I plasmafluiders varmeoverføring utgjør elektrontransport, energibevaring og elektromagnetiske felt et komplekst system av sammenkoblede ligninger som styrer fenomenene. Elektrontettheten følger en konserveringslov som inkluderer både strømning og produksjon eller tap av elektroner gjennom kjemiske reaksjoner. Elektrontetthetsstrømmen avhenger av elektronmobilitet, elektrisk potensial og diffusjon, hvor elektronmobiliteten er definert ved ladning, masse og kollisjonsfrekvens.

Energiutvekslingen i elektronene ivaretas av en egen energiligning, som balanserer varmetransport gjennom konveksjon, termisk diffusjon og energitap ved kollisjoner og stråling. Dette samspillet mellom elektronbevegelse og energi er fundamentalt for å forstå varmeflyt i plasma, spesielt fordi elektroner, på grunn av sin ekstremt lave masse, beveger seg med høy termisk hastighet og derfor bidrar betydelig til varmeledning.

Maxwells ligninger beskriver det elektromagnetiske feltets dynamikk i plasma, der elektriske og magnetiske felt samvirker med ladede partikler. Disse feltene genererer strømmer og påvirker plasmaets oppførsel både lokalt og i større skala. Poissons ligning for det elektriske potensialet kobler feltet til ladningstettheten, og kontinuitetsligningen sikrer bevaring av ladning.

Løsningsprosessen for dette komplekse systemet krever nøyaktig spesifikasjon av randbetingelser som omfatter både termohydrodynamiske forhold, elektromagnetiske felt og plasmaets ladnings- og partikkelbalanse ved grenseflater. Disse betingelsene varierer sterkt med systemets fysiske oppsett, som for eksempel veggoverflater, kontakt mellom medier med ulik elektrisk ledningsevne eller magnetisk permeabilitet, og reaksjoner ved plasmaoverflater.

Varmeoverføringen i plasma skiller seg vesentlig fra gassstrømmer uten ladede partikler, spesielt ved atmosfæretrykk der konvektiv varmeoverføring dominerer. Transportegenskaper som elektrisk ledningsevne og Hall-koeffisient påvirkes sterkt av ionisering og kollisjonsprosesser mellom ladede partikler, hvor Coulomb-potensialet mellom ladninger fører til kollisjoner som hemmer transportfenomener. Resultatet er ikke-monotone temperaturavhengige egenskaper med tydelige maksimum og minimum.

Elektroner, til tross for sin lille masse, spiller en sentral rolle i varmeledning på grunn av sin høye termiske hastighet og evne til å overføre betydelige mengder energi. Deres bidrag til viskositet er derimot marginalt. Ionisering og kjemiske reaksjoner påvirker transportkoeffisientene ytterligere, noe som må tas i betraktning for en fullstendig forståelse av plasmaets termiske egenskaper.

Viktige aspekter å forstå utover disse grunnleggende beskrivelsene inkluderer plasmaets dynamiske natur hvor ikke-lineariteter og ikke-likevektsprosesser ofte oppstår, noe som kompliserer modelleringen. Dessuten påvirker turbulens, overgang mellom laminær og turbulent strømning, og forskjeller mellom kontinuerlige og frimolekylære strømninger varmeoverføringen betydelig. For å beherske praktiske applikasjoner må man derfor også ha innsikt i hvordan kjemiske reaksjoner i plasma påvirker termisk balanse, og hvordan disse sammenfaller med elektromagnetiske felt og partikkeltransport.

Hvordan påvirker ionisering, elektromagnetiske felt og Joule-varme varmeoverføring i plasma?

I plasma foregår kontinuerlig ionisering, der nøytrale partikler spaltes til ioner og elektroner, og rekombinasjon, hvor ioner og elektroner slår seg sammen til nøytrale partikler igjen. Ioner og elektroner fra høytemperaturområder diffunderer mot lavtemperaturområder, der de rekombinerer og frigjør ioniseringsenergi. Dette innebærer at ioniseringsenergi transporteres gjennom gjensidig diffusjon av ion-elektron-par og nøytrale partikler. Denne mekanismen er en vesentlig del av varmeoverføringsprosessen i plasma. En tilsvarende energitransport via diffusjon kan også observeres i varmeoverføring med reaktive væsker, der kjemiske reaksjoner bidrar til energiutveksling.

