Eesti teadlased käisid oktoobri lõpus oma laboris tehtud katseid kontrollimas Taanis suurema reaktoriga.
FOTO: Taani tehnikaülikool

Plasmatehnoloogia säästab energiat ja keskkonda

Teadus

Kuigi plasmat kasutav osonaator (osooni valmistamise seade) leiutati juba ligikaudu 150 aastat tagasi, on keskkonnakaitses alles viimastel aastakümnetel hakatud plasmatehnoloogia rohkeid kasutusvõimalusi otsima ja leidma.

Plasmatehnoloogia kasutusvaldkonnad

Õhu ioniseerimise käigus tekib lisaks plasmale ka kiirgus ja väga palju keemiliselt väga aktiivseid ühendeid. Neid omadusi enamasti tehnoloogilistes rakendustes kasutataksegi.

  • Kiirguse teket kasutatakse väga palju igapäevases valgustuses, näiteks tänavavalgustus-, päevavalgus- ja säästulampides, samuti väga intensiivse valgusega projektorilampides või prožektorites. Samuti kasutatakse plasmat kiirguse allikana plasmateleviisoris.
  • Plasma keemilist aktiivsust on kasutatud juba aastakümneid mikroelektroonika tootmises, aga ka autotööstuses pindade puhastamisel ja aktiveerimisel.
  • Viimasel kümnel aastal on väga intensiivselt uuritud meditsiinis plasma kasutamist haavade steriliseerimiseks, vere hüübimise parandamiseks ja nahahaiguste ravis (sellist plasmat saab ka naha vastu suunata).

Plasma ehk nn aine neljas olek on silmale nähtav ioniseeritud gaas, mis erinevalt tavalisest gaasist juhib elektrit. Üle 99% nähtavast universumist, sealhulgas ka meie Päike, on plasmaolekus, maalähedases ruumis on looduslikest plasmailmingutest tuntumad välk ja virmalised.

Füüsika instituudi gaaslahenduslabori juhataja, dotsent Matti Laan ütles, et laiemalt teadaolevatest plasmaseadeldistest tasub eelkõige mainida elektrikeevitust ja fluorestsentslampe.

«Kuigi mõlemal juhul on tegemist plasmatehnoloogiaga, on lõppeesmärgid oluliselt erinevad: metallide sulatamiseks kulutatakse keevituse puhul plasmasse sisestatav elektrienergia kõrge temperatuuri saavutamiseks, samas kui fluorestsentslampide plasma temperatuur on madal ja kogu energia püütakse suunata valguse tekitamiseks,» selgitas Laan.

Keskkonnakaitseliste plasmatehnoloogia rakenduste hulk on viimastel aastakümnenditel hüppeliselt suurenenud seoses lahendamist vajavate keskkonnaprobleemide aktualiseerumisega.

Plasmatehnoloogia vanemteadur Indrek Jõgi rääkis, et hoolimata praeguseks juba välja töötatud lahendustest elektrifiltrites ja osooni tootmisel on teadlikkus plasmatehnoloogia kasutusvõimalustest väike. «Kuna kasutajaid on veel suhteliselt vähe, on vaja näidata, et tehnoloogia tõesti töötab ja võimaldab keskkonnakulusid kokku hoida,» ütles Jõgi.

Teaduri kinnitusel on nüüd täiendavalt leitud, et õhus leiduvatest ohtlikest saasteainetest ja ebameeldivatest lõhnadest vabanemiseks võivad plasmal põhinevad tehnoloogiad olla traditsioonilistest tehnoloogiatest efektiivsemad. Selliste probleemidega puututakse palju kokku näiteks keemiatööstuses, veepuhastusjaamades, puidutööstuses, katlamajades ja mujal.

