El generador de ondas gravitacionales de alta frecuencia
La presente nota es la transcripción en español de lo publicado en IOP Science y que se vincula nuestro anterior artículo publicado aquí.
Solo aclaramos que el avance en el patentamiento de las posibles tecnologías, son una preparación para la industria privada radicada en los EEUU y en espera de un momento de difusión y adquisición de estas tecnologías. Especialmente en lo que se alcanza a comprender de las tecnologías (Nano-biotecnologías) producto de ingeniería inversa, según algunos organismos de investigación de los UAP.
Hoja de ruta del plasma para 2022: ciencia y tecnología del plasma de baja temperatura
Para citar este artículo: I Adamovichy otros2022J. física. D: aplicación física55373001
yo adamovich1, S. Agarwal2, E Ahedo3, LL Alves4, S Baalrud5, N Babaeva6, A Bogaerts7, A Bourdon8, PJ Brujas9,∗Canal C10, EH Choi11,
s culombe12, Z Donko13, DB Tumbas14,15, S Hamaguchidieciséis, D. Hegemann17, M. Hori18, HH Kim19, GMW Kroesen20, M. J. Kushner21, A Laricchiuta22, X Li23, TE Magín24, S. Mededovic Thagard25, V Miller26, ABMurphy27, GS Oehrlein28,
N Puac29, RM Sankaran30, S. Samukawa31, M. Shiratani32, M Simek33,
N Tarasenko34, K Terashima35, Thomas E. Jr.36, J. Trieschmann37, S. Tsikata38, MM Turner39, IJ van der Walt40, MCM van de Sanden20,41y T von Woedtke42,43
1 Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Universidad Estatal de Ohio, Columbus, OH 43210, Estados Unidos de América 2 Departamento de Ingeniería Química y Biológica, Escuela de Minas de Colorado, Golden, CO, 80401, Estados Unidos de América 3 Equipo de Propulsión Espacial y Plasmas (EP2), Universidad Carlos III de Madrid, Leganés, España
4 Institutode Plasmas e Fus˜ao Nuclear, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Av. Rovisco País, 1049-001 Lisboa, Portugal
5 Departamento de Ingeniería Nuclear y Ciencias Radiológicas, Universidad de Michigan, Ann Arbor, MI 48109, Estados Unidos de América
6 Instituto Conjunto para Altas Temperaturas, Academia Rusa de Ciencias, Moscú 125412, Rusia
7 Grupo de Investigación PLASMANT, Departamento de Química, Universidad de Amberes, Universiteitsplein 1, B-2610 Wilrijk-Antwerp, Bélgica
8 Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP), CNRS, Sorbonne Université, Ecole Polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, Francia
9 Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Minnesota, Minneapolis, MN, Estados Unidos de América
10 Grupo de Biomateriales, Biomecánica e Ingeniería de Tejidos, Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y Centro de Investigación en Ingeniería Biomédica (CREB), Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), Av. Eduard Maristany 10-14, 08019 Barcelona, España
11 Centro de Investigación de Biociencias del Plasma, Departamento de Física Eléctrica y Biológica, Universidad de Kwangwoon, 20 Kwangwon-Ro, Nowon-Gu, Seúl 01897, República de Corea
12 Ingeniería de Procesos Catalíticos y de Plasma, Departamento de Ingeniería Química, Universidad McGill, Montreal, QC, Canadá
13 Wigner Research Center for Physics, Konkoly-Thege Miklos Street 29-33, Budapest H-1121, Hungría
14 Laboratorio de Física de Plasma de Princeton, Universidad de Princeton, Princeton, NJ 08543, Estados Unidos de América
15 Departamento de Ingeniería Química y Biológica, Universidad de Princeton, 50-70 Olden Street, Princeton, NJ 08540, Estados Unidos de América
16 Centro de Tecnologías Atómicas y Moleculares, Universidad de Osaka, 2-1 Yamadaoka, Suita, Osaka 565-0871, Japón
17 Advanced Fibers, Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, 9014 St. Gallen, Suiza
18 Centro de Investigación de Nanotecnología de Plasma, Universidad de Nagoya, Nagoya 464-8603, Japón
19 Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industriales Avanzadas (AIST), 16-1 Onogawa, Tsukuba, Ibaraki 305-8569, Japón 20 Departamento de Física Aplicada, Universidad Tecnológica de Eindhoven, PO Box 513, 5600 MB Eindhoven, Países Bajos 21 Ingeniería Eléctrica y Departamento de Ciencias de la Computación, Universidad de Michigan, 1301 Beal Ave, Ann Arbor, MI
22 Instituto CNR de Ciencia y Tecnología del Plasma (ISTP) Sección de Bari, Bari, Italia
23 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, No. 28 Xianning West Road, Xi’an, Shaanxi Province 710049, República Popular de China
