КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 22-72-00073
НазваниеФиксация атмосферного азота в неравновесном разряде, поддерживаемом непрерывным излучением источников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн
Руководитель Синцов Сергей Владиславович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл
Конкурс №70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-502 - Физика низкотемпературной плазмы
Ключевые слова СВЧ разряд, гиротрон, микроволновое излучение, субтерагерцовое излучение, неравновесная плазма, плазмохимия, фиксация азота, процесс Биркеланда-Эйде
Код ГРНТИ29.27.51
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Актуальность данного проекта напрямую связана с современными промышленными плазмохимическими технологиями. Сегодня перспективными задачами являются разложение летучих соединений галогенидов в циклах изотопного обогащения, разработка высокоэффективных газоразрядных источников озона и монооксида азота, фиксация атмосферного азота с целью получения синтетических азотных удобрений, разложение углекислого газа и метана с целью получения водородосодержащих энергоносителей и другие. В настоящее время стоит проблема разработки высокомощных источников плазмы атмосферного давления, имеющих неравновесное распределение температурных характеристик. Именно в неравновесных разрядах, где температура электронов в несколько раз превышает температуру газа, возможен селективный вклад энергии в процессы разложения высокостабильных молекулярных соединений и, как следствие, увеличение производительности плазмохимического синтеза [1]. Учитывая требования на производительность в промышленных масштабах, такие процессы должны проводится при атмосферном давлении и при использовании мощных источников электромагнитного нагрева. Однако при атмосферном давлении в таких разрядах имеет место выравнивание температурных характеристик, при этом температура электронов не сильно превышает температуру газа, которая составляет 5000 - 10000 К. Производительность и конверсия целевого продукта фиксированы и определяются термодинамическим балансом плазменных компонент.
Сегодня одним из наиболее перспективных путей решения проблемы эффективного разложения высокостабильных молекулярных соединений является использование неравновесной плазмы СВЧ разряда, где доминирующим каналом возбуждения и разрушения молекул является электронный удар. Однако на практике при использовании популярных источников СВЧ излучения сантиметрового диапазона длин волн - магнетронов, поддерживать неравновесный разряд удается только при низких давлениях, что ограничивает их промышленное применение. Исследования показали, что существенной неравновесности в СВЧ разряде при повышенном давлении возможно добиться при увеличении частоты греющего поля, то есть при переходе к источникам микроволнового излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн [2-5]. Возможность проводить исследования субтерагерцовых разрядов появилась сравнительно недавно, что связано с разработкой мощных и надежных источников субмиллиметрового излучения - гиротронов.
Проект посвящен разработке "зеленого" способа фиксации атмосферного азота в неравновесном плазменном факеле, поддерживаемом непрерывным излучением источников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн при атмосферном давлении. Идея заключается в реализации процесса Биркеланда-Эйде с целью получения оксидов азота (NOx) из атмосферного воздуха, которые в свою очередь могут быть использованы для производства азотной кислоты - основного компонента синтетических удобрений. На примере модельной задачи фиксации атмосферного азота планируется продемонстрировать эффективность исследуемых типов микроволновых разрядов, что позволит расширить в будущем круг решаемых в них задач. В рамках данного проекта будет проведено исследование механизмов синтеза оксидов азота в неравновесном атмосферном разряде в потоке газа, поддерживаемом непрерывным излучением источников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Будет проведено исследование механизмов формирования неравновесного разряда в потоке газа, поддерживаемого непрерывным мощным излучением гиротронов с частотами излучения 24 ГГц и 263 ГГц при атмосферном давлении. В прошлых работах было показано, что данный тип разряда при атмосферном давлении имеет существенно неравновесное распределение температурных характеристик, при этом температура электронов более чем на порядок превышает температуру газа [2-6]. Благодаря этому, исследуемый тип газового разряда может быть применен для решения широкого спектра промышленных задач неравновесной плазмохимии.
Использование источников мощного миллиметрового и субмиллиметрового излучения для нагрева разряда в потоке газа при атмосферном давлении - является новым и перспективным направлением, получившим свое развитие сравнительно недавно [2-6]. Применение традиционных источников нагрева плазмы, например, сантиметровым излучением магнетрона (частота 2.4 ГГц) или индукционный нагрев в радиочастотном диапазоне не позволяют создать существенно неравновесного распределения температурных характеристик при атмосферном и субатмосферном давлениях из-за высокой частоты столкновений компонент. Использование миллиметрового и субмиллиметрового излучения для нагрева плазмы в потоке газа при атмосферном давлении обуславливает ряд важных физических эффектов, позволяющих выйти за рамки термодинамического баланса между компонентами плазмы. В первую очередь речь идет о инициировании локализованных областей разряда с развитой ионизационно-перегревной неустойчивостью [6]. Динамический турбулентный вынос возбужденного газа из таких областей в окружающий их плазменный ореол с последующим СВЧ нагревом обуславливают эффективное неравновесное распределение температурных характеристик плазмы. В рамках данного проекта будут изучены механизмы возбуждения плазмы в ореоле, диагностическими методами будут проведены модифицированные оценки параметров плазмы. Будут проведены оценки ролей механизмов, обеспечивающих существенно неравновесное распределение температурных характеристик разряда.
[1] Sean Kelly, Annemie Bogaerts, (2021), "Nitrogen fixation in an electrode-free microwave plasma", Joule, 10.1016/j.joule.2021.09.009.
[2] Sergey Sintsov, Kuniyoshi Tabata, Dmitry Mansfeld, Alexander Vodopyanov, Kimiya Komurasaki (2020) Optical emission spectroscopy of non-equilibrium microwave plasma torch sustained by focused radiation of gyrotron at 24 GHz, Journal of Physics D Applied Physics, DOI: 10.1088/1361-6463/ab8999
[3] Sintsov, S., Vodopyanov, A., & Mansfeld, D. (2019). Measurement of electron temperature in a non-equilibrium discharge of atmospheric pressure supported by focused microwave radiation from a 24 GHz gyrotron. AIP Advances, 9(10), 1–8. https://doi.org/10.1063/1.5115326
[4] S.V. Sintsov, A.V. Vodopyanov, M.E. Viktorov, M. V. Morozkin, M. Yu. Glyavin (2020) Non-equilibrium Atmospheric-Pressure Plasma Torch Sustained in a Quasi-optical Beam of Subterahertz Radiation, Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves https://doi.org/10.1007/s10762-020-00694-2
[5] D. Mansfeld, S. Sintsov, N. Chekmarev and A. Vodopyanov (2020) Conversion of carbon dioxide in microwave plasma torch sustained by gyrotron radiation at frequency of 24 GHz at atmospheric pressure, Journal of CO2 Utilization, 40, DOI: 10.1016/j.jcou.2020.101197.
[6] Синцов С.В. Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук. 2020. https://ipfran.ru/files/293/2020-sintsov-diss.pdf
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