Плазменная нить добавит скорости и эффективности химическому синтезу

Нижегородские ученые разработали самосогласованную электродинамическую модель. Она описывает, при каких условиях в микроволновых разрядах атмосферного давления формируются плазменные филаменты — тонкие нити в газе с повышенной электронной плотностью и температурой.

Такие разряды используют в плазмохимии для высокоэффективного синтеза азотных удобрений, водорода, а также объемных наноструктур, например углеродных нанотрубок. Предложенная модель поможет усовершенствовать микроволновые источники плазмы атмосферного давления.

Ученые из Института прикладной физики имени А. В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) разработали численную модель, описывающую физические механизмы, благодаря которым в микроволновом разряде, создаваемом в газах при атмосферном давлении, формируются плазменные нити. В самосогласованной электродинамической модели физики рассчитали пространственные распределения концентрации электронов в филаментах, температуры газа и напряженности электрического поля СВЧ-волны, создающей разряд.

Исследования показали, что внутри плазменных филаментов внешнее электрическое поле усиливается и тем самым обеспечивает выделение энергии, достаточное для нагрева газа до 6000–7000 Кельвинов (5700–6700°С) и создания сверхвысокой электронной плотности. Согласно модели, вокруг плазменных нитей формируется неравновесный плазменный ореол. Именно в этой зоне, объем которой в сто раз превышает объем плазменных нитей, создаются благоприятные условия для протекания реакций плазменного синтеза, уточняют ученые.

Авторы определили, что минимальная мощность микроволнового излучения, при которой удается поддерживать нитевидный разряд, составляет 800–1000 Ватт, сопоставимый с мощностью бытовой микроволновой печи. Знания об этой характеристике важны для конструирования источников неравновесной плазмы.

«Полученные в данной работе результаты могут стать основой для построения неравновесных газоразрядных систем высокого давления, с помощью которых можно будет на практике проводить реакции плазменного синтеза. В дальнейшем мы планируем модифицировать разработанную модель плазменных нитей, учтя в ней разницу в температурах газа и электронов. Вместе с этим мы сконструируем оптимизированные газоразрядные установки для решения современных задач прикладной плазмохимии», — рассказал руководитель проекта, Сергей Синцов, старший научный сотрудник лаборатории прикладной физики плазмы Института прикладной физики имени А. В. Гапонова-Грехова РАН.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physics of Plasmas.