Plasma «kaotab» kahjulikke ühendeid

«Viimastel aastatel on kasutust leidmas ka mõte, et prügi põletamise asemel, kus tekib palju mürgiseid aineid, võiks seda plasmaga töödelda,» tõi Jõgi näiteks. Sellisel juhul tekib kergematest orgaanilistest ühenditest nn sünteetiline gaas, mida saab kasutada energia tootmiseks, raskematest anorgaanilistest ühenditest aga moodustub jahtudes keraamiline materjal, mida saab kasutada näiteks tee-ehitusel.

Tehnoloogilistel eesmärkidel tekitatakse plasma reaktorites, kus tasapinnaliste või silindriliste elektroodide vahele on rakendatud kõrgepinge. Atmosfäärilähedastel rõhkudel eksisteerib plasma tavaliselt sädelahenduse ehk miniatuursete välkude kujul. Sellises plasmakeskkonnas toimub nii gaasikeskkonnas olevate ühendite lagunemine kui ka uute ühendite teke.

«Näitena võib tuua atomaarse hapniku tekke. Õhus on hapnik tavaliselt molekulidena, plasma lagundab need atomaarseks hapnikuks. Selle ühinemisel hapniku molekuliga tekib osoon, veeauru olemasolul tekib lisaks ka hüdroksüüli radikaal. Need ained lagundavadki ohtlikke jäätmeid,» selgitas Jõgi. Selliselt aktiviseeritud gaas võimaldab kahjulikke ühendeid millisekunditega nii-öelda kaotada.

Mõnes mõttes on see tehnoloogia loodusprotsesside kiirem variant. Kui umbes 15-55 kilomeetri kõrgusel osoonikihis lagundavad osoonimolekulid päikesekiirguse mõjul kahjulikke ühendeid, siis saab plasma abil seda protsessi kontsentreerida ja kiirendada täpselt seal, kus vaja.

«Kuna osooni suured kogused on elusorganismidele ohtlikud, sisaldavad plasmatehnoloogial töötavad seadmed tihti ka katalüsaatorit, mis hävitab üleliigse osooni ja muud ühendid,» rääkis Jõgi.

Hoiab kokku energiat, aega ja raha

Võrreldes heitgaaside käsitlemise teiste meetoditega on plasmatehnoloogia üheks eeliseks ka väiksem energiakulu. Plasma tekitamiseks on küll elektrienergiat vaja, kuid seda üsna väikeses koguses. Kui heitgaaside tavalisel kuumutamisel tuleb olenemata kahjuliku aine osakaalust töödeldav õhk täpselt sama energiakuluga kuumaks ajada, et see hävitada, siis plasma puhul saab energiat reguleerida. Väiksema kahjulike ühendite sisaldusega töödeldav õhk tähendab ka väiksemat energiakulu.

Näiteks ebameeldivate lõhnade eemaldamisel kasutatakse saasteainetest vabanemiseks sageli nn pesemist, kus kahjulikud ained jäävad vette. See aga tähendab, et ka kasutatud vesi ise tuleb hiljem puhastada.

Kütuste põlemisel tekkivate lämmastik- ja vääveloksiidide töötlemine nõuab tavaliselt eraldi tehnoloogiaid. Plasma tööpõhimõte võimaldab üht süsteemi mõlema ühendi jaoks kasutada, hoides nii kokku energiat ja aega.

Jõgi sõnul on suurtes elektrijaamades võimalik kasutada ka plasmakiire kahurit, mis võimaldab töödelda tunnis sadu tuhandeid kuupmeetreid gaasi. Elektrijaamades tekkivaid lämmastik- ja vääveloksiide töötleks plasma nii, et kui sinna ammoniaaki juurde lisada, oleks ainus tekkiv produkt väetis.

«Sisuliselt tähendaks see seda, et kui ühest otsast tuleb sisse saasteaine ja ammoniaak, siis teisest otsast tuleb välja väetisekott, mille saab maha müüa,» tõi Jõgi näiteks. Nii oleks võimalik mitte ainult raha puhastamisele kulutada, vaid ka seda mingil määral tagasi teenida.

