Pulsed power technologie voor het ideale plasma (EMVT02203)

Titel:

Pulsed power technologie voor het ideale plasma (EMVT02203)

Plasma’s, opgewekt door hoogspanningspulsen, kunnen voor vele toepassingen worden gebruikt. Onderzoekers van de TU Eindhoven zoeken naar de ideale hoogspanningspuls die het ideale plasma opwekt.

Hoogspanningspulsen kunnen een plasma, een geïoniseerd gas, opwekken. In het plasma worden moleculen geïoniseerd en vrije elektronen kunnen ervoor zorgen dat er reacties of processen in het plasma plaatsvinden. Zo wordt in het plasma dat bij bliksem ontstaat, ozon gevormd. Maar bliksem is geen bruikbaar instrument om processen mee uit te voeren. Daarom wordt dit proces nagebootst in een reactor. De vakgroep Electrical Power Systems van de Faculteit Elektrotechniek aan de TU Eindhoven richt zich op het verkrijgen van een ideaal plasma met behulp van pulsed power.

Een plasma in een reactor kan worden verkregen door een geladen draad tussen twee geaarde elektrodes te plaatsen en daarop hoogspanningspulsen te geven. De eigenschappen van de hoogspanningspulsen hebben gevolgen voor de karakteristieken van het plasma. Als steile pulsen met een hoge spanningsamplitude worden gegeven, ontstaan snelle, energierijke elektronen. Pulsen met een lage amplitude geven een plasma met vooral een thermisch karakter. Door deze modi te combineren kan de temperatuur van het plasma worden geregeld. Een promovendus van de TU Eindhoven onderzoekt de relaties tussen de eigenschappen van de hoogspanningspulsen en het plasma, en het effect hiervan op processen en reacties. ‘In het EMVT-onderzoek proberen we de ideale hoogspanningspuls te vinden die voor een bepaald proces een ideaal plasma geeft en hoe je die ideale hoogspanningspuls maakt’, vertelt begeleider Guus Pemen.

Efficiency
Belangrijkste drijfveer van het onderzoek is de verbetering van energie-efficiency. ‘We gebruiken hiervoor biogasreiniging als voorbeeld. Biogas dat ontstaat door hout te vergassen kan niet direct worden gebruikt, doordat stoffen als teer aanwezig zijn. Met behulp van pulsed power kan dit uit biogas worden verwijderd. De verwachting is dat we tientallen procenten kunnen winnen op de energie-efficiency.’ De energie-overdracht bij de vorming van het plasma is ver geoptimaliseerd.‘Ongeveer negentig procent van de energie uit het stopcontact wordt omgezet in ontlading.’ Verder is gebleken dat de energiedichtheid van het plasma veel invloed heeft op de reactie. ‘De energiedichtheid van het plasma wordt geregeld door de herhalingsfrequentie van de pulsen. Als er minder gas door de reactor stroomt, kan de pulsfrequentie worden verlaagd. Ook is gebleken dat de meest efficiënte pulsen een hoge amplitude hebben en een korte pulsduur van slechts enkele nanosecondes.’ Ook de temperatuur in de reactor is van grote invloed. ‘We onderzoeken nu het effect van temperatuur op de chemie. Als de ontlading diffuser is, een gevolg van een hogere temperatuur in de reactor, dan gaat de reactie efficiënter, omdat er meer radicalen voor de reactie over zijn.’

Schakelaars
Een deel van het onderzoek richt zich op het synchroniseren van gecombineerde pulsbronnen, op de
nanoseconde nauwkeurig. ‘Tot nu toe was het kritieke deel de schakelaar. Bij grote vermogens sneuvelde de standaard vonkbrugschakelaar na een korte levensduur. In samenwerking met het IOFFE instituut in Sint Petersburg zijn speciale schakelaars op basis van halfgeleiders ontwikkeld. Daarmee kunnen vermogens in de range van gigawatt tot terawatt per puls worden geschakeld. Iedere schakelaar moet een evenredig deel genereren, de belasting moet in de tijd worden verdeeld. Hiervoor wordt een transmissielijntransformator ontwikkeld, die zorgt voor de synchronisatie en balancering van de stroom. De schakelaars zijn onderling gekoppeld door transmissielijnen. Door de mogelijkheid van spannings- en stroomtransformatie kan een zeer flexibel circuit worden gevormd.We kunnen nu vier schakelaars synchroniseren zodat ze binnen een nanoseconde ieder een puls van vijf joule per puls geven. Nu willen we de snelheid nog verder optimaliseren om pulsen met een zo kort mogelijke pulsduur te genereren. Ook proberen we de energie-inhoud van de pulsen te verhogen tot honderd joule per puls.’

Seismic imaging
Een succesvolle applicatie van pulsed power technologie, is ontwikkeld in samenwerking met het bedrijf GeoResources. Zij passen de technologie toe bij seismic

imaging van diepe zeebodems. Hiertoe is een hoogvermogen akoestische pulsbron ontwikkeld. Het apparaat bestaat uit een raster (array) van puntjes waarop gepulste hoogspanning wordt gezet. Hierdoor ontstaan plasmabelletjes. Als die imploderen ontstaat er een akoestische golf, waarmee een diepteprofiel van de bodem kan worden bepaald. De pulsen hebben een spanning van 6 kV, bij een stroom van 40 kA en een energie-intensiteit van 15 kilojoule per puls. Er wordt één puls per seconde gegeven. Het apparaat kan voor verschillende doeleinden worden gebruikt. Te denken valt aan het zoeken naar grondstoffen, maar ook een toepassing in de bewaking van de kust is mogelijk, omdat verplaatsingen van zandmassa’s hiermee kunnen worden gevolgd.

Toepassingen
Pulsed Power Technologie kan op vele terreinen worden toegepast. Voor geurverwijdering, gasconditionering – het verwijderen van vluchtige organische verbindingen, rookgasreiniging – het verwijderen van NOx, SOx en kwik; en het zuiveren van water, worden in samenwerking met bedrijven demonstratieprojecten opgezet. Daarnaast is het erg efficiënt om met de vrijkomende energie in het plasma bacteriën in lucht en vloeistoffen te doden.

Onderzoek naar de productie van nanodeeltjes met behulp van pulsed power bevindt zich nog in de verkennende fase. Een heel andere toepassing is het gebruik van een plasma als lichtbron. Met name het opwekken van energierijk kortgolvig UV-licht is interessant voor de fabricage van chips en halfgeleiders.

Uitvoerders

TU Eindhoven, Faculteit Elektrotechniek,
Electrical Power Systems,
dr. ing. A.J.M. (Guus) Pemen,
AIO’s: Hans Winands, Zhen Liu

Onderzoeksperiode

juni 2002-juni 2006