Plasma oppfører seg som en ledende gass med elektrisk ledningsevne som kan sammenlignes med metaller. Tilstedeværelsen av ladede partikler gjør at elektromagnetiske krefter virker inn på plasmaet og utfører arbeid som endrer varmeoverføringskarakteristikkene. Når elektrisk strøm går gjennom plasma, oppstår Joule-varme, som ytterligere bidrar til termisk energi. Strøm som går inn i eller ut av et materiale, fører til energioverføring, og anisotropi i varmeledning oppstår. Varmeoverføringen varierer betydelig mellom retningen vinkelrett på det magnetiske feltet og retningen parallelt med det, noe som understreker elektromagnetiske felts store innvirkning på varmeoverføringen.

Joule-varme genereres når en elektrisk felt påfører plasmaet strøm, og øker temperaturen i plasmafeltet. Om det eksisterer en potensialforskjell mellom plasma og en fast gjenstand, som en elektrode eller beholdervegg, flyter strøm mellom plasmaet og gjenstanden, noe som påvirker varmeoverføringen. I plasma, som er en gassleder, er mekanismen bak Joule-varme at ladede partikler – hovedsakelig elektroner – tilføres kinetisk energi av det elektriske feltet. Denne energien overføres til nøytrale molekyler via kollisjoner, som sprer energien til omkringliggende partikler. Dersom kollisjonsenergioverføringen er effektiv, når alle partikler til slutt en likevektstilstand, en såkalt likevektsplasma. I ikke-likevektsplasma derimot, er varmeoverføringen utilstrekkelig, og elektroner akselereres kraftig på grunn av sin lave masse sammenlignet med ioner og nøytrale partikler. Dette fører til at elektron-temperaturen blir mye høyere enn temperaturen til de tyngre partiklene, og plasmaet opprettholder en ikke-likevektstilstand.

Mengden Joule-varme som genereres per volum per tid kan uttrykkes som qj=J2σ=σE2q_j = \frac{J^2}{\sigma} = \sigma E^2, der JJ er strømtetthet, σ\sigma er elektrisk ledningsevne, og EE er elektrisk feltstyrke. Det er tydelig at Joule-varme overføres til fluidpartikler via ladede partikler, spesielt elektroner. I lavtrykksplasmaer, hvor partikkel-kollisjoner er sjeldne, kan kollisjonsoverføring være utilstrekkelig til full termalisering, noe som gjør at økt kinetisk energi hos ladede partikler ikke nødvendigvis fører til høyere samlet plasma-temperatur. I slike tilfeller forblir elektron-temperaturen høyere enn gass- og iontemperaturene. Ved atmosfærisk trykk, der kollisjoner er hyppige, etableres oftere en likevektsplasma, men ikke-likevektsplasma med høy elektron-temperatur kan fortsatt genereres ved hurtig akselerasjon av elektroner gjennom høyeffektpulser mellom elektroder.

I plasmateori er det viktig å forstå de ekstra leddene i grunnleggende bevaringslikninger som oppstår som følge av elektromagnetiske effekter. Lorentzkraften, som virker vinkelrett på både strøm og magnetfelt, og elektrostatiske krefter fra felt og ladningsfordeling, påvirker bevegelse og energi i plasma. I energiligningene for tunge partikler og elektroner inkluderes produksjonsledd for kjemisk og ioniseringsvarme, samt energiutveksling mellom elektroner og tunge partikler. Transportligningene for elektroner tar hensyn til generering og forsvinning av elektroner, samt elektrisk feltindusert bevegelse. Joule-varme og elektronentermodynamikk inngår som sentrale komponenter i energibalanse.

Plasma avgir også elektromagnetisk stråling, og denne strålingsenergien spiller en rolle i varmeoverføring, spesielt ved høye temperaturer og tettheter.

Det er vesentlig å erkjenne at plasma er en kompleks blanding av varmeoverføring, kjemiske reaksjoner, elektromagnetiske krefter og partikkeldynamikk som er tett sammenvevd. Forståelsen av plasma må derfor alltid inkludere både makroskopiske og mikroskopiske prosesser, og hvordan de samvirker i tid og rom. Varmeoverføringsmodeller må ta høyde for anisotropi forårsaket av magnetfelt, ikke-likevekt i elektronenergi, og transportfenomener som er unike for ladede partikler. Anvendelser som krever kontroll av plasmaegenskaper, fra industriell prosessering til miljøteknologi, avhenger av en dyp innsikt i disse sammenhengene.

Hvordan kan plasma-teknologi forbedre CO2-konvertering i termiske kraftverk?