24 Departamento Aeronáutico y Aeroespacial, Instituto von Karman de Dinámica de Fluidos, 1640 Rhode-St-Genèse, Bélgica
25 Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, Universidad de Clarkson, PO Box 5705, Potsdam, NY 13699-5705, Estados Unidos de América
26 Departamento de Microbiología e Inmunología e Instituto de Medicina Molecular y Enfermedades Infecciosas, Universidad de Drexel, Facultad de Medicina, Filadelfia, PA, Estados Unidos de América
27 CSIRO Fabricación, PO Box 218, Lindfield, NSW 2070, Australia
28 Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Instituto de Electrónica y Física Aplicada, Universidad de Maryland, College Park, MD 20742, Estados Unidos de América
29 Instituto de Física, Universidad de Belgrado, Pregrevica 118, 11080 Belgrado, Serbia
30 Departamento de Ingeniería Nuclear, de Plasma y Radiológica, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Urbana, IL 61801, Estados Unidos de América
31 Universidad de Tohoku, 2-1-1 Katahira Aoba-ku Sendai, Miyagi 980-8577, Japón
32 Facultad de Ciencias de la Información e Ingeniería Eléctrica, Universidad de Kyushu, Fukuoka 819-0395, Japón
33 Departamento de Sistemas de Plasma de Pulso, Instituto de Física de Plasma de la Academia Checa de Ciencias, Praga, República Checa
34 Instituto de Física BI Stepanov, Academia Nacional de Ciencias de Bielorrusia, 68-2 Nezalezhnasti Avenue, Minsk 220072, Bielorrusia 35 Departamento de Ciencia de Materiales Avanzados, Escuela de Graduados en Ciencias Fronterizas, Universidad de Tokio, 5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa , Chiba 277-8561, Japón
36 Departamento de Física, Universidad de Auburn, Auburn, AL 36849, Estados Unidos de América
37 Ingeniería Eléctrica Teórica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Kiel, Kaiserstraße 2, 24143 Kiel, Alemania
38 ICARE, CNRS, 1C avenue de la Recherche Scientifique, F-45100 Orleans, Francia
39 Escuela de Ciencias Físicas y NCPST, Dublin City University, Dublin 9, Irlanda
40 División de Química Aplicada, The South African Nuclear Energy Corporation SOC Ltd, PO Box 582, Pretoria 0001, Sudáfrica
41 Instituto Holandés para la Investigación de la Energía Fundamental (DIFFER), PO Box 6336, 5600 HH Eindhoven, Países Bajos
42 Instituto Leibniz de Ciencia y Tecnología del Plasma (INP Greifswald), Felix-Hausdorff-Straße 2, 17489 Greifswald, Alemania
43 Medicina de la Universidad de Greifswald, 17475 Greifswald, Alemania
Correo electrónico:adamovich.1@osu.edu,sagarwal@mines.edu,eduardo.ahedo@uc3m.es,llalves@ist.utl.pt,baalrud@umich.edu,nybabaeva@gmail.com,annemie.bogaerts@uantwerpen.be,anne.bourdon@lpp.polytechnique.fr,pbruggem@umn.edu,cristina.canal@upc.edu,ehchoi@kw.ac.kr,sylvain.coulombe@mcgill.ca,donko.zoltan@wigner.hu,dgraves@pppl.gov,hamaguch@ppl.eng.osaka-u.ac.jp,hdirk@ethz.ch,hori@nuee.nagoya-u.ac.jp,hyun-ha.kim@aist.go.jp,gmwkroesen@tue.nl,mjkush@umich.edu,annarita.laricchiuta@cnr.it,xwli@mail.xjtu.edu.cn,magin@vki.ac.be,smededov@clarkson.edu,vam54@drexel.edu,tony.murphy@csiro.au,oehrlein@umd.edu,nevena@ipb.ac.rs,rmohan@illinois.edu,samukawa@ifs.tohoku.ac.jp,siratani@ed.kyushu-u.ac.jp,simek@ipp.cas.cz,n.tarasenko@ifanbel.bas-net.by,kazuo@plasma.ku-tokyo.ac.jp,etjr@auburn.edu,jt@tf.uni-kiel.de,sedina.tsikata@cnrs-orleans.fr,miles.turner@dcu.ie,jaco.vanderwalt@necsa.co.za,MCMvdSanden@tue.nl ywoedtke@inp-greifswald.de
Abstracto
La hoja de ruta de 2022 es la próxima actualización de la serie Plasma Roadmaps publicada por Journal of Physics D con la intención de identificar importantes desafíos pendientes en el campo de la física y tecnología de plasma de baja temperatura (LTP). El formato de la hoja de ruta es el mismo que las hojas de ruta anteriores que representan las visiones de 41 expertos líderes que representan a 21 países y cinco continentes en los diversos subcampos de ciencia y tecnología de LTP. En reconocimiento de la evolución en el campo, se han introducido varios temas nuevos o se les ha dado más importancia. Estos nuevos temas y énfasis destacan un mayor interés en la fabricación aditiva habilitada por plasma, materiales blandos, electrificación de conversiones químicas, propulsión de plasma, regímenes de plasma extremos, plasmas en hipersónicos, ciencia y tecnología de plasma impulsada por datos y la contribución de LTP para combatir COVID- 19 En las últimas décadas, la ciencia y la tecnología de LTP ha tenido un impacto tremendamente positivo en nuestra sociedad.
