Milyen hatásokkal járnak a plazmafizikai rendszerek hőátadása és folyamatai?

A plazma hőátadás és folyadékdinamika területén végzett kutatások az ipari alkalmazások számára nélkülözhetetlenek, különösen a nemtermikus plazma rendszerek hatékony tervezésében és működtetésében. Az alkalmazott plazmafizikai rendszerek, mint a gázplazmák és ionizált folyadékok, komplex hőátadási mechanizmusokkal rendelkeznek, amelyek szoros összefüggésben állnak a mechanikai és kémiai energiaátvitellel. Az egyenletek és matematikai formulák kifejlesztése lehetővé teszi a rendszerek pontos modellezését és predikcióját, ezáltal támogathatja a gyakorlatban való alkalmazásukat.

A plazma fluidum koncepcióját a kontinuitásmechanika keretében kell megértenünk. A plazma egy kontinuumként való kezelése azt jelenti, hogy a különböző komponensek, mint a semleges részecskék, ionok és radikálisok, egy folyadékként viselkednek, ellentétben az elektronokkal, amelyek különböző transzport tulajdonságokkal bírnak. Ezen tulajdonságok figyelembevételével a plazmát nem diszkrét részecskék halmazaként, hanem folyadékrendszerként kell modellezni.

A következő fontos tényező a Knudsen-szám, amely a plazma rendszer és a plazma részecskék közötti kölcsönhatások mértékét jellemzi. A Knudsen-szám azt méri, hogy a plazma részecskék közötti közeges kölcsönhatások milyen mértékben érvényesülnek egy adott térbeli jellemző hosszúságú rendszeren belül. Amennyiben a Knudsen-szám kicsi, a plazma viselkedése inkább kontinuumként kezelhető, míg ha a szám nagy, a plazma már nem tekinthető folyadékként, mivel a részecskék közötti kölcsönhatások ritkák és a rendszer diszkrét részecskék halmazaként értelmezhető.

A plazma folyadékok nemegyensúlyi állapotainak elemzése fontos szerepet játszik a plazma rendszerek működésének megértésében. Az ilyen állapotokban az elektronok hőmérséklete jelentősen eltérhet a plazma más részecskéinek, például ionoknak vagy semleges részecskéknek a hőmérsékletétől. Ezen különbségek a plazma dinamikai viselkedését befolyásolják, és az áramlás irányába mutató különböző impulzusokat generálhatnak, amelyek további hatással vannak a hőelvezetésre.

A plazma rendszerek hőátadása és az ezekhez kapcsolódó áramlási folyamatok egy másik fontos aspektusa a plazma és az elektródák közötti hővezetés. A plazma rendszerek hőmérsékletváltozásait különböző elektromos feszültségek és áramok indukálhatják, amelyek fokozhatják vagy csökkenthetik a hő áramlását, így alapvető szerepe van az ilyen rendszerek megfelelő elektromos és hőmérsékleti tervezésében.

A plazmafolyadékokkal kapcsolatos kutatások mellett gyakorlati alkalmazások is elengedhetetlenek. A numerikus szimulációk és előrejelzési modellek kifejlesztése az ipari plazma rendszerek optimalizálásához vezethet. A plazma rendszerek működésének és teljesítményének pontos előrejelzése lehetővé teszi az új típusú, hatékonyabb energiafelhasználási és hőátadási mechanizmusok kifejlesztését. Emellett fontos szerepet játszik a plazma alkalmazása a hőkezelési folyamatokban, mint például a fénycsövek és félvezetőgyártás területén.

Hogyan hat a plazmafolyamatok időbeli változása a streamer-generációra és a kémiai reakciókra?

A plazmafolyamatok modellezésében a legnagyobb kihívást az időbeli állapotok és a plazma dinamikája közötti óriási különbség okozza. Az ilyen típusú nem állandó (unsteady) számítások során az Euler-implicit módszert alkalmazzák, ami lehetővé teszi a gyors változások kezelését, amelyeket a plazma kis időintervallumok alatt él át. A plazmafolyamatok számára kis időlépések szükségesek, mivel az elektromos kisülési folyamatok gyorsan lezajlanak. A számítások során a Δt = 3 × 10^−12 s, azaz 3 ps értéket választották, és ha ez az érték túllépi ezt a határt, a számítások instabillá válhatnak.

A teljes időintervallum, amely alatt a szimuláció zajlott, 1 000 000 időlépésből és 3000 ns-ból állt. A szimuláció során a plazma két alkalmazott feszültségimpulzus végéig került modellezésre, személyi számítógépen (CPU: Intel® Core™ i9-9980HK, 8 magos/12 szálas, RAM: 64 GB, Dell Technologies Japan Inc. Precision 5540). A szimuláció eredményeinek megszerzése körülbelül 28 napot, azaz 672 órát vett igénybe.