Studier viser at CO2-desorpsjon i plasmaøkter med redusert Qd (desorpsjonsgassmengde) øker betydelig, noe som resulterer i høyere konsentrasjoner av karbonmonoksid (CO) opptil rundt 5 %. Temperaturmålinger i reaktorkammeret under desorpsjonsprosessene avdekker en økning i temperatur ved lavere Qd, noe som forklares med den termiske energien som genereres av plasmaet. Denne varmeenergien driver CO2-desorpsjonen og forbedrer produksjonen av CO, noe som er essensielt for effektiv omdanning.

Konverteringseffektiviteten, definert som forholdet mellom CO og CO2, øker jevnt over tid og når et maksimum på cirka 22 % etter to timer ved en Qd på 0,18 m³/min. Energikonverteringseffektiviteten oppnår samtidig 14 %, noe som indikerer at ikke-termisk plasma er i stand til å konkurrere med andre plasmaformer som glidende buedischarge (GD), som til nå har vist bedre resultater. Likevel gir SDP-teknologien et lovende utgangspunkt for videre optimalisering.

Forsøk ved Osaka Metropolitan University demonstrerer at en konvertering på 21 % kan oppnås ved en dobling av CO-konsentrasjonen. Hvis dette kan forbedres til en firedobling, forventes en konvertering på 49 %, som i sin tur representerer et viktig mål for å realisere nullutslipp av CO2 i termiske kraftverk. Denne teknologien har potensial til å revolusjonere bruken av gass-turbin kombinert syklus (GTCC) kraftverk, der plasma-katalysert drivstoffprosessering kan muliggjøre betydelig redusert CO2-utslipp.

Den underliggende forskningen har foreløpig vært på laboratorienivå, men overgangen til bænkskala testing vil være nødvendig for å raffinere metodene og vurdere teknologienes praktiske anvendbarhet. Industrielle aktører som arbeider med høytemperatur gass-turbiner har allerede implementert CO2-fangst via fysisk adsorpsjon, noe som danner et solid grunnlag for integrering av plasma-baserte reduksjonsteknologier.

For å oppnå nullutslipp må forskningen ikke bare fokusere på plasma-reaktorenes effektivitet, men også på adsorpsjonssystemer og CO2-konsentrasjonsteknologier, som alle må utvikles parallelt. Teknologiene må tilpasses industrien og skaleres opp for å kunne bidra til bærekraftig energiproduksjon. Den utfordrende utviklingsprosessen innebærer at det kreves en tverrfaglig tilnærming, der avanserte eksperimenter, ytelsestesting og teknologisk innovasjon går hånd i hånd.

Forståelsen av energiforbruket ved CO2-behandling er også avgjørende. Beregninger av spesifikk energi for plasmareduksjon viser at omtrent 3,38 eV per molekyl er nødvendig for stabil kraftproduksjon, noe som må balanseres mot kostnadene ved adsorbenter som zeolitt 13X. Den økonomiske vurderingen av adsorbentkostnader og energikostnader er kritisk for å gjøre teknologien konkurransedyktig i industrien.

Det er viktig å merke seg at selv om plasma-teknologien ikke alene kan løse alle utfordringer knyttet til CO2-utslipp i termiske kraftverk, fungerer den som en kraftig katalysator i en bredere kontekst av karbonfangst og drivstoffomdanning. Samspillet mellom temperatur, gassflyt, plasmaegenskaper og materialteknologi avgjør i stor grad hvor effektiv prosessen kan bli.

I tillegg til de tekniske aspektene bør leseren ha et bevisst forhold til at utviklingen av slike plasma-baserte løsninger er en integrert del av den globale innsatsen mot klimakrisen. Det kreves langsiktig forskning og tverrfaglig samarbeid for å bringe teknologien fra laboratoriet til kommersiell anvendelse, samtidig som man sikrer at implementeringen ikke medfører utilsiktede miljøpåvirkninger eller økonomiske barrierer.

Endelig må man forstå at fremtidens nullutslippssamfunn avhenger av at slike innovative løsninger ikke bare utvikles isolert, men også integreres i helhetlige systemer for energiproduksjon, hvor fornybare kilder, effektiv ressursbruk og avansert karbonhåndtering sammen bidrar til bærekraftig fremtid.

Hvordan håndtere helserisiko og miljøfare ved bruk av byggematerialer
Hvordan Nanocellulosebaserte Hydrogelser Kan Revolusjonere Bærekraftige Applikasjoner
Hvordan forstå og implementere automatisert distribusjon av SQL-løsninger i skyen
Hva kan vi lære av Bitcoin-adopsjon i Latin-Amerika?