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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.

Pressemitteilung

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.

Der Artikel zu den Forschungsergebnissen und die Umschlaginnenseite sind online frei zugänglich.

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)

Pressrelease

Projekttreffen 16./17.11.2020

Herbsttreffen des Konsortiums

Das jährliche Herbsttreffen des SFB fand online statt, um die aktuellen Fortschritte innerhalb der Projekte und deren Kooperationen zu diskutieren. Durch das Online-Format war es einfach, die Mercator-Stipendiaten in diese Diskussionen zu integrieren. Ergänzt wurde das Treffen durch einen kleinen Workshop zu Kommunikationsaspekten im Zusammenhang mit Genderfragen.

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