Natuurkundigen van de Ruhr-Universität Bochum (RUB) hebben spectaculaire foto's gemaakt waarmee het ontstekingsproces van plasma onder water in realtime kan worden bekeken en gevolgd. Dr. Katharina Grosse heeft de eerste datasets geleverd met een ultrahoge temporele resolutie, ter ondersteuning van een nieuwe hypothese over de ontsteking van deze plasma's:in het nanosecondebereik, er is niet genoeg tijd om een ​​gasomgeving te vormen. Elektronen gegenereerd door veldeffecten leiden tot de voortplanting van het plasma. Het nanoseconde plasma ontsteekt direct in de vloeistof, ongeacht de polariteit van de spanning. Het rapport van het Collaborative Research Centre 1316 "Transient Atmospheric Pressure Plasmas:from Plasma to Liquids to Solids" is gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde en Rubin, het wetenschapsmagazine van de RUB.

Plasmaontwikkeling zichtbaar maken

Om te analyseren hoe plasma in korte tijd ontbrandt en hoe deze ontsteking in de vloeistof werkt, natuurkundige Grosse zet tien nanoseconden hoogspanning op een haardunne elektrode die in water is ondergedompeld. Het zo opgewekte sterke elektrische veld zorgt ervoor dat het plasma ontbrandt. Met behulp van high-speed optische spectroscopie in combinatie met modellering van de vloeistofdynamica, de Bochum-gebaseerde onderzoeker is in staat om de kracht te voorspellen, druk en temperatuur in deze onderwaterplasma's. Zo verheldert ze het ontstekingsproces en de plasmaontwikkeling in het nanosecondebereik

Volgens haar observaties de omstandigheden in het water zijn extreem op het moment van ontsteking. Voor een korte tijd, er ontstaan ​​drukken van vele duizenden bar, die gelijk is aan of zelfs groter is dan de druk op het diepste punt in de Stille Oceaan, evenals temperaturen van vele duizenden graden vergelijkbaar met de oppervlaktetemperatuur van de zon.

Tunneleffecten onder water

De metingen dagen de heersende theorie uit. Tot dusver, er is aangenomen dat zich een hoog negatief drukverschil vormt aan de punt van de elektrode, wat leidt tot de vorming van zeer kleine scheurtjes in de vloeistof met uitzettingen in het bereik van nanometers, waarin het plasma zich vervolgens kan verspreiden. "Er werd aangenomen dat zich een elektronenlawine vormt in de scheuren onder water, waardoor de ontsteking van het plasma mogelijk is, " zegt Achim von Keudell, die de leerstoel Experimentele Fysica II bekleedt. Echter, de foto's gemaakt door het in Bochum gevestigde onderzoeksteam suggereren dat het plasma "lokaal in de vloeistof wordt ontstoken, ", legt Grosse uit.

In haar poging om dit fenomeen te verklaren, de natuurkundige gebruikt het kwantummechanische tunneleffect. Dit beschrijft het feit dat deeltjes een energiebarrière kunnen passeren die ze volgens de wetten van de conventionele fysica niet zouden moeten kunnen passeren, omdat ze daar niet genoeg energie voor hebben. "Als je kijkt naar de opnames van de plasma-ontsteking, alles wijst erop dat individuele elektronen door de energiebarrière van de watermoleculen tunnelen naar de elektrode, waar ze het plasma lokaal ontsteken, precies waar het elektrische veld het grootst is, ", zegt Grosse. Deze theorie heeft veel te bieden en is het onderwerp van veel discussie onder experts.

Water wordt gesplitst in zijn componenten

Het ontstekingsproces onder water is even fascinerend als de resultaten van de chemische reactie veelbelovend zijn voor praktische toepassingen. De emissiespectra laten zien dat, bij nanoseconde pulsen, de watermoleculen hebben niet langer de mogelijkheid om de druk van het plasma te compenseren. De plasma-ontsteking breekt ze af in hun componenten, namelijk atomaire waterstof en zuurstof. Deze laatste reageert gemakkelijk met oppervlakken. En dit is precies waar het grote potentieel ligt, legt natuurkundige Grosse uit:"De vrijgekomen zuurstof kan mogelijk katalytische oppervlakken in elektrochemische cellen opnieuw oxideren, zodat ze worden geregenereerd en hun katalytische activiteit opnieuw volledig ontwikkelen."