Palabras clave: plasma de baja temperatura, hoja de ruta, ciencia y tecnología del plasma,
diagnóstico de plasma, modelado de plasma, procesamiento de material de plasma, aplicaciones de plasma (algunas figuras pueden aparecer en color solo en la revista en línea)
- Nuevos enfoques de excitación y generación de plasma
- Regímenes de plasma extremos
- Interacciones plasma-líquido
- Plasmas polvorientos
- Grabado de capa atómica (ALE) y deposición
- Nanoestructuras y nanomateriales dieciséis
- Fabricación aditiva (AM) y recubrimientos
- Ingeniería de plasma de materiales blandos y biomateriales
- Aplicaciones de plasma médico
- Aporte de plasma para combatir el COVID-
- Agricultura de plasma y ciclos alimentarios innovadores
- Control de la contaminación por plasma
- Electrificación de conversiones químicas
- Propulsión de plasma (PP)
- Combustión asistida por plasma e hipersónica
- Aplicaciones de plasma térmico
- Diagnóstico de plasma
- Teoría, modelado y simulaciones
- Diagnóstico y modelado de interacciones plasma-superficie
- Datos atómicos, moleculares y de transporte
- Ciencia y tecnología de plasma basadas en datos
Expresiones de gratitud Referencias
Introducción
The Journal of Physics D: Applied Physics publicó el primer y segundo Plasma Roadmap en 2012 y 2017, respectivamente [1,2]. La hoja de ruta de 2022 es la próxima actualización de la serie Plasma Roadmaps y consta de una serie de secciones cortas y formalizadas que representan las visiones de 41 expertos líderes que representan a 21 países y cinco continentes en los diversos subcampos de plasma de baja temperatura (LTP). ciencia y Tecnología. La intención de la serie de hojas de ruta es identificar desafíos sobresalientes y brindar orientación en el campo de la física y la tecnología de LTP para colegas, agencias de financiación e instituciones gubernamentales y, con suerte, contribuir al campo con una base más sólida para identificar las necesidades de recursos. El formato de la Hoja de ruta de 2022 sigue siendo similar a la edición de 2017 con dos autores por sección, identificados en cada sección, lo que permite una perspectiva amplia para cada subtema. Si bien cada sección está escrita por diferentes expertos, uno de los editores de última hora contribuyó como coautor de una segunda sección que originalmente se asignó a un colega que, lamentablemente, no pudo contribuir. Finalmente, como en la edición anterior, los nombres de los autores se enumeran en orden alfabético.
En esta hoja de ruta, la atención se centra en los LTP. Incluso si existen algunos fenómenos básicos comunes entre todos los tipos de plasmas, los temas específicos relacionados con los plasmas de fusión, los plasmas inducidos por láser, los plasmas de alta densidad de energía, los plasmas producidos por haces o los plasmas espaciales, aunque potencialmente se abordan en el contexto de Los LTP no forman parte de esta hoja de ruta. Los LTP generalmente se generan aplicando una diferencia de voltaje a través de los electrodos a un gas o líquido. El plasma resultante es un medio casi neutro compuesto de iones positivos y negativos, electrones, fotones y especies neutras (reactivas). Los LTP se pueden obtener a varias presiones, generalmente desde el vacío cercano hasta la presión atmosférica, aunque también se estudian gases de mayor densidad. El grado de ionización de los LTP suele ser bastante pequeño, pero puede alcanzar hasta el 100 % en descargas de arco térmico, descargas de magnetrón pulsado, propulsores de plasma o plasmas pulsados de nanosegundos en gases o líquidos densos. Curiosamente, incluso a grados de ionización típicos de 10−6–10−4, las propiedades de LTP difieren sustancialmente de las de un gas neutro. El nombre ‘plasma de baja temperatura’ tiene su origen en la temperatura del gas generalmente baja, es decir, la temperatura de las especies pesadas (iones y neutros), que es mucho menor que la temperatura de los electrones. Este desequilibrio térmico es un parámetro clave de las LTP, ya que los electrones energéticos que chocan con especies neutras producen radicales y especies excitadas de manera eficiente. La reactividad química obtenida a bajas temperaturas de gas es una de las principales características de los LTP y es de gran interés para diferentes aplicaciones. No obstante, la temperatura del gas y el nivel de desequilibrio térmico de los LTP pueden variar. Por ejemplo, plasmas térmicos, que típicamente también se consideran LTP, operan generalmente cerca del equilibrio térmico y químico con una temperatura de gas y de electrones de unas pocas decenas de miles de Kelvin. Una segunda característica clave de las LTP está relacionada con las especies cargadas de diferentes masas y energías presentes en estos plasmas. En particular, cerca de las superficies, se forman vainas no neutras y la aceleración de los iones en estas cubiertas puede proporcionar flujos de iones energéticos a los sustratos. La adaptación y el control de la producción de iones y su energía al llegar a un sustrato aumentado con química neutra reactiva permite una gran diversidad de aplicaciones de grabado y deposición de superficies. Finalmente, los campos magnéticos se pueden utilizar para confinar las LTP. La dinámica resultante de los plasmas magnetizados a baja temperatura suele ser muy compleja con diversas inestabilidades, principalmente porque los electrones están magnetizados mientras que los iones a menudo no lo están o solo lo están parcialmente.