A modellezett plazmafolyamatok során a "streamer" csoportok kialakulása és a feszültségimpulzusok közötti kémiai reakciók dinamikáját vizsgálták. Az első impulzus alatt az elsődleges és másodlagos streamerek generálódása figyelhető meg. A feszültség növekedésével az elsődleges streamerek jönnek létre, és a streamer hossza körülbelül 6 mm-re nő a 264 ns időpontban. A legnagyobb elektron sűrűség (ne) ebben az időszakban 9.6×10^18 m−3, ami meglehetősen alacsony a dielektromos fal jelenléte miatt. A barrier fal hatására a streamerek átmérője megnövekszik, és ennek következtében nem egyenletes plazma keletkezhet.

A másodlagos streamerek a kezdeti impulzus után kezdenek megjelenni. A kémiai reakciók, mint például az O− + O → O2 + e, kulcsfontosságú szerepet játszanak az elektronok generálásában, és így a ne növekedésében. A ne értéke 750 ns és 1800 ns között folyamatosan növekszik, míg a kémiai reakciók sebességi állandói meghaladják a 10^−7 kmol/m^3/s értéket, és így jelentős hatást gyakorolnak az elektronok termelésére. Azonban az idő múlásával, 1800 ns után, az elektronok fogyasztása felülmúlja azok termelését, és az elektron sűrűség csökkenni kezd.

Az elektron sűrűség, az elektronpotenciál és a tértöltés eloszlása az egyes impulzusok alatt részletesen megfigyelhető, és ezek a paraméterek jelentős hatással vannak a plazma viselkedésére. A legnagyobb feszültségű pillanatokban, mint például a 300 ns-nál, az elektron sűrűség és a tértöltés maximális értéket ér el, amit a kémiai reakciók és a térhatások bonyolult kölcsönhatása szabályoz.

A pontos plazmamodell elkészítéséhez nemcsak a feszültség és az áram időbeli változásait kell figyelembe venni, hanem a reakciók kinetikáját, a plazma áramlását, a hőmérséklet változásokat és az anyagok interakcióit is. A további kutatásoknak figyelembe kell venniük a plazmafolyamatok komplexitását, és tovább kell fejleszteniük a modelleket, amelyek képesek kezelni az olyan tényezőket is, mint a fotoionizáció és a különböző anyagi hatások, amelyek jelenleg nem szerepelnek a modellekben.

Hogyan növelhető a CO2 koncentrációja és alakítható át tüzelőanyaggá plazma technológiával?

A szén-dioxid (CO2) feldolgozása mesterséges tüzelőanyagokká, mint például szén-monoxid (CO), hidrogén (H2) és metán (CH4), egyre nagyobb jelentőséggel bír a fenntartható energiatermelés és a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése szempontjából. Az ilyen folyamatok során a plazma-aktivált kémiai reakciók kulcsszerepet játszanak, hiszen hatékonyan képesek a CO2 átalakítására. Egy prototípus rendszer már képes óránként 10 000 normál köbméter gáz feldolgozására, igazolva a koncepció megvalósíthatóságát.

Kísérleti eredmények szerint a direkt levegőből történő szén-dioxid kivonás (DAC) során a plazmakezelés jelentős mértékben növeli a CO2 koncentrációját. Például a plazma által kezelt deszorpciós ciklusok után a kezdeti 1000 ppm CO2 koncentráció akár 1,12%-ra (11 200 ppm) is növelhető, miközben kb. 400 ppm CO keletkezik minden egyes ciklus során. Magasabb CO2 kezdeti koncentráció esetén (2,75%) a plazma segítségével elért deszorpciós ciklus után a koncentráció akár 13,5%-ra is növekedhet. Ez a kétlépcsős DAC folyamat majdnem 100-szoros koncentrációnövekedést eredményez, miközben a plazmakezelés hatékonyabb a hagyományos hőkezelésnél, mivel a dielektromos fűtés és az ionokkal, elektronokkal való kölcsönhatás jelentősen felgyorsítja a deszorpciót.

A plazma technológia előnye, hogy a CO2 koncentráció növelésén túl, közvetlenül a tüzelőanyag előállítását is elősegíti. A metánképződés (metanáció) egy fontos lépés ebben, ahol a CO2 és a hidrogén katalitikus reakcióban metánt és vizet hoz létre. A szokásos magas hőmérsékletű, nyomás alatti katalitikus eljárásokkal szemben a környezeti plazma-technológia alacsony költséggel képes nagy mennyiségű metán előállítására, csökkentve a hidrogénfelhasználást is akár 25%-kal azáltal, hogy a plazmakezelés egy alternatív, alacsony energiaszükségletű lépést jelent a CO2 redukciójában.

A plazma katalizált rendszerek nem csak metánt, hanem más szénhidrogéneket is képesek előállítani, például propánt, amely tovább növeli a mesterséges tüzelőanyagok energiatermelési értékét. Ezen felül a CO és H2 keverékét alkalmazó alacsony kalóriatartalmú gázturbinák fejlesztése lehetővé teszi a tüzelőanyagok diverzifikálását és hatékonyabb energiahasznosítást, különösen az integrált szén-gázosító kombinált ciklus (IGCC) rendszerekben. Ezek a rendszerek jelenleg is vizsgálat alatt állnak, hogy kereskedelmi szinten is alkalmazhatók legyenek, és elérhessék a 44-50%-os energiahatékonyságot.

