A hideg plazma átalakíthatja a jövő fenntartható gazdaságát
Stephan Reuter, a Polytechnique Montréal fizikusa a legtöbb napot az energia és az anyag területén szerzett szakértelmével tölti az orvosi technológiák fejlesztésére. Nemrégiben azonban zöld tengerben állt, és elgondolkozott azon, hogy a feltöltött részecskék záporának hatása lehet a salátára.
Meghívták Quebec egyik legnagyobb kereskedelmi üvegházába, hogy segítsen a termelőknek újragondolni a mezőgazdaság energiáját. Az épület belsejében, üvegfalakkal körülvéve, több mint négy futballpályát borítottak, több ezer saláta növény úszott polisztirol szőnyegen hidroponikus vagy talaj nélküli termesztési rendszerben. A termés majdnem kész volt a szedésre, csomagolásra és szállításra. Reuter feladata az volt, hogy a fizika segítségével segítse a Mirabelben található Hydroserre Inc. vállalatot a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésében.
Ebből a célból a vállalat érdekelt abban, hogy új módszereket találjon a kórokozók elleni küzdelemben, és műtrágyát juttasson a növekvő növényekhez. Sok műtrágya ammóniát tartalmaz, amelyet nitrogénből (a növények növekedéséhez szükséges) és hidrogénből állítanak elő a Haber-Bosch eljárásnak nevezett kémiai reakció segítségével. Ez a folyamat forradalmasította a mezőgazdaságot a 20. század elején azáltal, hogy lehetővé tette a műtrágya tömeges előállítását. A folyamat azonban évente több száz millió tonna szén-dioxidot termel.
„Ideális esetben megújuló műtrágyát akarunk” – mondja Reuter. És hogy valóban zöld legyen, a gazdaságban kell létrehozni, szükségtelenné téve a szállítást, egy másik szén-dioxid-kibocsátót. Reuter és egyre több vegyész, fizikus és mérnök úgy gondolja, látják, hogyan lehet ezt megvalósítani. Ezek a kutatók azon dolgoznak, hogy a jövő gazdaságai valóban fenntarthatóak legyenek, ahol a megújuló forrásokból, például a szélből vagy a napenergiából származó energiát hasznosítják a hatékony műtrágya előállítására a helyszínen. Remélik, hogy a plazma kiaknázásával megvalósítják ezt a látomást.
Reuter valószínűtlen tanácsadónak tűnhet egy mezőgazdasági kihívásban. Végül is a plazma fizikájának a szakértője, amely a négy alapállapot egyike, a szilárd anyagokkal, folyadékokkal és gázokkal együtt.
A plazma rendkívül gyakori. Valójában az ismert univerzumban látott anyag nagy része – az asztrofizikusok szerint több mint 99,9 százalék – plazma állapotban van. A villám plazmát termel. Így tesznek azok az olcsó újdonságok is a múzeumi ajándékboltokban. Kapcsolja be a tápellátást, és a gömb közepén lévő elektróda nagy feszültséget termel, amely kölcsönhatásba lép az üveg belsejében lezárt gázzal, és kifelé sugárzó színes plazma inakat képez. Érintse meg az üveget, és úgy tűnik, hogy a plazma indái az ujjai felé nyúlnak.
A nap plazma és gáz golyó. A napszél a napról lehámló plazmaáram. Amikor ez a szél ütközik a védő, plazmában gazdag mágneses párnával, amely körülveszi a Földet, a kölcsönhatások fényáramokat hoznak létre az aurora borealisban és az aurora australis-ban.
A plazma emellett a modern technológia munkája. A mérnökök a maratáshoz használják a mai számítógépek, autók és zenei születésnapi képeslapok chipjein található apró tranzisztorok millióit. A plazmatelevíziók pixelei plazmát alkotó gázt tartalmaznak, két üveglap közé szorított apró sejtek belsejében, és a plazma miatt neonfények és fénycsövek világítanak.
De mi is pontosan a plazma? Ez egy leves elektronok negatív töltéseikkel, pozitív ionjaikkal és semleges atomjaikkal, amely elektromágneses mezőket, valamint ultraibolya és infravörös sugárzást is termel. A plazma akkor jön létre, amikor a gáz túlfeszültségbe kerül – például hő vagy elektromos áram -, és az elektronok megszabadulnak az atomoktól.
A plazmák természetes módon fordulnak elő, vagy emberi eredetűek. Ha magas hőmérsékleten, például napsütésben állítják elő, „forró plazmának” nevezik, míg a plazmagolyóban és más szobahőmérsékletű, alacsony nyomású környezetben létrehozott plazmát „hideg plazmának”. A plazmagolyók megkönnyítik a látást: tele vannak gáznemű keverékkel, amely az egyik nagyon stabil, nemes gázt tartalmazza, mint például az argon, a xenon, a neon vagy a kripton. A plazma alkotja azokat az izzó indákat, amelyek a középpontból nyúlnak ki. A nagyfrekvenciás áram gerjeszt elektronokat, amelyek ezután elválnak a gáz atomjaitól. Sok mezőgazdasági kísérlet nemesgázok és levegő keverékét foglalja magában, hogy nitrogén- és oxigénionokat kapjon.
Reuter szerint a plazma egyik legvonzóbb felhasználási módja az ammónia műtrágya alternatívája. Terve a Mirabel üvegház projektre vonatkozóan, amelyet 2021 tavaszán segített elindítani a quebeci székhelyű nonprofit IRDA, vagy az Agrár-környezetvédelmi Kutató és Fejlesztő Intézet tudósaival, valahogy így hangzik: A plazmát elektromos áram küldésével állítják elő gázon keresztül, amely ideális esetben csak levegő. Ez a folyamat töltött és semleges részecskék, köztük elektronok és ionok keverékét hozza létre, amelyek reakcióképes nitrogén- és oxigénfajokat képesek előállítani. Reuter és munkatársai asztali kísérletekben, majd az üvegházban plazmával gazdagítják a vizet, majd tanulmányozzák, hogy képes-e csökkenteni a kórokozókat és befolyásolni a növekvő zöld és gyönyörű növényeket.