Forsker undersøger, hvordan man konverterer kuldioxid til byggestenene til brændstof

At opdele de kemiske bindinger i CO₂ molekyler, er der brug for varme. En måde at få denne varme på er fra plasmaer, og det har længe været kendt, at plasma effektivt kan opdele CO₂ , takket være 40 år gammel forskning fra Sovjetunionen.

"Spørgsmål med klimaet og drivhusgasser har ført til denne gamle forskning [som er] blevet udforsket af mange forskere," siger Alex van de Steeg, forsker i gruppen Elementære processer i gasudledninger i afdelingen for anvendt fysik.

Mens den gamle forskning har sat sit præg på videnskabsmænd, har den også forvirret dem. "Det har været svært at gengive tidligere resultater," bemærker Van de Steeg. "For eksempel nylige eksperimenter med CO₂ plasmaer har vist, at der er behov for højere temperaturer, faktisk over 3000 kelvin (K). Men den gamle forskning peger på, at spaltning kan finde sted ved lavere temperaturer."

Motivation for nye metoder

Uenighed mellem tidligere resultater og nylige forsøg på at kopiere dem viste sig at være en stor motivation for Van de Steegs forskning, som han udførte på DIFFER under supervision af Gerard van Rooij og Richard van de Sanden og i samarbejde med Maastricht University og Shell.

"For at få en bedre forståelse af, hvordan CO₂ dissocierer eller spalter i et plasma, udviklede vi nye måder at studere CO₂ på plasmaer genereret i en mikrobølge ved hjælp af såkaldt laserspredningsdiagnostik," siger Van de Steeg. "Dette involverer at fokusere en intens laserstråle ind i plasmaet og derefter måle det spredte lys. På denne måde kan vi indsamle tid og rumlig information om plasmaets temperatur og sammensætning."

Målinger af CO₂ plasma gav information om de kemiske og fysiske processer, der opstår under spaltning af molekylerne. Derudover fik forskerne en ny forståelse for de ekstreme forhold i CO₂ plasmaer. "Plasmatemperaturen overstiger 6000 K, hvilket er varmere end solens overflade," bemærker Van de Steeg.

At undersøge plasmaet hjalp også Van de Steeg og forskerne med at lave et kort over plasmaet, som de derefter kombinerede med en numerisk model. "Dette hjalp os med at identificere reaktionshastigheder og molekylerne involveret i disse reaktioner i forskellige dele af plasmaet, og det viste, at kemisk reaktivitet er afhængig af meget høje temperaturer, hvilket er i modstrid med tidligere resultater. Før havde vi ikke denne information, så det er vigtigt at have disse oplysninger."

Reaktioner tæller

Desuden afslørede Van de Steegs forskning de kemiske reaktioner, der producerede mest CO, hvilket naturligvis ville øge potentialet for at producere mere brændstof bagefter.

"To reaktioner fører til næsten al spaltning:kollisioner af CO₂ molekyler med andre molekyler i plasmaet, og aggregeringen af ​​O og CO₂ (kendt som association), der til sidst fører til CO og O₂ ," siger Van de Steeg.

Og det er den anden af ​​disse reaktioner, der kan føre til en øget (eller større) energieffektivitet af termisk CO₂ reaktorer. "Maksimal effektivitet uden O-CO₂ association ligger lige over 50 %, hvilket stiger til 70 %, når de medregnes. Og det er tæt på effektiviteten opnået i eksperimenter for 40 år siden."

En ting at bemærke er, at der kræves en masse energi for at starte plasmareaktionerne, men denne energi kan være mere end afbalanceret takket være potentialet ved at bruge CO-molekylerne til at lave bæredygtige brændstoffer. "Så i stedet for at tage olie fra brønde for at producere fossile brændstoffer, kan vi lave brændstoffer ved at bruge CO₂ allerede i atmosfæren fra forbrænding af brændstoffer i fortiden. Det er en slags cirkulær proces."

Fremtidige brændstoffer

Van de Steegs forskning viser, at høj energieffektivitet af CO₂ splittelse er inden for rækkevidde, og han er meget optimistisk med hensyn til, hvor disse fund kan gå hen. "Med disse resultater og et omhyggeligt reaktordesign er høj energieffektivitet inden for rækkevidde, hvilket betyder, at plasmaspaltningstilgange kan være en attraktiv teknologi til energiomstillingen."

Og hvad der gør det endnu mere attraktivt er tilgængeligheden af ​​storskala mikrobølgestrålingsudstyr, der kan bruges til at opdele CO₂ ved hjælp af plasmaer. Med masser af CO₂ i atmosfæren og teknologien på plads, ser det ud til, at det kun er et spørgsmål om tid, før forskning som Van de Steeg hjælper med at etablere reaktorer til at producere fremtidige brændstoffer fra CO₂ .