Plasma a bassa temperatura. Concetti di base, proprietà, applicazioni.
| Il plasma è un gas quasi neutro, formato da particelle cariche e neutre, la cui concentrazione risulta sufficiente per permettere alla loro carica spaziale di limitare il loro movimento.
Tale condizione si verifica quando la dimensione lineare minima del plasma L0 risulta di gran lunga superiore della distanza schermante (la lunghezza di Debye, rD) – ovvero della distanza, entro la quale, a causa dell’agitazione termica delle particelle, si verifica un’alterazione della “quasi neutralità” del plasma. Qualora durante il movimento caotico delle particelle a velocità termica avvenga la separazione di cariche per una distanza maggiore della lunghezza rD, la condizione di “quasi neutralità” del plasma si ripristina grazie all’azione dei campi elettrici generati dalle cariche spaziali. Il termine di «quasi neutralità» significa che il numero di cariche elettriche elementari non compensate nel volume L03 è decisamente minore del loro numero totale. |
| I metodi di descrizione del plasma si basano sui vari parametri presi in esame.
Dal punto di vista del grado di ionizzazione, espresso come la concentrazione relativa di elettroni ne ⁄ n0 (dove n0 corrisponde al numero di particelle pesanti, ossia di atomi e ioni), il plasma può essere classificato in scarsamente, altamente o completamente ionizzato. |
| Il plasma utilizzato nei processi tecnologici è per la maggior parte scarsamente ionizzato. La velocità di reazioni chimiche, i fenomeni di trasporto, le collisioni tra particelle e altri processi elementari, che avvengono in questo tipo di plasma, sono determinati dalle specificità delle molecole e degli atomi neutri che lo costituiscono. In questa chiave si distinguono gli agenti plasmogeni di natura diversa, tra cui ci sono i gas nobili, l’idrogeno, l’azoto, l’ossigeno, l’aria, il vapore acqueo, ecc. |
| Nel caso di utilizzo dei gas molecolari come agenti plasmogeni, l’energia proveniente dalla fonte esterna inizialmente viene captata dalla componente elettronica del plasma, dopodiché il gas di elettroni trasmette l’energia ricevuta alle particelle pesanti: ciò avviene durante il riscaldamento, l’attivazione del grado di libertà degli atomi e molecole, la loro ionizzazione e dissociazione, accompagnate dalla formazione di un gran numero di particelle attive. Proprio queste fasi di formazione del plasma, insieme alle peculiarità termodinamiche, ottiche e alle proprietà di trasporto elementari, determinano il suo grado di attività chimica e catalitica, ovvero la capacità di effettuare le trasformazioni chimiche mirate in un ambiente gassoso o in una sostanza introdotta nel plasma, nel corso di vari processi tecnologici basati sulle reazioni chimiche, in cui la componente elettronica del plasma assume un ruolo decisivo.
Nota bene. I processi di trasferimento di massa, carica elettrica, quantità di moto ed energia all’interno del plasma, dovuti alla disomogeneità dei suoi parametri, ossia all’esistenza dei gradienti spaziali di densità, velocità e temperatura, nonché alla presenza dei campi esterni (elettrico e magnetico), ‒ tutti questi processi fanno parte dei cosiddetti fenomeni di trasporto. |
| Per creare il plasma a temperatura di 7000-30000 К, stabilizzare le sue dimensioni (il plasma realmente applicato nei processi tecnologici è sempre caratterizzato dalle dimensioni ben definite) e per poterlo utilizzare in qualsiasi ambiente gassoso, ci si avvale di appositi dispositivi chiamati generatori del plasma a bassa temperatura ovvero torce al plasma.
A seconda del tipo di scarica elettrica, tipologia del dispositivo di alimentazione e del valore di frequenza della corrente che ne proviene, le torce al plasma si suddividono in quattro grandi categorie: le torce ad arco (con alimentazione a corrente costante o alternata), ad alta frequenza (torce al plasma ad induzione o a scarica capacitiva), a frequenza ultraelevata e quelle ibride. |
| I valori massimi di temperatura del plasma variano ‒ anche se di poco ‒ in base al gas plasmogeno e dipendono, inoltre, dalla potenza specifica del plasma.
Le tecnologie di utilizzo del plasma a bassa temperatura sono basate sul fenomeno di interazione del plasma con una sostanza solida, liquida o dispersa, un gas e un campo magnetico. Al giorno d’oggi, l’ambito di applicazione tecnica del plasma a bassa temperatura appare estremamente vasto. Ci limitiamo a menzionare soltanto i rami tecnologici correlati direttamente o indirettamente all’attività della società PLAZARIUM. Si tratta di varie applicazioni del plasma a bassa temperatura, sfruttato come ambiente catalitico oppure come componente funzionale nei sistemi incentrati sulla trasformazione di energia termica in quella elettrica; fabbricazione dei dispositivi ‒ generatori del plasma ‒ in cui l’arco elettrico viene impiegato per creare i getti del plasma; tecnologie energetiche riguardanti i trattamenti delle sostanze combustibili basati sull’uso del plasma; utilizzo del plasma per produrre materiali dispersi, effettuare i trattamenti delle sostanze in polvere e i processi di rivestimento delle superfici, nonché per modificare le superfici dei polimeri; l'impiego del plasma per risolvere vari problemi della chimica applicata (in questo contesto spesso viene usato il termine di “plasmochimica”); utilizzo del plasma a bassa temperatura nelle tecnologie per la tutela ambientale. |
| I contenuti del presente capitolo sono rivolti ad un largo numero di lettori interessati a capire meglio il ruolo delle applicazioni del plasma nelle tecnologie moderne e le loro prospettive di sviluppo a breve termine. Per avere informazioni più dettagliate, provenienti dalle fonti primarie, si consiglia di consultare l’Enciclopedia del plasma a bassa temperatura, Volume introduttivo 1-5, editore “Nauka”, 2000. |