Fysiker vid Ruhr-Universität Bochum (RUB) har tagit spektakulära bilder som gör att antändningsprocessen av plasma under vatten kan ses och spåras i realtid. Dr Katharina Grosse har försett de första datamängderna med ultrahög tidsupplösning, stödjer en ny hypotes om antändning av dessa plasma:Inom nanosekundområdet, det finns inte tillräckligt med tid för att bilda en gasmiljö. Elektroner som genereras av fälteffekter leder till utbredning av plasma. Nanosekundsplasman antänds direkt i vätskan, oberoende av spänningens polaritet. Rapporten från Collaborative Research Center 1316 "Transient Atmospheric Pressure Plasmas:from Plasma to Liquids to Solids" har publicerats i Journal of Applied Physics och Rubin, RUB:s vetenskapstidning.

Gör plasmautveckling synlig

För att analysera hur plasma antänds under korta tidsperioder och hur denna antändning fungerar i vätskan, fysikern Grosse applicerar en högspänning i tio nanosekunder på en hårtunn elektrod nedsänkt i vatten. Det starka elektriska fältet som sålunda genereras får plasman att antändas. Genom att använda höghastighetsoptisk spektroskopi i kombination med modellering av vätskedynamiken, den Bochum-baserade forskaren kan förutsäga kraften, tryck och temperatur i dessa undervattensplasma. Hon belyser alltså antändningsprocessen och plasmautvecklingen i nanosekundområdet

Enligt hennes iakttagelser, förhållandena i vattnet är extrema vid antändningstillfället. Under en kort tid, tryck på många tusen bar skapas, som motsvarar eller till och med överstiger trycket på den djupaste punkten i Stilla havet, samt temperaturer på många tusen grader liknande solens yttemperatur.

Tunneleffekter under vatten

Mätningarna utmanar den rådande teorin. Än så länge, det har antagits att en hög undertrycksskillnad bildas vid spetsen av elektroden, vilket leder till bildandet av mycket små sprickor i vätskan med expansioner inom nanometerintervallet, där plasman sedan kan spridas. "Det antogs att en elektronlavin bildas i sprickorna under vatten, gör antändning av plasma möjlig, säger Achim von Keudell, som innehar ordförandeskapet för experimentell fysik II. Dock, bilderna tagna av det Bochum-baserade forskarteamet tyder på att plasman "antändes lokalt i vätskan, " förklarar Grosse.

I hennes försök att förklara detta fenomen, fysikern använder den kvantmekaniska tunneleffekten. Detta beskriver det faktum att partiklar kan passera en energibarriär som de inte borde kunna passera enligt den konventionella fysikens lagar, eftersom de inte har tillräckligt med energi för att göra det. "Om du tittar på inspelningarna av plasmatändningen, allt tyder på att enskilda elektroner tunnelerar genom vattenmolekylernas energibarriär till elektroden, där de antänder plasman lokalt, exakt där det elektriska fältet är högst, " säger Grosse. Den här teorin har mycket att göra och är föremål för mycket diskussion bland experter.

Vatten delas upp i sina komponenter

Tändningsprocessen under vatten är lika fascinerande som resultaten av den kemiska reaktionen är lovande för praktiska tillämpningar. Emissionsspektra visar att, vid nanosekundspulser, vattenmolekylerna har inte längre möjlighet att kompensera för trycket i plasman. Plasmatändningen bryter ner dem i sina komponenter, nämligen atomärt väte och syre. Den senare reagerar lätt med ytor. Och det är just här den stora potentialen ligger, förklarar fysiker Grosse:"Det frigjorda syret kan potentiellt återoxidera katalytiska ytor i elektrokemiska celler så att de regenereras och återigen fullt ut utvecklar sin katalytiska aktivitet."