Um die chemischen Bindungen in CO2-Molekülen zu spalten, wird Wärme benötigt. Eine Möglichkeit, diese Wärme zu gewinnen, sind Plasmen, und es ist seit langem bekannt, dass Plasmen CO2 effizient spalten können, dank 40 Jahre alter Forschung aus der Sowjetunion.
„Probleme mit dem Klima und den Treibhausgasen haben zu dieser alten Forschung geführt [that has] von vielen Wissenschaftlern untersucht worden“, sagt Alex van de Steeg, Forscher in der Gruppe Elementarprozesse in Gasentladungen im Fachbereich Angewandte Physik.
Während die alte Forschung ihre Spuren bei den Wissenschaftlern hinterlassen hat, hat sie sie auch verwirrt. „Es war schwierig, frühere Ergebnisse zu reproduzieren“, bemerkt Van de Steeg. „Zum Beispiel haben neuere Experimente mit CO2-Plasmen gezeigt, dass höhere Temperaturen erforderlich sind, tatsächlich über 3000 Kelvin (K). Aber die alte Forschung zeigt, dass die Aufspaltung bei niedrigeren Temperaturen stattfinden kann.“
Motivation für neue Methoden
Die Meinungsverschiedenheiten zwischen den Ergebnissen der Vergangenheit und den jüngsten Versuchen, sie zu replizieren, erwiesen sich als große Motivation für Van de Steegs Forschung, die er bei DIFFER unter der Leitung von Gerard van Rooij und Richard van de Sanden und in Zusammenarbeit mit der Universität Maastricht und Shell durchführte.
„Um besser zu verstehen, wie CO2 in einem Plasma dissoziiert oder gespalten wird, haben wir neue Wege entwickelt, um in einer Mikrowelle erzeugte CO2-Plasmen mit der sogenannten Laserstreuungsdiagnostik zu untersuchen“, sagt Van de Steeg. „Dabei wird ein intensiver Laserstrahl in das Plasma fokussiert und anschließend das gestreute Licht gemessen. Auf diese Weise können wir zeitliche und räumliche Informationen über Temperatur und Zusammensetzung des Plasmas gewinnen.“
Messungen des CO2-Plasmas gaben Aufschluss über die chemischen und physikalischen Prozesse, die bei der Spaltung der Moleküle ablaufen. Zudem gewannen die Forscher ein neues Verständnis für die extremen Bedingungen in CO2-Plasmen. „Die Plasmatemperatur übersteigt 6000 K, was heißer ist als die Sonnenoberfläche“, bemerkt Van de Steeg.
Die Untersuchung des Plasmas half Van de Steeg und den Forschern auch dabei, eine Karte des Plasmas zu erstellen, die sie dann mit einem numerischen Modell kombinierten. „Dies half uns, Reaktionsraten und die an diesen Reaktionen beteiligten Moleküle in verschiedenen Teilen des Plasmas zu identifizieren, und es zeigte, dass die chemische Reaktivität von sehr hohen Temperaturen abhängt, was den früheren Ergebnissen widerspricht. Bevor wir diese Informationen nicht hatten, Daher ist es wichtig, diese Informationen zu haben.“
Reaktionen zählen
Darüber hinaus enthüllte die Forschung von Van de Steeg die chemischen Reaktionen, die das meiste CO produzierten, was natürlich das Potenzial zur anschließenden Produktion weiterer Kraftstoffe erhöhen würde.
„Zwei Reaktionen führen zu fast allen Spaltungen: Kollisionen von CO2-Molekülen mit anderen Molekülen im Plasma und die Aggregation von O und CO2 (bekannt als Assoziation), die schließlich zu CO und O2 führt“, sagt Van de Steeg.
Und es ist die zweite dieser Reaktionen, die zu einer erhöhten (oder größeren) Energieeffizienz von thermischen CO2-Reaktoren führen könnte. „Der maximale Wirkungsgrad ohne O-CO2-Assoziation liegt knapp über 50 %, was sich auf 70 % erhöht, wenn sie einbezogen werden. Und das ist nahe an den Wirkungsgraden, die in Experimenten vor 40 Jahren erreicht wurden.“
Eine Sache, die zu beachten ist, ist, dass viel Energie benötigt wird, um die Plasmareaktionen zu initiieren, aber diese Energie kann dank des Potenzials der Nutzung der CO-Moleküle zur Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe mehr als ausgeglichen werden. „Anstatt also Öl aus Bohrlöchern zu entnehmen, um fossile Brennstoffe zu produzieren, können wir Kraftstoffe herstellen, indem wir das bereits in der Atmosphäre vorhandene CO2 aus der Verbrennung von Brennstoffen in der Vergangenheit verwenden. Es ist eine Art Kreislaufprozess.“
Kraftstoffe der Zukunft
Van de Steegs Forschung zeigt, dass eine hohe Energieeffizienz der CO2-Spaltung in Reichweite ist, und er ist sehr optimistisch, wohin diese Ergebnisse führen könnten. „Mit diesen Erkenntnissen und einem sorgfältigen Reaktordesign sind hohe Energieeffizienzen in Reichweite, was bedeutet, dass Ansätze der Plasmaspaltung eine attraktive Technologie für die Energiewende sein könnten.“
Und was es noch attraktiver macht, ist die Verfügbarkeit von großen Mikrowellenbestrahlungsgeräten, mit denen CO2 mithilfe von Plasmen gespalten werden kann. Mit viel CO2 in der Atmosphäre und der vorhandenen Technologie scheint es nur eine Frage der Zeit zu sein, bis Forschungen wie die von Van de Steeg dazu beitragen, Reaktoren zur Herstellung zukünftiger Kraftstoffe aus CO2 zu etablieren.
Bitte klicken Sie auf den Link, um die zu lesen Dissertationmit dem Titel „Einblick in die CO2-Dissoziationskinetik im Mikrowellenplasma unter Verwendung von Laserstreuung“.