Kohti, kus seda süsteemi kasutatakse, on maailmas veel üsna vähe. Seepärast on ka ettevõtjad ettevaatlikud, kuna soovivad enne investeeringu tegemist teada, kuidas seade nende ettevõttes töötaks.  Saksamaal ja Poolas valmistatud suurtest plasmaseadmetest on olemas ka mobiilsed variandid, mille energiakulu ja saasteainete eemaldamist testitakse Eestis just TÜ gaaslahenduslabori osalusel.

Kasulik nii firmadele kui ka inimestele

Indrek Jõgi sõnul on Eesti ettevõtete huvi loodussõbralikumate tehnoloogiate kasutamise vastu viimastel aastatel järjest suurenenud. «Kedagi, keda see teema üldse ei huvitaks, ei olegi ma kohanud. Isegi kodutarbija kasutab sellel tehnoloogial põhinevaid seadmeid. Näiteks müüakse masinaid, mis toaõhku kahjulikest ainetest puhastavad ja filtreerivad,» ütles ta.

Praegusel ajal on Euroopa plasmatehnoloogia olulisim ülesanne jõuda suurtootjate ja -tarbijateni. Eestis algavad veel sel aastal katsetused Viru Keemia Grupis, kus tootmisprotsessis tekib suur hulk ohtlikke jäätmeid.

«Kuigi plasmaseadmeid mõistetakse juba üsna hästi, on uurimismaterjali vähemalt lähemaks paarikümneks aastaks küllaga,» rääkis Jõgi. Teadusaparatuuri arenedes saab järjest täpsemat infot, kuidas mingid protsessid toimuvad ning alati tuleb katsetada, kuidas need veel efektiivsemad oleks ja energiat veel vähem kuluks. Samuti on vähe uuritud plasmatehnoloogia koosmõju teiste tehnoloogiatega.


Tartu ülikoolis uuritakse plasmat gaaslahenduslaboris

TÜ gaaslahenduslabor on rohkem kui 40 aasta pikkuse tegutsemise jooksul tegelnud plasma fundamentaal- ja rakendusuuringutega. Praegu osaleb gaaslahenduslabor kahes rahvusvahelises projektis.

Esimese neist on Euroopa Liidu tuumasünteesi uuringute programm EFDA («European Fusion Development Agreement»), mille eesmärk on tuumasünteesi rakendamine elektrienergia tootmiseks. Labor on selles projektis laborite konsortsiumis, mille ülesanne on välja arendada kontaktivaba plasmareaktori seinte monitooringu meetod, mis põhineb laservälkega tekitatud plasma spektri analüüsil. Töö toimub nii koduinstituudi seinte vahel kui ka Hollandi ja Soome teaduskeskustes.

Teine, Läänemerd ümbritsevate Euroopa Liidu maade projekt PlasTEP on mõeldud plasmatehnoloogiate rakendamisele keskkonnakaitses.  Projektil on mitu ülesannet, mille hulka kuulub muu hulgas nii ettevõtete kui ka üldsuse teavitamine plasmatehnoloogia võimalustest.

Gaaslahenduslabori põhiuurimused on seotud keskkonnakahjulike ühendite (lämmastikoksiid, vääveldioksiid jm) eemaldamise või muundamisega plasma ja katalüsaatorite abil. Testitakse väikesemõõtmeliste plasmareaktorite mitmeid variante, kus plasma on kombineeritud erinevate katalüsaatoritega. Selgus, et plasma ja katalüsaatori hübriidreaktor on vaid plasmat kasutavast reaktorist oluliselt efektiivsem. Praegu toimubki meie saadud tulemuste kontroll Taanis märgatavamalt suuremamõõtmelises reaktoris.

Matti Laan
optika ja spektroskoopia dotsent

Merilyn Merisalu

UT peatoimetaja
merilyn.merisalu@ut.ee

Jaga artiklit