I fisici della Ruhr-Universität Bochum (RUB) hanno scattato immagini spettacolari che consentono di visualizzare e tracciare in tempo reale il processo di accensione del plasma sott'acqua. La dott.ssa Katharina Grosse ha fornito i primi set di dati con una risoluzione temporale ultraelevata, a sostegno di una nuova ipotesi sull'accensione di questi plasmi:nell'intervallo dei nanosecondi, non c'è abbastanza tempo per formare un ambiente gassoso. Gli elettroni generati dagli effetti di campo portano alla propagazione del plasma. Il plasma di nanosecondi si accende direttamente nel liquido, indipendentemente dalla polarità della tensione. Il rapporto del Centro di ricerca collaborativa 1316 "Transient Atmospheric Pressure Plasmas:from Plasma to Liquids to Solids" è stato pubblicato sul Rivista di fisica applicata e Rubino, la rivista scientifica del RUB.

Rendere visibile lo sviluppo del plasma

Per analizzare come il plasma si accende in brevi intervalli di tempo e come funziona questa accensione nel liquido, il fisico Grosse applica un alto voltaggio per dieci nanosecondi a un elettrodo sottilissimo immerso nell'acqua. Il forte campo elettrico così generato provoca l'accensione del plasma. Utilizzando la spettroscopia ottica ad alta velocità in combinazione con la modellazione della fluidodinamica, il ricercatore di Bochum è in grado di prevedere la potenza, pressione e temperatura in questi plasmi sottomarini. Spiega così il processo di accensione e lo sviluppo del plasma nell'intervallo dei nanosecondi

Secondo le sue osservazioni, le condizioni in acqua sono estreme al momento dell'accensione. Per un breve periodo, si creano pressioni di molte migliaia di bar, che è equivalente o addirittura superiore alla pressione nel punto più profondo dell'Oceano Pacifico, così come temperature di molte migliaia di gradi simili alla temperatura superficiale del sole.

Effetti tunnel sott'acqua

Le misurazioni sfidano la teoria prevalente. Finora, si è ipotizzato che sulla punta dell'elettrodo si formi un'elevata differenza di pressione negativa, che porta alla formazione di piccolissime crepe nel liquido con dilatazioni nell'ordine dei nanometri, in cui il plasma può poi diffondersi. "Si presumeva che una valanga di elettroni si formasse nelle fessure sotto l'acqua, rendendo possibile l'accensione del plasma, "dice Achim von Keudell, che detiene la Cattedra di Fisica Sperimentale II. Però, le immagini scattate dal gruppo di ricerca con sede a Bochum suggeriscono che il plasma è "acceso localmente all'interno del liquido, " spiega Grosse.

Nel suo tentativo di spiegare questo fenomeno, il fisico usa l'effetto tunnel quanto-meccanico. Questo descrive il fatto che le particelle sono in grado di attraversare una barriera energetica che non dovrebbero essere in grado di attraversare secondo le leggi della fisica convenzionale, perché non hanno abbastanza energia per farlo. "Se guardi le registrazioni dell'accensione del plasma, tutto indica che i singoli elettroni passano attraverso la barriera energetica delle molecole d'acqua fino all'elettrodo, dove accendono il plasma localmente, proprio dove il campo elettrico è più alto, " dice Grosse. Questa teoria ha molto da offrire ed è oggetto di molte discussioni tra gli esperti.

L'acqua è scissa nelle sue componenti

Il processo di accensione sott'acqua è affascinante quanto i risultati della reazione chimica sono promettenti per le applicazioni pratiche. Gli spettri di emissione mostrano che, a impulsi di nanosecondi, le molecole d'acqua non hanno più la possibilità di compensare la pressione del plasma. L'accensione del plasma li scompone nei loro componenti, vale a dire idrogeno atomico e ossigeno. Quest'ultimo reagisce prontamente con le superfici. Ed è proprio qui che risiede il grande potenziale, spiega il fisico Grosse:"L'ossigeno rilasciato può potenzialmente riossidare le superfici catalitiche nelle celle elettrochimiche in modo che vengano rigenerate e sviluppino ancora una volta pienamente la loro attività catalitica".