Многие из выдающихся инженерных достижений прошлого века, такие как компьютеры и интернет, сегодня воспринимаются как нечто само собой разумеющееся. Однако Национальная инженерная академия выделила 14 революционных целей, которые призваны решить новые грандиозные задачи инженерии и улучшить качество жизни. Наука и техника в области плазмы являются важной основой для достижения этих целей. Плазма, частично ионизированный газ, часто называют четвертым состоянием вещества, и она является «скрытой жемчужиной», зачастую остающейся невидимой для широкой аудитории.
Прогресс в микроэлектронике был бы невозможен без науки о плазме. Например, плазменное травление позволяет достигать мельчайших деталей на чипах, что стало основой для развития смартфонов, планшетов и мощных компактных компьютеров. Одной из грандиозных задач, которая также может быть решена с помощью науки о плазме, является «сделать солнечную энергию экономичной».
Плазму можно условно разделить на «тепловую» и «нетермическую» (низкотемпературную). В области термоядерного синтеза, который также относится к тепловой плазме, проводится многообещающие исследования. Однако в своей исследовательской группе я сосредоточена на низкотемпературной плазме и её применении в медико-биологических науках. Она может помочь решить несколько глобальных проблем.
Управление азотным циклом
Зеленая трава после грозы выглядит особенно ярко благодаря молнии, которая расщепляет азот в воздухе, превращая его в форму, доступную для растений. Молния — это тоже форма плазмы, которая благодаря высокоэнергетическим электронам разрушает молекулы азота и кислорода, образуя соединения, такие как нитрат, которые растения могут использовать как удобрения.
В последние годы внимание исследователей привлекла идея создания электрических разрядов, напоминающих миниатюрные молнии, для более эффективного и децентрализованного производства азотных удобрений. В настоящее время большинство азотных удобрений производятся с использованием процесса Габера-Боша, который требует высоких температур и давления, доступных только на промышленных мощностях. Однако этот процесс не лишен недостатков, таких как потеря части азота и загрязнение окружающей среды. Для решения этой проблемы необходимы новые методы.
В начале 20 века уже использовался процесс Биркеланд-Эйде, который тоже задействовал плазму для создания азотных удобрений, но позже был заменен процессом Габера-Боша из-за его более высокой энергоэффективности. Однако с развитием технологий низкотемпературной плазмы снова появляется интерес к использованию этого метода. Изучения в области «плазменного земледелия» показывают, что нетермическая плазма может эффективно фиксировать азот при атмосферном давлении, создавая удобрения непосредственно на месте с возможностью использования возобновляемых источников энергии. Кроме того, обработанная плазмой вода может содержать полезные вещества, такие как перекись водорода, которые способствуют росту растений и помогают в борьбе с водорослями.
Обеспечение доступа к чистой воде
Плазменные технологии могут помочь решить и проблему загрязнения воды, особенно удаление трудноразлагаемых веществ, таких как пер- и полифторалкильные вещества (PFAS). Эти химикаты, называемые «вечными», крайне стойки и могут накапливаться в организмах, что представляет серьезную угрозу для здоровья человека и экологии. Традиционные методы очистки не могут эффективно удалить эти вещества, в то время как низкотемпературная плазма в сочетании с другими методами, такими как электролиз, может стать успешной альтернативой.
В частности, плазменные установки продемонстрировали возможность удаления PFAS из сточных вод до уровня, безопасного для здоровья. Однако механизмы этого процесса пока недостаточно изучены, что мешает оптимизации и масштабированию технологий очистки. Важно провести дальнейшие исследования для лучшего понимания роли разных реактивных видов в разложении PFAS и других загрязняющих веществ.
Развитие медицины с использованием плазмы
Активные формы кислорода и азота, образующиеся в плазме, активно используются человеческим организмом для иммунного ответа и борьбы с инфекциями. На основе этих свойств уже разработаны медицинские устройства, одобренные в Европе, для лечения хронических ран. Лабораторные и клинические исследования показали, что плазма помогает уменьшить бактериальную нагрузку, стимулирует микроциркуляцию и активирует иммунные процессы. Также плазма используется для лечения грибковых инфекций, в частности в глазах, и в лечении рака.
Несмотря на перспективность, исследования в области использования плазмы для лечения заболеваний, таких как рак, все еще на ранних стадиях. Требуются дополнительные исследования, чтобы разработать безопасные и эффективные методы её применения в клинической практике.
Будущее науки о плазме
Наука о плазме имеет огромный потенциал в решении глобальных инженерных и медицинских задач. Это универсальный и уникальный инструмент, который может принести значительные выгоды для общества. Наши исследования охватывают как фундаментальные аспекты поведения плазменных разрядов, так и практическое применение плазменных технологий для решения реальных проблем.
С учетом тех вызовов, которые стоят перед нами, можно с уверенностью сказать, что наука о плазме будет играть важнейшую роль в инженерных достижениях 21 века и поможет решить некоторые из самых сложных проблем современности.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