Az IGCC technológia során a szén részleges oxidációjával állítanak elő CO és H2 gázt, amelynek összetétele nagyban függ az oxigénellátás módjától. A tiszta oxigénnel történő gázosítás magasabb kalóriatartalmú tüzelőanyagot eredményez, de költségesebb, míg a levegővel végzett gázosítás alacsonyabb kalóriatartalmú, de gazdaságosabb tüzelőanyag előállítást tesz lehetővé, habár a magas nitrogéntartalom miatt égési instabilitás és NOx kibocsátási problémák léphetnek fel. Az ammónia (NH3) jelenléte is okozhat nitrogén-oxid képződést, amely további környezeti kihívásokat jelent.

Fontos megérteni, hogy a plazma-alapú CO2 feldolgozás nem csupán a szén-dioxid koncentrációjának növelésére, hanem a környezeti terhelés csökkentésére és a fosszilis tüzelőanyagoktól való függőség mérséklésére is megoldást kínálhat. A folyamat során a hőmérséklet és nyomás szokásos korlátait megkerülve, alacsony energiafelhasználással, nagy hatékonysággal érhető el CO2 átalakítás, amely a jövő energiaiparának egyik kulcsfontosságú technológiája lehet.

A technológia további fejlesztése során kiemelt figyelmet kell fordítani a plazma-katalizátor rendszerek optimalizálására, hogy növelhető legyen a CO konverziós ráta és minimalizálhatóak legyenek az emissziók. A hatékony CO2 kezelés nem csak a kibocsátás mérséklésében, hanem az energiaátalakítási folyamatokban is alapvető fontosságú, amely a megújuló energiaforrásokkal kombinálva a karbonsemleges energiatermelés felé vezető utat jelentheti.

Hogyan befolyásolja a deszorpciós folyamatok hatékonyságát a plazmaenergiával történő CO2-átalakítás?

A deszorpciós folyamatok során alkalmazott gázáramlás különböző sebességei (Qd = 0,09, 0,18 és 0,54 m3/min) jelentős hatással vannak a hőmérsékletre és a CO koncentrációra. Az alacsonyabb Qd értékeknél a hőmérséklet növekedése figyelhető meg a kamrában, ami elősegíti a CO2 deszorpcióját és CO képződését. A hőmérséklet emelkedése hozzájárul a plazma hőenergiájának fokozott felszabadulásához, amely katalizálja a CO2 átalakítását szén-monoxiddá (CO). Ez a folyamat a CO koncentrációjának növekedéséhez vezet, amely elérheti az 5%-ot is.

A konverziós hatékonyság, amelyet az α = CO/CO2 × 100% képlettel definiálunk, időfüggő módon nő, és a Qd = 0,18 m3/min esetén körülbelül 22%-ra emelkedik 120 perc elteltével. Ezen kívül az energiahatékonyság (η), amelyet a konverzióhoz szükséges energia és az elérhető energia viszonyaként mérünk, 14%-ra növekszik. A kutatás során különböző módszerek összehasonlítására is sor került, ahol a felületi kisüléses plazma (SDP) és a csúszó ív kisülés (GD) plazmatípusok eredményeit vetették össze. A GD módszer jobb eredményeket mutatott, így egyre nagyobb figyelmet kap.

A japán Osaka Metropolitan University kutatólaboratóriumában végzett kísérletek során 21%-os α értéket értek el duplázott koncentráció mellett. Ha a koncentráció négyes szorzójára emelkedne, a célzott 49%-os érték elérése is lehetséges. A GD technológia fejlődése és elterjedése nemcsak a széndioxid-redukció hatékonyságát növeli, hanem hozzájárulhat a globális CO2 kibocsátás csökkentéséhez is.

A kutatások, amelyek egy GTCC (gázturbinás kombinált ciklus) rendszerekhez kapcsolódnak, új módszereket és rendszereket kínálnak a CO2 plazma-katalizált átalakításának terén. A jövőbeli fejlesztések, amelyek a laboratóriumi méretű tesztelés után a valódi ipari alkalmazásokra összpontosítanak, lehetővé teszik a magasabb hatékonyságú energiaátalakító rendszerek létrehozását. A magas hőmérsékletű gázturbinák számára már most is alkalmazzák a CO2 megkötő technológiákat, amelyek a fizikai adszorpcióra építenek, biztosítva ezáltal a szükséges alapot az innovációk számára.

A plazma redukciós technológiák alkalmazása a CO2 csökkentésére különösen fontos lehet a fenntartható energiaellátás elérésében, amely nélkülözhetetlen a globális felmelegedés megállításához. Az ilyen típusú kutatások hozzájárulhatnak a nulla szén-dioxid-kibocsátású rendszerek kifejlesztéséhez, melyek csökkenthetik a fosszilis tüzelőanyagok használatát, és hozzájárulhatnak a fenntartható, környezetbarát energiaforrások elterjedéséhez.