«Активированная вода для роста семян». В Сибири научились применять «холодную плазму»

Ученые томского Института сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН) исследуют особый вид электрического разряда, который позволяет формировать так называемую холодную плазму в воздухе с естественным атмосферным давлением, пригодную для активации и обеззараживания воды. Этой водой ученые планируют обрабатывать семена, что повысит их всхожесть. Подробно о проекте «Газете.Ru» рассказал заведующий лабораторией оптических излучений ИСЭ СО РАН Дмитрий Сорокин.

Мне плазмы, и похолоднее!

Минобрнауки выделило 15 млн рублей на создание технологий очистки и активации воды с помощью плазмы высоковольтных импульсных разрядов. В проекте принимают участие Институт сильноточной электроники СО РАН (Томск), Институт электротехники Китайской академии наук, Университет Западного Мыса (ЮАР).

Китайские партнеры хотят получить на выходе устройство для очистки воды от сливов фармацевтических производств, а перед этим ученые из ЮАР вместе с российскими физиками планируют разработать устройство для очистки воды от микросокпических водорослей.

Впрочем, главные действующие лица этого проекта — ученые лаборатории оптических излучений ИСЭ СО РАН.

Для решения задач проекта они хотят использовать ноу-хау — особый тип электрического разряда, при зажигании которого формируется низкотемпературная плазма, в том числе и в обычной воздушной среде.

«Мы планируем использовать для нового устройства короткоимпульсный высоковольтный разряд в условиях сильно неоднородного электрического поля, — рассказал “Газете.Ru” заведующий лабораторией оптических излучений ИСЭ СО РАН Дмитрий Сорокин. — Разряд хорошо загорается в воздухе при обычном атмосферном давлении, но для этого необходимо прикладывать импульсы высокого напряжения с экстремально короткой длительностью. Плазма получается “плотной” и “холодной”».

По словам Дмитрия Сорокина, научные сотрудники подразделения уже на протяжении нескольких лет занимаются изучением свойств и возможностей практического использования данного типа электрического разряда в различных газовых средах.

Поскольку запрос на очистку воды актуален, томские физики предлагают свое решение и вместе с Национальным исследовательским Томским государственным университетом (НИ ТГУ) проводят эксперименты, направленные на плазменную активации воды, которую можно будет использовать для обработки семян.

Холодная плазма — что это?

Плазма — это четвертое агрегатное состояние вещества, отличное от жидкости, газа и твердого тела. Плазма может быть получена различными способами, в том числе при зажигании электрического разряда в газе. В состав плазмы входят электроны, ионы, фотоны, нейтральные частицы и химически активные частицы.

Во Вселенной плазма составляет 99,9% всего вещества. Это туманности, межзвездное пространство, а также звезды, в частности, Солнце. Для достижения состояния плазмы в земных условиях веществу необходимо передать определенное количество энергии. В природе плазму можно наблюдать в верхних слоях атмосферы Земли: полярные сияния, обычные грозовые разряды, а также весьма экзотические эльфы, спрайты, джеты. Проще всего создать плазменный объект нагревом. Например, от пламени горелки. Плазму также можно получить и в результате взрыва заряда.

Наиболее простой способ получения плазмы в лабораторных условиях — электрический разряд. Этот способ позволяет не нагревать все вещество, а повышать температуру только электронов.

«Для получения холодной плазмы нужно вводить энергию в среду таким образом, чтобы повышалась только температура электронов, а тяжелые частицы, такие как атомы, молекулы, ионы, радикалы (и другие) оставались холодными, — объясняет Сорокин. — Для этого на среду необходимо воздействовать импульсно. Электроны при этом за счет меньшей массы гораздо легче приобретают энергию от электрического поля, начиная быстро двигаться и инициируя реакции, в результате которых происходит образование химически активных тяжелых частиц, температура которых составляет величину порядка комнатной или чуть выше».

Чтобы избежать нагрева всех компонентов плазмы, ученые ИСЭ СО РАН остановились на импульсах возбуждения, развивающихся на временных масштабах доли-единицы наносекунд.

Так становится возможным не только получать низкотемпературную плазму, но и использовать ее для активации воды. Ведь если зажигать такой разряд в воздухе, который преимущественно состоит из азота и кислорода, возникающие в среде высокоэнергетические электроны обеспечивают образование химически активных форм кислорода и азота, которые остаются при этом «холодными».

Когда такие частицы попадают в воду, это условно называется активацией воды. В зависимости от состава полученного раствора, он может применяться как для обеззараживания воды, так и для ее очистки.

Из искры возгорится плазма

Как же именно будет происходить процесс активации и обеззараживания воды? Где будет находиться источник импульсов напряжения?

На этот вопрос даст ответ исследование в рамках проекта, поддержанного Минобрнауки. Предполагается испытать три способа короткоимпульсного создания химически активной неравновесной низкотемпературной плазмы: зажигание разряда над поверхностью жидкости в воздушной среде, зажигание разряда в воздушной среде при аэрозольной подаче жидкости в зону токопрохождения, а также зажигание разряда непосредственно в жидкости при одновременной прокачке воздуха (то есть сам разряд будет зажигаться в потоке воздуха внутри воды).

Ученым предстоит выяснить, какой из этих трех способов наиболее эффективно удаляет загрязняющие вещества.

«Мы проводили эксперименты на тестовых красителях, — рассказывает Сорокин. — Сначала мы загрязняли воду тестовым красителем, а после воздействовали плазмой высоковольтного наносекундного разряда в условиях неоднородного электрического поля, наблюдая просветление раствора. Краситель в идеале должен превратиться в безвредную соль и углекислый газ, при этом сама вода станет чистой. Теперь нам предстоит выяснить, какой способ создания плазмы эффективнее удаляет краситель».

Ранее ученые ИСЭ СО РАН в коллаборации с биологами Томского ботанического сада НИ ТГУ провели предварительные работы, в которых показали, что обработанная плазмой вода может ускорять прорастание семян. Эти результаты были получены на различных семенах, которые замачивались в активированной воде.

Сейчас ученые решили остановиться на семенах пшеницы, с которыми в рамках проекта будут проведены не только лабораторные, но и полевые испытания.

Грант Министерства науки и высшего образования рассчитан на три года. В конце 2024 года ученые должны будут определиться со способом для очистки и активации воды. Предложенное решение ляжет в основу технологической установки, которая будет активировать и обеззараживать воду.