Forti campi magnetici a microonde per plasma più efficienti

I gas caldi composti da ioni metallici ed elettroni, chiamati plasma, sono ampiamente utilizzati in molti processi produttivi, sintesi chimica ed estrazione di metalli da minerali e saldature. Un gruppo di ricerca collaborativo dell’Università di Tohoku e dell’Università di Tecnologia di Toyohashi ha inventato un metodo nuovo ed efficiente per creare plasmi metallici da metalli solidi sotto un forte campo magnetico in un risonatore a microonde. Riferiscono la loro innovazione sulla rivista AIP Advances.

Nei metodi più convenzionali per produrre plasma, ai gas o ai liquidi viene applicato un forte campo elettrico. Ciò può richiedere enormi quantità di energia. Più recentemente, la radiazione a microonde è stata sfruttata anche per generare plasmi poiché converte gli atomi in una forma che può guidare in modo più efficace i processi chimici desiderati, tra gli altri vantaggi. I plasmi generati dalle microonde vengono ora utilizzati in processi commerciali, tra cui la produzione di semiconduttori, la deposizione di diamanti e il rilascio di metalli dai minerali.

Finora, tuttavia, si trattava di generatori di microonde multimodali, che generano una distribuzione caotica delle microonde. Un progresso fondamentale ottenuto dal team è l'applicazione di un generatore di microonde monomodale per produrre i propri plasmi metallici. Ciò crea microonde più controllate e altamente focalizzate.

"Ci aspettiamo che il nostro processo possa migliorare significativamente l'efficienza delle tecniche al plasma in molte applicazioni e aumentare la redditività in ambito commerciale", afferma il chimico Jun Fukushima, che ha sviluppato la tecnica con l'ingegnere elettronico Satoshi Fujii.

Una sfida significativa che i ricercatori hanno dovuto affrontare è stata che i loro plasmi iniziali non potevano essere stabilizzati per più di dieci minuti. Hanno quindi riprogettato l'attrezzatura, ottenendo alla fine una stabilità molto più lunga. Il sistema finale e più innovativo contiene un doppio tubo al quarzo, con il materiale solido che viene convertito in plasma all'interno del tubo interno.

I ricercatori prevedono che la loro tecnologia sarà particolarmente utile per estrarre metalli puri delle terre rare dai loro minerali. Questi metalli, come cerio, lantanio e neodimio, stanno diventando ampiamente utilizzati in applicazioni su larga scala, inclusa la produzione di batterie ricaricabili per veicoli elettrici. Il team dell'Università di Tohoku e dell'Università di Tecnologia di Toyohashi ha già dimostrato l'utilizzo di un plasma di calcio e magnesio per rilasciare atomi di scandio e vanadio dai loro minerali di ossido.

"Si tratta di un metodo nuovo e non convenzionale per l'utilizzo del plasma, che riteniamo cruciale per ridurre il fabbisogno energetico per le future applicazioni della scienza dei materiali", afferma Fukushima.

Titolo: Generazione di plasma di ioni metallici sotto un forte campo magnetico in un risonatore a microonde

Autori: Satoshi Fujii e Jun Fukushima

Rivista: AIP Advances

DOI: 10.1063/5.0134071