.”
By Meike Drießen, Translated by Donata Zuber
Plasmaforschung - Projekt B7
Ein Blitz unter Wasser
Nur wenige Nanosekunden lang zerreißt ein Plasma das Wasser. Möglicherweise regeneriert es katalytische Oberflächen auf Knopfdruck.
Elektrochemische Zellen helfen unter anderem dabei, CO2 zu recyceln. Die katalytischen Oberflächen nutzen sich dabei allerdings ab. Wie man sie mithilfe eines extremen Plasmas im Wasser auf Knopfdruck regenerieren könnte, untersucht das Team des Sonderforschungsbereichs 1316 „Transiente Atmosphärendruckplasmen: vom Plasma zur Flüssigkeit zum Festkörper“ an der Ruhr-Universität Bochum (RUB). Mit optischer Spektroskopie und Modellierung konnten sie solche Unterwasserplasmen, die nur wenige Nanosekunden bestehen, erstmals umfassend untersuchen und somit auch die Bedingungen während der Plasmazündung theoretisch beschreiben. Sie berichten in der Zeitschrift Plasma Sources Science and Technology vom 4. Juni 2019.
Plasmen sind ionisierte Gase: Sie entstehen bei Energiezufuhr aus einem Gas, das dann freie Ladungsträger enthält. In der Natur kommen Plasmen zum Beispiel im Inneren von Sternen oder auf der Erde als Polarlichter vor. In der Technik werden Plasmen eingesetzt, um etwa in Leuchtstoffröhren Licht zu erzeugen, oder um neue Materialien für die Mikroelektronik herzustellen. „Normalerweise erzeugt man Plasmen in der Gasphase, zum Beispiel an der Luft oder in Edelgasen“, erklärt Katharina Grosse vom Lehrstuhl Experimentalphysik II der RUB.
Risse im Wasser
In der jetzigen Studie haben die Forscherinnen und Forscher Plasmen direkt in einer Flüssigkeit erzeugt. Dazu legten sie an eine haarfeine, untergetauchte Elektrode für mehrere Milliardstelsekunden eine hohe Spannung an. Durch die Zündung des Plasmas entsteht an der Spitze der Elektrode eine hohe negative Druckdifferenz, die dazu führt, dass sich in der Flüssigkeit Risse bilden. In diesen Rissen breitet sich dann das Plasma aus. „Das Plasma lässt sich gut mit einem Blitz vergleichen, nur hier unter Wasser“, so Katharina Grosse.
Heißer als die Sonne
Mittels schneller optischer Spektroskopie in Kombination mit einer Modellierung der Flüssigkeitsdynamik konnte das Forschungsteam die Variation von Leistung, Druck und Temperatur in diesen Plasmen aufklären. „Dabei haben wir gesehen, dass in diesen Plasmen für kurze Zeit eine Leistung von bis zu 100 Kilowatt verbraucht wird, was der Anschlussleistung von mehreren Einfamilienhäusern entspricht“, so Prof. Dr. Achim von Keudell, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik II. Darüber hinaus entstehen dabei Drücke von vielen Tausend Bar, was dem Druck am tiefsten Punkt im Pazifik entspricht oder diesen sogar übersteigt. Schließlich entstehen kurzzeitig Temperaturen von vielen tausend Grad ähnlich zur Oberflächentemperatur der Sonne und darüber hinaus.
Wasser wird in seine Bestandteile zerlegt
Diese extremen Verhältnisse existieren nur für sehr kurze Zeit. „Bisherige Untersuchungen haben sich vor allem auf Unterwasserplasmen im Mikrosekundenbereich konzentriert“, erklärt Katharina Grosse. „Bei dieser Dauer haben die Wassermoleküle noch Gelegenheit, den Druck des Plasmas auszugleichen.“ Bei den jetzt untersuchten extremen Plasmen im Nanosekundenbereich finden schnellere Prozesse statt. Das Wasser kann den Druck nicht ausgleichen, und die Moleküle werden in ihre Einzelteile zerlegt. „Besonders der dadurch frei gewordene Sauerstoff ist dann wichtig für katalytische Oberflächen in elektrochemischen Zellen“, erklärt Katharina Grosse. „Er kann solche Oberflächen reoxidieren, sodass sie regeneriert werden und ihre katalytische Aktivität wieder voll entfalten können. Zudem können auch gelöste Reagenzien im Wasser aktiviert werden, was die Katalyseprozesse erleichtert.“
Von Meike Drießen
Neue Förderung - Ruhr Konferenz
Die Plasmaforschung trägt zum neuen Forschungszentrum „Future Energy Materials and Systems“ bei
Das Land NRW wird in den nächsten Jahren im Rahmen des Förderinstruments "Ruhrkonferenz" vier Forschungszentren und ein College finanzieren. Ein Forschungszentrum „Zukünftige Energiematerialien und -systeme“ wird die Plasmawissenschaft an der RUB auf dem Gebiet der synthetischen Plasmachemie unterstützen. Die Plasmachemie ist ein zentrales Thema im CRC 1316 und wird durch diese Maßnahme in den kommenden Jahren gestärkt. (Bild (c) hagenvontroja)
New funding - Ruhr Conference
Plasma research contributes to new Research Center “Future Energy Materials and Systems”
The state NRW will fund four research centers and one research college during the next years in the framework of the funding instrument "Ruhr Konferenz". One research center “Future energy materials and systems” will support the plasma science at RUB in the area of synthetic plasma chemistry. Plasma chemistry is a key subject in the CRC 1316 and will be strengthend by this measure in the upcoming years. (Image (c) hagenvontroja)