Att dela de kemiska bindningarna i CO₂ molekyler behövs värme. Ett sätt att få denna värme är från plasma, och det har länge varit känt att plasma effektivt kan dela upp CO₂ , tack vare 40 år gammal forskning från Sovjetunionen.

"Frågor med klimatet och växthusgaser har lett till den här gamla forskningen [som har] utforskats av många forskare", säger Alex van de Steeg, forskare i gruppen Elementary Processes in Gas Discharges på institutionen för tillämpad fysik.

Även om den gamla forskningen har satt sin prägel på forskare, har den också förvirrat dem. "Det har varit svårt att återskapa tidigare resultat", konstaterar Van de Steeg. "Till exempel nya experiment med CO₂ plasma har visat att högre temperaturer behövs, över 3000 kelvin (K) faktiskt. Men den gamla forskningen tyder på att klyvning kan ske vid lägre temperaturer."

Motivation för nya metoder

Oenighet mellan tidigare resultat och de senaste försöken att replikera dem visade sig vara en stor motivation för Van de Steegs forskning, som han utförde på DIFFER under ledning av Gerard van Rooij och Richard van de Sanden och i samarbete med Maastricht University och Shell.

"För att få en bättre förståelse för hur CO₂ dissocierar eller delar sig i ett plasma, utvecklade vi nya sätt att studera CO₂ plasma som genereras i en mikrovågsugn med hjälp av så kallad laserspridningsdiagnostik", säger Van de Steeg. "Detta innebär att fokusera en intensiv laserstråle in i plasman och sedan mäta det spridda ljuset. På så sätt kan vi samla in tid och rumslig information om plasmans temperatur och sammansättning."

Mätningar av CO₂ plasma gav information om de kemiska och fysikaliska processer som sker under splittringen av molekylerna. Utöver det fick forskarna en ny uppskattning för de extrema förhållandena i CO₂ plasma. "Plasmatemperaturen överstiger 6000 K, vilket är varmare än solens yta", konstaterar Van de Steeg.

Att undersöka plasman hjälpte också Van de Steeg och forskarna att skapa en karta över plasman, som de sedan kombinerade med en numerisk modell. "Detta hjälpte oss att identifiera reaktionshastigheter och molekylerna som är involverade i dessa reaktioner i olika delar av plasman, och det visade att kemisk reaktivitet är beroende av mycket höga temperaturer, vilket motsäger tidigare resultat. Innan vi inte hade denna information, så att ha denna information är viktigt."

Reaktioner räknas

Dessutom avslöjade Van de Steegs forskning de kemiska reaktioner som producerade mest CO, vilket naturligtvis skulle öka potentialen att producera mer bränsle efteråt.

"Två reaktioner leder till nästan all splittring:kollisioner av CO₂ molekyler med andra molekyler i plasman, och aggregationen av O och CO₂ (känd som association) som så småningom leder till CO och O₂ ," säger Van de Steeg.

Och det är den andra av dessa reaktioner som kan leda till en ökad (eller större) energieffektivitet för termisk CO₂ reaktorer. "Maximal effektivitet utan O-CO₂ association ligger strax över 50 %, vilket ökar till 70 % när de räknas in. Och detta är nära de effektivitetsvinster som uppnåddes i experiment för 40 år sedan."

En sak att notera är att det krävs mycket energi för att initiera plasmareaktionerna, men denna energi kan vara mer än balanserad tack vare potentialen att använda CO-molekylerna för att göra hållbara bränslen. "Så istället för att ta olja från brunnar för att producera fossila bränslen kan vi tillverka bränslen med CO₂ redan i atmosfären från förbränning av bränslen tidigare. Det är en sorts cirkulär process."

Framtida bränslen

Van de Steegs forskning visar att hög energieffektivitet av CO₂ splittring är inom räckhåll, och han är mycket optimistisk om vart dessa fynd kan ta vägen. "Med dessa fynd och noggrann reaktordesign är hög energieffektivitet inom räckhåll, vilket innebär att plasmasplittringsmetoder kan vara en attraktiv teknik för energiomställningen."

Och det som gör det ännu mer attraktivt är tillgången på storskalig mikrovågsstrålningsutrustning som kan användas för att dela upp CO₂ med användning av plasma. Med massor av CO₂ i atmosfären och tekniken på plats verkar det som om det bara är en tidsfråga innan forskning som den från Van de Steeg hjälper till att etablera reaktorer för att producera framtida bränslen från CO₂ .