Starke Mikrowellen-Magnetfelder für effizientere Plasmen

Heiße Gase aus Metallionen und Elektronen, sogenannte Plasmen, werden häufig in vielen Herstellungsprozessen, bei der chemischen Synthese sowie bei der Metallgewinnung aus Erzen und beim Schweißen eingesetzt. Eine gemeinsame Forschungsgruppe der Tohoku-Universität und der Toyohashi University of Technology hat eine neue und effiziente Methode erfunden, um metallische Plasmen aus festen Metallen unter einem starken Magnetfeld in einem Mikrowellenresonator zu erzeugen. Sie berichten über ihre Innovation in der Zeitschrift AIP Advances.

Bei den gängigsten Methoden zur Herstellung von Plasmen wird ein starkes elektrisches Feld an Gase oder Flüssigkeiten angelegt. Dies kann enorme Energiemengen erfordern. In jüngerer Zeit wird Mikrowellenstrahlung auch zur Erzeugung von Plasmen genutzt, da sie neben anderen Vorteilen Atome in eine Form umwandelt, die gewünschte chemische Prozesse effektiver antreiben kann. Die durch Mikrowellen erzeugten Plasmen werden heute in kommerziellen Prozessen eingesetzt, darunter in der Halbleiterherstellung, bei der Diamantabscheidung und zur Freisetzung von Metallen aus ihren Erzen.

Bisher handelt es sich dabei jedoch um Multimode-Mikrowellengeneratoren, die eine chaotische Verteilung der Mikrowellen erzeugen. Ein wichtiger Fortschritt des Teams besteht darin, einen Single-Mode-Mikrowellengenerator zur Erzeugung seiner Metallplasmen einzusetzen. Dadurch entstehen kontrolliertere und stärker fokussierte Mikrowellen.

„Wir gehen davon aus, dass unser Verfahren die Effizienz von Plasmatechniken in vielen Anwendungen erheblich verbessern und die Rentabilität im kommerziellen Bereich steigern könnte“, sagt der Chemiker Jun Fukushima, der die Technik zusammen mit dem Elektronikingenieur Satoshi Fujii entwickelt hat.

Eine große Herausforderung für die Forscher bestand darin, dass ihre anfänglichen Plasmen nicht länger als zehn Minuten stabilisiert werden konnten. Daher haben sie die Ausrüstung neu konzipiert und letztendlich eine wesentlich längere Stabilität erreicht. Das letzte und innovativere System enthält ein Doppelquarzrohr, in dessen Innenrohr sich das feste Material befindet, das in Plasma umgewandelt wird.

Die Forscher gehen davon aus, dass ihre Technologie besonders für die Gewinnung reiner Seltenerdmetalle aus ihren Erzen nützlich sein wird. Diese Metalle wie Cer, Lanthan und Neodym werden immer häufiger in großtechnischen Anwendungen eingesetzt, einschließlich der Herstellung von wiederaufladbaren Batterien für Elektrofahrzeuge. Das Team der Tohoku-Universität und der Toyohashi University of Technology hat bereits demonstriert, dass sie mithilfe eines Plasmas aus Kalzium und Magnesium Scandium- und Vanadiumatome aus ihren Oxiderzen freisetzen.

„Dies ist eine neue und unkonventionelle Methode zur Nutzung von Plasmen, die unserer Meinung nach entscheidend für die Reduzierung des Energiebedarfs für zukünftige materialwissenschaftliche Anwendungen ist“, sagt Fukushima.

Titel: Metallionenplasmaerzeugung unter starkem Magnetfeld im Mikrowellenresonator

Autoren: Satoshi Fujii und Jun Fukushima

Zeitschrift: AIP-Fortschritte

DOI: 10.1063/5.0134071