Čistá sila plazmy. Mladí vedci z FMFI UK testujú jej ekologické využitie
Keď sa povie plazma, mnoho ľudí si predstaví moderné obrazovky alebo rôzne svetelné javy vo vesmíre. Plazma, nazývaná aj štvrté skupenstvo hmoty, však nie je len to. Vo vedeckom svete sa preto v poslednom desaťročí venuje čoraz viac pozornosti tzv. studenej plazme vznikajúcej pri bežných podmienkach, napríklad pri izbovej teplote. Mladí vedci Richard Cimerman a Oleksandr Galmiz z oddelenia environmentálnej fyziky Katedry astronómie, fyziky Zeme a meteorológie FMFI UK skúmajú studenú plazmu generovanú elektrickými výbojmi a testujú jej environmentálne a biomedicínske aplikácie so sľubnými výsledkami.
Plazma je súčasťou Slnka či iných vesmírnych telies, na Zemi sa s plazmou stretneme najčastejšie vo forme bleskov alebo polárnej žiary. V laboratóriách ju dokážeme vytvoriť elektrickými výbojmi v plyne. Vzniká tak zmes drobných častíc – elektrónov a iónov, ktoré majú výnimočné vlastnosti. Táto studená plazma dokáže rozkladať rôzne znečisťujúce látky, ničiť mikroorganizmy či meniť štruktúru a zloženie povrchov rôznych materiálov. Preto v súčasnosti nachádza využitie vo viacerých oblastiach – pri čistení vody, vzduchu, v medicíne alebo pri výrobe elektroniky.
Na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského sa tejto téme venuje výskumná skupina profesora Zdenka Machalu na katedre astronómie, fyziky Zeme a meteorológie. Dvaja mladí členovia tímu, Richard Cimerman a Oleksandr Galmiz z oddelenia environmentálnej fyziky, skúmajú studenú plazmu generovanú elektrickými výbojmi a testujú jej environmentálne a biomedicínske aplikácie.
Vyrobenie plazmy v laboratóriu nie je nebezpečné, generujú ju v relatívne malých reaktoroch v tvare trubíc. „Kým slnečná plazma je horúca, my v laboratóriu pracujeme so studenou, respektíve nízkoteplotnou plazmou. V reaktore máme medzi dvoma elektródami plyn, na ktorý sa aplikuje vysoké napätie, čím vzniká elektrický výboj. Zjednodušene môžeme povedať, že sa vytvorí ‚mini blesk‘, plyn sa ionizuje a zmení sa na plazmu,“ vysvetľuje Richard Cimerman. Generovaná plazma podľa typu použitého plynu mení farbu. Ak sa použije obyčajný vzduch, má typickú fialovú farbu. Do plazmy v reaktore pridávajú rôzne druhy katalyzátorov.
Plazma ako čistička vzduchu
Richard Cimerman skúma, ako sa plazma v kombinácii s katalyzátormi dá využiť na čistenie vzduchu. Cez uzavretý reaktor prúdi znečistený vzduch a v rámci experimentu sa sleduje, ako reaguje s plazmou. Katalyzátor je tuhá látka, ktorá vo vnútri plazmového reaktora pri kontakte so znečisteným vzduchom dokáže usmerniť chemické reakcie určitým želaným smerom. Látky znečisťujúce vzduch sa po prechode plazmovým reaktorom zmenia na menej škodlivé.
„Nie sme síce autormi samotnej myšlienky kombinovať plazmu s katalýzou, no naším prínosom je kombinovanie rôznych druhov katalyzátorov s plazmou za účelom optimalizácie účinkov. Pointou našich experimentov je, že chemickými analýzami meriame znečistenie na vstupe do reaktora a výstupe z neho, a sledujeme, čo sa so znečisteným vzduchom po prechode reaktorom stalo. Pre dosiahnutie optimálnych výsledkov môžeme zmeniť typ katalyzátora, znečisťujúcu látku či jej koncentráciu,“ opisuje.
Richard Cimerman aktuálne skúma možnosti odstránenia naftalénu a toluénu zo vzduchu. „Testy robíme pri relatívne vysokých koncentráciách znečisťujúcich látok. Po prechode reaktorom sa tieto látky rozložia predovšetkým na oxid uhličitý, oxid uhoľnatý a vodnú paru. Oxid uhoľnatý je síce pre človeka veľmi toxický, no správnymi metódami je ho možné zachytiť a odseparovať na ďalšie využitie v chemickom priemysle. Ako katalyzátor sme testovali platinu, paládium, oxid titaničitý a mnohé ďalšie látky.“
Odstránenie CO₂ zo vzduchu
Studená plazma by sa potenciálne dala využiť aj pri riešení nadmernej koncentrácie skleníkového plynu oxidu uhličitého vo vzduchu, čo už tiež Richard Cimerman skúša. „V ďalšom našom experimente sa snažíme rozložiť CO₂ pomocou plazmy kombinovanej s katalyzátormi na iné, v ideálnom prípade druhotne využiteľné zlúčeniny. Opäť testujeme viaceré katalyzátory, ale aj reaktanty, čím vyvolávame rôzne chemické reakcie.“
Cieľom je nájsť nové technológie na čistenie priemyselných exhalátov aj odstraňovanie CO₂. „Doterajšie technológie sú zatiaľ drahé a málo rentabilné. Čistenie plazmou by mohlo pomôcť, aby bolo ekologické priemyselné čistenie plynov dostupnejšie,“ hovorí Richard Cimerman.
