Vom Plasma zu Flüssigkeiten zu Festkörpern

  • 13. December 2017

Neuer Sonderforschungsbereich will Plasmakatalyse und plasmaunterstützte Elektrolyse technisch nutzbar machen.

Die Ruhr-Universität Bochum freut sich über einen neuen Sonderforschungsbereich (SFB): Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert den SFB 1316 „Transiente Atmo­sphären­druck­plasmen – vom Plasma zu Flüssig­keiten zu Fest­körpern“ ab 1. Januar 2018. Sprecher wird Prof. Dr. Achim von Keudell, Inhaber des Lehrstuhls Experi­mental­physik II.

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Abb.: Der Kontakt von Plasmen und Grenzflächen ist wichtig für die Entwicklung neuer technischer Anwendungen. (Bild: RUB-Fakultät für Physik und Astronomie)

Im Fokus des SFB stehen sowohl die Grundlagen von Prozessen in Plasmen und ihren Wechsel­wirkungen mit Flüssig­keiten und Ober­flächen als auch die Über­tragung der Er­geb­nisse in technische Anwen­dungen wie den Abbau von flüchtigen Kohlen­wasser­stoffen, die CO2-Umwandlung oder die Biokatalyse.

„Der neue Sonderforschungsbereich ist ein weiterer Beleg für die Exzellenz der Plasma­forschung an der Ruhr-Universität. Er setzt eine jahrzehntelange Tradition großer Ver­bund­forschungs­projekte in diesem Wissenschafts­gebiet an unserer Universität fort. Ich gratuliere Achim von Keudell und allen, die an der Antrag­tellung beteiligt waren“, so Prof. Dr. Axel Schölmerich, Rektor der Ruhr-Uni­versität Bochum (RUB).

In Nichtgleich­gewichts­plasmen unterscheiden sich die Temperaturen verschiedener Arten von Plasma­teilchen wie Elek­tronen, Ionen und Neutral­teilchen deutlich. Nicht­gleich­ge­wichts­prozesse sind die Grund­lage vieler Phäno­mene in der Natur wie Trans­port, Tur­bu­lenz, Anregung von Atomen und Molekülen sowie deren Abregung an Ober­flächen. Wenn solche Plasmen in Kontakt mit Fest­körpern oder Flüssig­keiten gebracht werden, kann sich der Nicht­gleich­gewichts­charakter auch übertragen.

Die Forscherinnen und Forscher des SFB konzentrieren sich dabei auf zwei prominente Beispiele: die Plasma­katalyse und die plasma­unterstützte Elektrolyse. Dabei werden an der Grenz­fläche zwischen Fest­körper und Gas bezie­hungs­weise zwischen Fest­körper und Flüssig­keit Moleküle wie Kohlen­wasser­stoffe oder CO2 umge­wandelt.

„Plasmen ermöglichen die Realisierung von sehr flexiblen und skalier­baren Sys­temen, bei denen sich die Reaktions­produkte gezielt steuern lassen. Ein gutes Beispiel dafür sind plasma­chemische Vorgänge, die direkt an katalytisch aktive Ober­flächen koppeln“, erklärt Achim von Keudell. Für die technische Anwen­dung ist es besonders günstig, Plasmen bei Atmo­sphären­druck zu nutzen, da sie sich gut mit Fest­körpern und Flüssig­keiten koppeln lassen.

Solche Plasmen lassen sich durch hohe Gas­flüsse oder durch kurze Anregungs­pulse her­stellen, die für eine starke Kühlung bestimmter Teil­chen sorgen. „Um die Eigen­schaften der Plasmen für die Kom­bi­nation mit der Kata­lyse und der Elektro­lyse maß­schneidern zu können, brauchen wir ein tieferes Ver­ständnis der Nichtgleichgewichts-Atmo­sphären­druck­plasmen“, so Achim von Keudell.

Fragen, die die Forscher umtreiben, sind zum Beispiel: Wie erfolgen Teilchen- und Ener­gie­transport auf der Nanosekundenskala? Wie wechselwirken diese Plasmen mit der Um­gebung? Welche Rolle spielen katalytische Oberflächen für die Plasmachemie? Lassen sich katalytisch aktive Oberflächen direkt im Prozess regenerieren?

Um diese Fragen zu beantworten, werden im SFB Spezialisten aus Plasma­physik, Ober­flächen­physik und -chemie sowie Elektro­technik und Biologie zusammenarbeiten. Das Forschungs­programm verläuft in drei Phasen: vom Grundlagen­verständnis über die optimale Integration der Plasmen mit katalytisch aktiven Ober­flächen bis zur Hoch­skalierung dieser Plasmen. Beteiligt sind neben der RUB die Universität Ulm, die Tech­nische Universität Brandenburg und das Fritz-Haber-Institut Berlin.

RUB / LK

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