Heiße Gase aus Metallionen und Elektronen, sogenannte Plasmen, werden in vielen Herstellungsprozessen, in der chemischen Synthese und bei der Metallextraktion aus Erzen und beim Schweißen verwendet. Eine gemeinsame Forschungsgruppe der Tohoku University und der Toyohashi University of Technology hat eine neue und effiziente Methode erfunden, um metallische Plasmen aus festen Metallen unter einem starken Magnetfeld in einem Mikrowellenresonator zu erzeugen. Sie berichten in der Zeitschrift über ihre Innovation AIP-Fortschritte.
Bei den herkömmlichsten Verfahren zur Herstellung von Plasmen wird ein starkes elektrisches Feld an Gase oder Flüssigkeiten angelegt. Dies kann enorme Energiemengen erfordern. In jüngerer Zeit wurde Mikrowellenstrahlung auch genutzt, um Plasmen zu erzeugen, da sie Atome in eine Form umwandelt, die neben anderen Vorteilen effektiver gewünschte chemische Prozesse antreiben kann. Die durch Mikrowellen erzeugten Plasmen werden jetzt in kommerziellen Prozessen verwendet, einschließlich der Halbleiterherstellung, der Diamantabscheidung und der Freisetzung von Metallen aus ihren Erzen.
Bisher handelt es sich dabei jedoch um Multimode-Mikrowellengeneratoren, die eine chaotische Verteilung von Mikrowellen erzeugen. Ein wichtiger Fortschritt, den das Team erzielt hat, ist die Anwendung eines Einmoden-Mikrowellengenerators zur Erzeugung ihrer Metallplasmen. Dies erzeugt kontrolliertere und stark fokussierte Mikrowellen.
„Wir gehen davon aus, dass unser Verfahren die Effizienz von Plasmatechniken in vielen Anwendungen erheblich verbessern und die Rentabilität im kommerziellen Bereich steigern könnte“, sagt der Chemiker Jun Fukushima, der die Technik zusammen mit dem Elektronikingenieur Satoshi Fujii entwickelt hat.
Eine große Herausforderung für die Forscher war, dass ihre anfänglichen Plasmen nicht länger als zehn Minuten stabilisiert werden konnten. Sie konstruierten daher die Ausrüstung neu und erreichten schließlich eine viel längere Stabilität. Das letzte und innovativere System enthält ein doppeltes Quarzrohr, in dem sich das feste Material, das in das Plasma umgewandelt wird, innerhalb des inneren Rohrs befindet.
Die Forscher erwarten, dass ihre Technologie besonders nützlich sein wird, um reine Seltenerdmetalle aus ihren Erzen zu extrahieren. Diese Metalle wie Cer, Lanthan und Neodym werden zunehmend in großtechnischen Anwendungen eingesetzt, einschließlich der Herstellung von wiederaufladbaren Batterien für Elektrofahrzeuge. Die Tohoku University und das Team der Toyohashi University of Technology haben bereits die Verwendung eines Plasmas aus Calcium und Magnesium zur Freisetzung von Scandium- und Vanadiumatomen aus ihren Oxiderzen demonstriert.
„Dies ist eine neue und unkonventionelle Methode zur Nutzung von Plasmen, die wir als entscheidend für die Reduzierung des Energiebedarfs für zukünftige materialwissenschaftliche Anwendungen ansehen“, sagt Fukushima.
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Satoshi Fujii et al, Metallionenplasmaerzeugung unter starkem Magnetfeld in einem Mikrowellenresonator, AIP-Fortschritte (2023). DOI: 10.1063/5.0134071