En las últimas décadas, la ciencia y la tecnología de LTP han tenido un tremendo impacto en nuestra sociedad. Por ejemplo, toda la industria de la microelectrónica está habilitada por interacciones plasma-superficie que depositan y eliminan materiales con resoluciones de hasta nanómetros en la fabricación de microprocesadores. Más recientemente, los sistemas de propulsión eléctrica están cobrando importancia para el control de movimiento de los satélites que orbitan la Tierra, lo que permite nuestra red global de comunicación y navegación (GPS). Estos son solo dos de los muchos ejemplos posibles que ilustran la diversidad de aplicaciones de los LTP a presión reducida. A presión atmosférica, los plasmas térmicos se aplican ampliamente en la industria para la soldadura y el procesamiento de materiales. Los plasmas de descarga de barrera dieléctrica se han utilizado durante varias décadas para la generación de ozono en plantas de tratamiento de agua. Con el continuo desarrollo en la generación de plasmas de baja temperatura que no están en equilibrio a presión atmosférica, ha surgido una amplia gama de nuevas áreas de aplicación en la última década, incluido el establecimiento de nuevos campos de investigación multidisciplinarios, como la medicina del plasma y la agricultura del plasma, que son destacados en esta hoja de ruta.
Queremos resaltar que la mayoría de las aplicaciones LTP impactantes actuales en la industria no tienen alternativa. Cuando existen métodos alternativos, los procesos de plasma a menudo se consideran, al principio, costosos en equipo, consumo de energía o debido a la necesidad de operadores calificados. Por lo tanto, la mayor parte de la investigación de LTP se enfoca en condiciones a las que no pueden acceder las tecnologías alternativas, donde las propiedades únicas de los procesos de plasma son beneficiosas para las aplicaciones objetivo o brindan una alternativa ecológica. Por ejemplo, los LTP brindan oportunidades significativas para descarbonizar los procesos industriales. En este contexto, la evaluación comparativa de las tecnologías de plasma con alternativas de la competencia sigue siendo extremadamente importante.
Los plasmas de baja temperatura pueden verse como un sistema muy complejo que involucra muchos procesos que a menudo interactúan entre sí y que se estudian en los campos de la electrodinámica, la mecánica de fluidos, la termodinámica, la química, la física atómica y molecular, la transferencia de calor y radiación, la ciencia de materiales y superficies, la ingeniería química, la electricidad. ingeniería y recientemente incluso biología y medicina. Para comprender y controlar los procesos de plasma que no están en equilibrio, el cuello de botella suele ser identificar correctamente los fenómenos clave implicados. El estudio de las LTP debe tener en cuenta las escalas espaciales y temporales que abarcan varios órdenes de magnitud, lo que impone muchos desafíos tanto para el modelado como para el diagnóstico, de los cuales los avances recientes y los desafíos restantes se abordan en varias secciones de esta hoja de ruta.
video que amplía algunas observaciones sobre este texto y opiniones de sectores de la ciencia que confirman que en los medios académicos y algunos privados, no hay energía suficiente para poner en marcha la generación de O.G.
Si bien el formato de la hoja de ruta de 2022 se mantuvo idéntico al de la hoja de ruta de 2017, en reconocimiento de la evolución de nuestro campo de investigación en los últimos 5 años, se introdujeron varios temas nuevos en las secciones y el enfoque cambió en las secciones que ya estaban incluidas en la hoja de ruta anterior. En vista del creciente interés en la fabricación aditiva (FA) y el procesamiento por plasma de materiales blandos, incluidos los biomateriales, incluimos dos nuevas secciones sobre estos temas. El campo de LTP también ha respondido activamente a los desafíos presentados por la pandemia de COVID-19 debido a la capacidad de los plasmas para inactivar el virus, pero también a su potencial a largo plazo para tratamientos médicos, incluidas las contribuciones al desarrollo de vacunas, como se analiza en una nueva sección dedicada. sobre este tema. Además, los plasmas en hipersónicos han ganado un interés significativo en vista de sus aplicaciones en vehículos de crucero y de entrada planetaria, así como la desaparición de los desechos espaciales hechos por el hombre y se abordan en una sección dedicada combinada con la combustión asistida por plasma. Motivados por los desarrollos científicos recientes, también incluimos secciones específicas sobre temas candentes sobre ‘diagnóstico y modelado de interacciones plasma-superficie’ y ‘ciencia y tecnología de plasma basadas en datos’. Los plasmas polvorientos, la electrificación de conversiones químicas, la propulsión de plasma (PP) y los regímenes extremos de plasma, aunque ya formaban parte de la hoja de ruta anterior, ahora se han incluido como secciones separadas en reconocimiento de los esfuerzos extensos crecientes o continuos en estas áreas temáticas en nuestro comunidad de investigación. La inclusión de estas nuevas secciones condujo a la reorganización de varios temas cubiertos en la hoja de ruta de Plasma 2017. Esto condujo, por ejemplo, a la inclusión de la validación y el transporte de partículas en la sección de modelado y datos atómicos y moleculares. La hoja de ruta de 2022 ya no tiene secciones separadas sobre control de flujo, plasmas en química analítica y metamateriales de plasma. Las descripciones de estos temas en la hoja de ruta de 2017 se mantienen alineadas con las actividades de investigación actuales y los nuevos desarrollos se han abordado en otras secciones.
de la Hoja de Ruta.
Los logros recientes de nuestra comunidad destacados en la hoja de ruta definen a la comunidad LTP como un campo altamente innovador con muchos avances en una amplia gama de aplicaciones. La gama sumamente amplia de áreas de impacto social, desde la exploración espacial hasta la atención de la salud y la sustentabilidad y las aplicaciones energéticas, brinda a nuestra comunidad oportunidades para continuar diversificando nuestro campo de investigación al tiempo que reconoce nuevos esfuerzos e iniciativas dirigidos a diversificar la demografía de los investigadores. sería bienvenido Mientras más oportunidades para colaboraciones interdisciplinarias
sin duda mejorará el impacto social de nuestro campo, sin embargo, sigue existiendo una necesidad continua de invertir en la ciencia fundamental del plasma para permitir el desarrollo de la próxima generación de tecnologías que puedan abordar los grandes desafíos sociales relacionados con la sostenibilidad, la energía y la salud.
