Strukturierte Dielektrisch Behinderte Plasmen für umwelt- und biomedizinische Anwendungen: Vom Grundlagenverständnis zur Prozesskontrolle

• Antragsteller: Professor Dr. Julian Schulze, seit 2/2023
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432514770

Packed Bed dielektrisch behinderte Niedertemperatur Atmosphärendruck-Mikroplasmen werden häufig für verschiedene biomedizinische und umwelttechnische Anwendungen von hoher gesellschaftlicher Bedeutung eingesetzt. Dazu zählen die Erzeugung von reaktiven Sauerstoff- und Stickstoff-Spezies (RONS), die z. B. für die Wundheilung wichtig sind, und die Entfernung flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) aus Gasströmen, z. B. im Rahmen der Abgasreinigung. Derartige Plasmaquellen enthalten typischerweise eine hohe Anzahl dielektrischer/katalytischer Pellets im Plasmavolumen. Trotz ihrer hohen Anwendungsrelevanz sind viele Grundlagen dieser Plasmen unverstanden. Speziell die orts- und zeitaufgelöste Elektronendynamik, die die Plasmachemie initiiert, ist nicht verstanden, da sie in aufeinanderfolgenden Perioden der angelegten Spannungsform in derartigen filamentären Mikroplasmen verschieden ist. Somit können sämtliche Diagnostiken, die eine Mittelung über mehrere Perioden erfordern und so Zugang zur Elektronendynamik liefern, nicht angewendet werden. Mangels dieses Verständnis werden Anwendungen meist empirisch und daher ineffizient optimiert. Außerdem leiden Anwendungen unter dem inhärenten Druckabfall entlang des Gasflusses, der durch die Pellets im Volumen verursacht wird. Um ein tiefergehendes Grundlagenverständnis dieser Plasmen zu erlangen, haben die Antragsteller eine strukturierte DBD entwickelt, in der eine Elektrode mit einem strukturierten Dielektrikum bedeckt ist (z. B. Halbkugeln) und in der keine Pellets im Volumen vorhanden sind. Dies löst das Problem des Druckabfalls. Erste Untersuchungen zeigen, dass diese Plasmaquelle die Stabilität von DBDs drastisch verbessert, d.h. die Elektronendynamik ist in jedem Spannungspuls identisch. Dies erlaubt die Verwendung von Diagnostiken wie phasenaufgelöster optischer Emissionsspektroskopie zur Untersuchung dieser Dynamik. Voruntersuchungen zeigen, dass das Plasma durch eine Abfolge dreier Mechanismen innerhalb jedes Spannungspuls erzeugt wird: (i) Filamentäre Mikroentladungen im Volumen, die an kontrollierbaren Orten erzeugt werden, (ii) Oberflächen-Ionisationswellen und (iii) Oberflächen-Mikroentladungen an den Kontaktpunkten benachbarter dielektischer Strukturen. Im Rahmen dieses Projekts soll die orts- und zeitaufgelöste Elektronendynamik in derartigen strukturierten DBDs systematisch mittels Experimenten und Simulationen in He/O2/N2 Gasmischungen untersucht werden. Dabei soll eine rechteckige Spannungsform mit einstellbarem Duty-Cycle und Pulsbreiten unterhalb von 2 Mikrosekunden verwendet werden. Die Elektronendynamik, -dichte und -temperatur sollen orts- und zeitaufgelöst als Funktion der angelegten Spannungsform, der Gasmischung, der Oberflächenstrukturierung und ihrer Belegung mit katalytischen Schichten bestimmt werden. Letztlich sollen die Erzeugung von RONS und der VOC-Abbau als Funktion dieser Kontrollparameter untersucht und basierend auf wissenschaftlichem Verständnis optimiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Zaka ul Islam Mujahid, Ph.D., bis 1/2023