El éxito de muchas innovaciones en la ciencia del plasma para una gama más amplia de aplicaciones, como se indica para varias aplicaciones en la hoja de ruta de 2022, requiere la optimización y ampliación del proceso de plasma para permitir una traducción fluida de la investigación a escala de laboratorio a la industria y la sociedad. . El desarrollo de modelos computacionales completamente predictivos que se basen en la física y la química, pero que también tengan la solidez para ser utilizados para el diseño y la optimización de dispositivos sigue siendo una prioridad clave. Esto requiere un esfuerzo de toda la comunidad que involucre la verificación y validación de códigos y la generación, curación y validación de datos atómicos y moleculares. Recientes estudios internacionales de referencia de códigos utilizados para modelar plasmas magnetizados de baja presión y serpentinas de presión atmosférica ilustran que nuestra comunidad está lista para adoptar la introducción de casos de referencia desarrollados en toda la comunidad que son muy necesarios y que involucran fenómenos complejos como inestabilidades o propagación de onda. En la última década, el desarrollo de bases de datos de acceso abierto con datos de entrada atómicos y moleculares estandarizados ha sido muy beneficioso para nuestra comunidad. El siguiente paso incluye un esfuerzo conjunto de la física atómica, molecular y óptica (AMO) y las comunidades de plasma para medir o calcular los datos faltantes necesarios para describir procesos elementales clave y proponer recomendaciones de mecanismos de reacción a utilizar. Finalmente, debido a la naturaleza multiescala y multifísica de los LTP,
Nuestra comunidad podría beneficiarse de colaboraciones más intensas entre expertos que trabajan en el desarrollo, diagnóstico y modelado de fuentes de plasma e incluir enfoques más sistemáticos de análisis de sensibilidad y cuantificación de la incertidumbre. El desarrollo de dichos marcos y capacidades computacionales y experimentales más accesibles también nos permitiría capacitar de manera más efectiva a una nueva generación de científicos en la ciencia fundamental de LTP que sería capaz de abordar muchos desafíos sociales en las próximas décadas y estaría bien posicionado para asumir roles de liderazgo en la academia, institutos de investigación e I + D privados.
Anne Bourdon y Peter Bruggeman Editores de la hoja de ruta de Plasma 2022
- Nuevos enfoques de excitación y generación de plasma
Nikolái Tarasenko1y Peter Bruggeman2
1 Instituto de Física, Minsk, Bielorrusia
2 Universidad de Minnesota, Minneapolis, Estados Unidos de América
Estado
El desarrollo de enfoques novedosos para excitar y generar descargas de plasma ha sido motivado por las necesidades únicas de la cantidad cada vez mayor de áreas de aplicación que aborda la tecnología de plasma. A menudo se requieren nuevos enfoques de generación de plasma para generar plasmas en medios densos que incluyen gases o líquidos a alta presión y generación pulsada de plasmas por campos eléctricos ultra altos con duraciones tan pequeñas como cientos de picosegundos.3,4].
En los últimos años, se han propuesto varios enfoques combinados de láser de descarga para la fabricación de nanomateriales compuestos con parámetros específicos, como nanoestructuras híbridas, dopadas y aleadas.5]. La mayoría de los enfoques se basan en la generación de descargas en y en contacto con líquidos (consulte la sección3) así como plasmas inducidos por láser en líquidos [6]. Otro buen ejemplo de una innovación de fuente de plasma basada en un nuevo concepto teórico es la fuente de matriz de acoplamiento inductivo (INCA) de baja presión, como se muestra en la figura1, donde el calentamiento de electrones sin colisión es habilitado por campos de vórtice estructurados periódicamente, que producen ciertas resonancias de electrones en el espacio de velocidad [7]. Una ventaja clave de la fuente es que la matriz se puede ampliar a dimensiones arbitrarias manteniendo sus características eléctricas.
A pesar de que las fuentes de plasma de baja presión se están desarrollando para el procesamiento de semiconductores durante décadas y los microplasmas de presión atmosférica se convirtieron en la piedra angular del campo de investigación de LTP, sigue habiendo desarrollos innovadores en la excitación de plasma con el objetivo de controlar la reacción. generación de especies a través de modulación de pulsos y técnicas de adaptación de formas de onda [8]. Se están realizando esfuerzos continuos para optimizar la excitación y las fuentes de plasma para una variedad de aplicaciones, incluido el diseño de fuentes de propulsión para propulsión eléctrica [9], química del plasma para la fijación de nitrógeno [10], reactores de descarga superficial para el tratamiento eficiente del agua [11], descargas de arco deslizante (GA) con innovadoras configuraciones de electrodos para la conversión de CO2 [12], una nueva fuente de plasma pin-hole en líquido para la producción de especies químicamente activas [13], o descargas luminiscentes a presión atmosférica (APGD) para la inactivación de microorganismos [14]. Además del diseño de la fuente de plasma motivado por las aplicaciones, los nuevos enfoques de generación de plasma también han sido motivados por la física fundamental del plasma. Ha habido, por ejemplo, un progreso sustancial en los experimentos de plasma polvoriento magnetizado (MDPX) con el objetivo de comprender el impacto del campo magnético en el acoplamiento entre el plasma y las partículas de polvo cargadas, que es de importancia crítica en la física espacial pero también
plasmas de laboratorio [15] (ver también la sección4). En la figura se muestra un resumen de los diferentes enfoques de generación de plasma.2.
Desafíos actuales y futuros
A pesar del interés particular desde una perspectiva de aplicación en una amplia gama de fuentes de plasma, las propiedades a menudo únicas de la mayor variedad de fuentes de plasma llevan a muchas preguntas interesantes sin resolver. Por ejemplo, quedan por explorar muchos mecanismos subyacentes a los procesos de descomposición y formación de plasma en una composición de gas molecular compleja o incluso en un entorno multifásico, especialmente con enfoques de excitación novedosos. Muchos procesos a presión atmosférica o en medios densos ocurren en escalas de tiempo de subnanosegundos a microsegundos, lo que hace que el control del proceso de descomposición y los parámetros de plasma resultantes sea una tarea extremadamente compleja.
Nuestra comprensión de los procesos iniciales de ionización en medios densos sigue siendo incompleta y no tenemos suficientes datos de la sección transversal de colisión para describir el proceso de ruptura o el proceso podría no estar completamente descrito por los criterios de ruptura convencionales de Paschen o Meek.
Estudios recientes explicadosla capacidad de crear una ionización casi completa en escalas de tiempo de nanosegundos en plasmas pulsados de nanosegundos
[dieciséis] y el calentamiento ultrarrápido de gas en el aire, pero muchos aspectos de tales procesos siguen sin estar claros, particularmente en mezclas de gases más complejas y medios densos. La formación y propagación de los cables sísmicos se ha estudiado durante décadas, pero su naturaleza a menudo aleatoria sigue siendo un desafío excepcional para los estudios experimentales y muchos esfuerzos se han centrado recientemente en el desarrollo de fuentes de plasma que permiten la producción de cables sísmicos guiados en chorros de plasma o cables sísmicos múltiples inteligentes. experimentos que permiten la estabilización de un solo streamer [17]. Sin embargo, nuestra comprensión de las ondas de ionización de superficie (SIW) y las descargas de serpentinas en superficies dieléctricas apenas está surgiendo. La fuerte interacción con las superficies puede conducir a un comportamiento de autoorganización, muy probablemente como resultado de los efectos de memoria asociados con los patrones de carga de la superficie o las interacciones entre serpentinas. El control de dicho comportamiento para permitir un tratamiento superficial homogéneo o aprovechar las ventajas de los patrones autoorganizados para tratamientos no homogéneos deliberados sigue estando fuera del alcance. Este comportamiento de autoorganización y las inestabilidades del plasma a presiones elevadas también generan desafíos para el aumento de escala de la fuente de plasma a presión atmosférica, como se requiere para muchas aplicaciones emergentes.
Diferentes enfoques de generación de plasma conducen a una gama igualmente amplia de condiciones de reacción química y productos que se pueden formar incluso si la descarga se inicia en el mismo entorno líquido/gas. Si bien está bien establecido que las reacciones de plasma deseadas pueden iniciarse canalizando la energía de los electrones hacia las excitaciones deseadas que pueden verse favorecidas por la aplicación de enfoques de excitación de descarga específicos, las capacidades predictivas disponibles actualmente no pueden optimizar las aplicaciones de plasma. Muchas aplicaciones requieren propiedades únicas de excitación de plasma con altas demandas de fuentes de alimentación. Una traducción más fluida de la investigación en el laboratorio a la industria planteó una demanda significativa de fuentes de plasma desde una perspectiva de portabilidad, capacidad de ampliación, eficiencia energética y confiabilidad.
Avances en ciencia y tecnología para enfrentar los desafíos
El mayor desarrollo de fuentes de plasma estabilizadas que permitan la formación de plasma reproducible en el espacio y el tiempo mejoraría significativamente la capacidad para el mapeo detallado de la evolución temporal y espacial de la generación de plasma. Para estudiar el inicio, la propagación y la dinámica de las serpentinas en el volumen o a lo largo de las superficies dieléctricas, se puede aplicar su guía por una débil preionización inducida por láser. Tanto las mediciones eléctricas como las ópticas con una resolución temporal de ns o incluso sub-ns se pueden aplicar para deducir una amplia gama de parámetros de plasma relevantes. El mayor desarrollo
y una implementación más generalizada de códigos de plasma tridimensionales podría ser útil para modelar la generación de plasmas filamentosos y la autoorganización.
Para enfrentar los desafíos relacionados con el logro de las condiciones de procesamiento de plasma deseadas para aplicaciones específicas, es posible que se necesite un control detallado de los parámetros del plasma y se puede lograr mediante la adaptación de la forma de onda de voltaje que requiere modificaciones y avances en los circuitos de suministro y suministro de energía. El umbral de la traducción de tecnologías del laboratorio de investigación a la industria posiblemente se puede reducir para los plasmas de baja presión mediante un enfoque continuo en el desarrollo de fuentes de alimentación compatibles con los equipos industriales existentes, como la exploración para la adaptación de forma de onda de voltaje y la pulverización catódica de magnetrón de impulso de alta potencia (HiPIMS) .17). Todos estos desafíos se beneficiarían del mayor desarrollo de las capacidades de modelado predictivo para superar el enfoque a menudo de prueba y error utilizado para el desarrollo de nuevos enfoques de generación de plasma.
Varias aplicaciones, como la propulsión eléctrica y las aplicaciones médicas, requieren la miniaturización o la portabilidad de las fuentes de plasma. Si bien muchos procesos de material de plasma de baja presión se han ampliado con éxito, la ampliación de las fuentes de plasma a presiones altas para aplicaciones a gran escala se convierte en un factor cada vez más importante y decisivo en el éxito futuro de las nuevas aplicaciones de plasma exploradas hasta la fecha (véanse, por ejemplo, las secciones11–13). Dado que las inestabilidades del plasma imponen limitaciones inherentes a la densidad de potencia y las dimensiones de los plasmas, esto requerirá una fuente de plasma dedicada y un diseño del proceso que permita una fácil paralelización de las fuentes de plasma como se logró con éxito para la excitación de CA utilizada en el tratamiento de corona y los ozonizadores, pero debe extenderse a un gama más amplia de diferentes fuentes de excitación. Dado que la eficiencia energética suele ser un desafío clave para la tecnología de plasma, un acoplamiento eficiente de la energía eléctrica en el plasma es crucial.
Observaciones finales
La continua expansión de las aplicaciones habilitadas por plasma, incluidas las áreas de investigación interdisciplinaria, requiere el desarrollo de enfoques de generación de plasma nuevos y únicos. Sin duda, el diseño de fuentes de plasma seguirá siendo un tema candente en el campo de las tecnologías de plasma en el futuro previsible. Se necesita un esfuerzo significativo para optimizar y extender aún más los enfoques de excitación de plasma mediante estudios detallados de los procesos físicos y químicos, particularmente a alta presión y en/cerca de medios densos. La complejidad y variedad de los procesos que lo acompañan requiere un mayor progreso en las técnicas de diagnóstico, así como en el modelado de plasma.
- Regímenes de plasma extremos
kazuo terashima1y Scott Baalrud2
1 Universidad de Tokio, Chiba, Japón
2 Universidad de Michigan, Ann Arbor, Estados Unidos de América
Estado
Los avances en la ciencia y la tecnología del plasma suelen estar precedidos por la introducción de fuentes que permiten el acceso a nuevos regímenes. Históricamente, las bombas de vacío permitieron a los pioneros de la disciplina crear fuentes de plasma de baja densidad con suministros de energía de CC modestos, lo que condujo al desarrollo de iluminación eficiente y, finalmente, a mejoras espectaculares en el procesamiento de la microelectrónica. El Plasma Roadmap 2017 resumió cómo el desarrollo de plasmas pulsados (con excitación óptica o eléctrica por debajo de 50 ns) y microplasmas (escala de 1 a 1000 µm) ha abierto nuevas áreas de investigación al permitir la generación de plasmas en medios previamente inexplorados, incluidos – Líquidos líquidos, fluidos supercríticos (SCF) y plasmas densos en las interfases.18], incluidas las chispas de alta presión [19], descomposición por láser de gases a alta presión [20], interfaces plasma-líquido [21], y burbujas cavitantes [22], así como mediante el avance de la capacidad de diagnosticar y modelar estos plasmas. Esta investigación ha cambiado el concepto de lo que constituye un ‘plasma’, ampliándolo más allá de la noción tradicional de gas ionizado a estados ionizados de líquidos, SCF y medios multifásicos.
Esta sección se centra en dos direcciones activas para explorar los estados extremos de las LTP (LTP extremas): baja temperatura (plasmas criogénicos desde 300 K hasta unos pocos K) y alta densidad (por encima de la presión atmosférica en la fase gaseosa o producida). de medios condensados) [18]; como se ilustra en la figura3. Ambos ejemplos ilustran cómo las fuentes pulsadas permiten la producción de plasmas en regímenes que tradicionalmente son estados de materia condensada. Aunque se produce la recombinación, la pulsación rápida genera esencialmente un plasma en estado estacionario en condiciones de densidad y temperatura que serían líquidos, sólidos o SCF en equilibrio térmico. La física fundamental de estos plasmas novedosos que no están en equilibrio no se comprende bien y debe avanzarse para explorar sus propiedades potencialmente prometedoras. Al mismo tiempo, estos novedosos plasmas se están aplicando a procesos industriales, como el grabado [18], procesamiento de materiales [18,23], y síntesis química [18] con aplicaciones en biotecnología y medicina. También se espera que se aplique como un nuevo simulador de entorno espacial fronterizo, como el de los planetas de hielo en el sistema solar exterior [24].
Desafíos actuales y futuros
Los extremos de baja temperatura y alta densidad plantean nuevos desafíos en el diagnóstico y el modelado (ver también las secciones17–21). Uno de los mayores desafíos experimentales actuales es que los tamaños de estos plasmas extremos son muy pequeños, típicamente
a microespacios (<1 mm) (microplasma) y nanoespacios (<1 µm) (nanoplasma). Por lo tanto, se requiere una resolución espacial mejorada para el diagnóstico de plasma. Además, los daños a los reactores y paredes causados por estos plasmas y las impurezas causadas por ellos son problemas serios. Estos problemas actuales seguirán siendo graves también en el futuro.
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Un desafío esencial en el modelado es que la interacciónciones entre algunas especies (particularmente iones) están fuertemente correlacionadas. La fuerza de las correlaciones se puede estimar a partir del parámetro de fuerza de acoplamiento, Γαβ = ϕαβ (aαβ) /kBT, donde ϕαβ (aαβ) es el potencial de interacción evaluado a la distancia promedio entre las partículas de las especies α y β. Las interacciones están fuertemente correlacionadas cuando Γαβ > 1; los líquidos se caracterizan típicamente por parámetros de acoplamiento en los 10 s y los sólidos en los 100 s. La teoría del plasma, el modelado y las técnicas experimentales se han desarrollado en gran medida desde la perspectiva de que los plasmas están débilmente correlacionados. Por ejemplo, las ecuaciones cinéticas y de fluidos comunes (como la ecuación de Boltzmann) se basan en el parámetro de expansión: Γαβ 1. Tales métodos son la base para los modelos de transporte y cómo interpretamos muchas medidas de diagnóstico.
Se han realizado avances en plasmas fuertemente acoplados fuera del campo LTP tradicional, principalmente en el contexto de plasmas densos que surgen en la fusión por confinamiento inercial, o en plasmas ultrafríos y no neutros.25]. Aunque algunos de estos desarrollos se pueden aplicar a LTP extremos, también existen diferencias importantes que limitan la conexión. Cuando se encuentra un fuerte acoplamiento de iones en contextos de fusión, los electrones suelen estar en un estado degenerado de Fermi. Otra distinción importante es el papel destacado de los neutrales en los LTP extremos. Por ejemplo, un trabajo reciente de Hagelaar et al [26] ha demostrado que las colisiones electrón-electrón en plasmas por encima de la presión atmosférica están significativamente influenciadas por la presencia de neutros. También se esperaría que la misma física influya en las colisiones de iones a iones cuando el camino libre medio neutral de iones es menor que aproximadamente una longitud de Debye; ver figura4. Esto define un fuerte régimen de acoplamiento de carga neutra donde las interacciones de partículas de carga son alteradas por neutrales.
Avances en ciencia y tecnología para enfrentar los desafíos
Como se mencionó en la sección anterior, en general, estos nuevos plasmas extremos tienen (a) un tamaño muy pequeño del campo de reacción del plasma, (b) la mayoría de los plasmas son plasmas pulsados, que son fenómenos transitorios en el tiempo, y ( c) la densidad de energía del plasma suele ser grande. Como resultado, las aplicaciones de diagnóstico de plasma y procesos de plasma enfrentan dificultades significativas en el presente y el futuro. Para resolver el problema (a), se espera la integración a gran escala de pequeños plasmas. A través del desarrollo de
televisores de plasma, ya hemos adquirido suficiente experiencia en la tecnología de integración a gran escala de plasmas, y se esperan desarrollos futuros. En cuanto a los problemas (a) y (b), se espera una mejora de la resolución espacial y temporal de varios métodos de diagnóstico de plasma, especialmente métodos espectroscópicos, y se están realizando esfuerzos constantes.
Ademas
para el problema (c), se desea el desarrollo de aleaciones y materiales cerámicos con alta resistencia al daño por plasma. Además, también se desean ideas para la selección de nuevos materiales, como el uso de materiales superconductores como materiales de electrodos.
Debido a la dificultad del acceso al diagnóstico, es probable que el modelado sea especialmente importante para el progreso. Aunque la física microscópica, como las interacciones, se puede modelar
mediante la adaptación de las técnicas de dinámica molecular (DM) utilizadas en química analítica y plasmas densos, el modelado a escala macroscópica de experimentos requerirá avances significativos en métodos numéricos y teoría cinética. Las técnicas de partículas en celda (PIC) son quizás el método más común utilizado en las LTP. Estos resuelven una ecuación de Boltzmann que se aplica solo cuando el plasma está débilmente acoplado, y los métodos numéricos hacen suposiciones, como asignar grandes pesos de macropartículas y establecer la resolución espacial a una longitud de Debye, que también solo se aplican en acoplamiento débil. Las simulaciones a escala macroscópica se pueden lograr combinando aspectos de MD y PIC en un formato híbrido. Alternativamente, los avances en la teoría del plasma están proporcionando ecuaciones cinéticas precisas que pueden modelar una fuerte correlación física relevante para los estados LTP extremos.27,28]. Pueden surgir nuevos enfoques para las simulaciones cinéticas si se pueden desarrollar algoritmos eficientes para resolver numéricamente estas ecuaciones. También es importante tener en cuenta que los estados LTP extremos interactúan fuertemente con los límites [29,30], y que la fotoionización y el transporte de radiación pueden ser significativos [31,32]. Contabilizarlos proporciona más desafíos para la teoría y las simulaciones.
Observaciones finales Los plasmas generados en extremos de baja temperatura o alta densidad representan estados fundamentalmente nuevos que exhiben propiedades físicas novedosas que pueden utilizarse en aplicaciones. Este campo de investigación se encuentra actualmente en una etapa exploratoria temprana, pero ya está generando aplicaciones beneficiosas en la síntesis y el procesamiento de materiales. Se requerirán avances en la ciencia fundamental y el modelado para aprovechar todo el potencial de este campo de investigación en desarrollo.
fuente: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/ac5e1c
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