Čistenie katalyzátorov
Plazmové reaktory je možné využiť aj pri čistení samotných katalyzátorov, ktoré boli použité v predchádzajúcich experimentoch na čistenie vzduchu. Katalyzátory sa totiž počas chemických reakcií postupne znečisťujú, na ich povrchu sa akumulujú vedľajšie nežiaduce produkty chemických reakcií, čím sa znižuje ich aktivita a celková účinnosť. „Regeneráciu katalyzátorov robíme tiež plazmou. Do reaktora vtedy vkladáme použitý katalyzátor a plazmu generujeme v neznečistenom plyne – vzduchu alebo kyslíku. Vieme si ju rôzne ‚nastavovať‘ zmenou amplitúdy a frekvencie aplikovaného elektrického napätia, aby sme dosiahli čo najlepší výsledok,“ hovorí Richard Cimerman. Vyčistené katalyzátory sa dajú znova použiť v experimentoch na čistenie vzduchu, celá technológia je preto ekologická. Výsledkom je tak nielen čistejšie životné prostredie, ale aj opätovné využitie surovín.
Richard Cimerman na tento výskum získal v roku 2024 projekt Plazmová katalýza pre čistenie plynov a regeneráciu katalyzátorov (PlasCatalCleanReg) v rámci Štipendií pre excelentných výskumníkov z Plánu obnovy a odolnosti SR. V rámci výskumu tiež rozvíja úspešnú spoluprácu s pracoviskami v Česku, Srbsku a Nemecku.
Čistenie plazmou pomáha v medicíne
Oleksandr Galmiz do Bratislavy prišiel z Brna, kde si urobil doktorát na Prírodovedeckej fakulte Masarykovej univerzity. Pre postdoktorandský pobyt si vybral FMFI UK, aby sa tam pridal k výskumnej skupine zaoberajúcej sa aplikáciami studenej plazmy. V laboratóriách testuje jej využitie v biomedicínskych aplikáciách. So zvyšujúcim sa výskytom infekcií spojených s používaním zdravotníckych pomôcok, ako sú katétre či implantáty, sa hľadajú nové, ekologické a efektívne metódy ich čistenia a sterilizácie. Plazma sa v tomto smere javí ako ideálne riešenie, pretože umožňuje účinnú dezinfekciu bez potreby chemických činidiel a zároveň zlepšuje vlastnosti materiálov.
Sterilizácia plazmou
Hlavným cieľom jeho výskumu je zistiť, ako opracovanie plazmou ovplyvní schopnosť baktérií prežiť v dutinách rôznych predmetov. „Plastové rúrky sa nedajú klasicky sterilizovať ani čistiť vodou pri vyšších teplotách, pretože ich zahrievanie spôsobuje uvoľňovanie škodlivých látok. Skúšam teda nový typ sterilizácie pomocou studenej plazmy.“ Plazmu vytvára špeciálnym typom elektrického výboja – tzv. povrchovým bariérovým výbojom, ktorý dokáže vytvárať plazmu priamo na rozhraní plynu a vodivých kvapalín. „Vďaka tomu sa plazma dostane do vnútra dutých predmetov, čím dokáže opracovať ich vnútorný povrch,“ hovorí. Sleduje pritom chemické zmeny na povrchu materiálov, ako aj v použitej kvapaline, ktorá je v kontakte s plazmou.
Tento postup by sa mohol prakticky uplatniť najmä v medicínskom prostredí, v ktorom sa využívajú napríklad polymérové rúrky ako katétre. Pri nich je nevyhnutné, aby boli sterilné a čo najdlhšie odolávali zaneseniu biofilmami, v ktorých by sa mohli množiť baktérie. „Pacientovi by sa katéter nemusel meniť tak často, pretože by bol dlhšiu dobu zdravotne nezávadný. Dnes sa antibakteriálna úprava povrchov robí napríklad pomocou striebra, naša metóda úpravy plazmou by mohla byť oproti tomu lacnejšia,“ hovorí Oleksandr Galmiz.
Okrem toho plazma dokáže nielen sterilizovať, ale aj zlepšiť priľnavosť a biologickú znášanlivosť materiálov, čo je rozhodujúce pri kontakte s ľudským telom. Ako hovorí sám vedec: „Cieľom nie je len vytvoriť novú technológiu, ale pochopiť jej princípy a využiť ich pre prospech ľudí.“ Okrem medicíny má takéto plazmové čistenie potenciálne využitie napríklad aj v potravinárstve pri čistení potrubí, ktorými tečie pivo či víno.
Na svoj výskum získal Oleksandr Galmiz už v minulosti prestížny grant zo schémy Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) a v roku 2024 uspel v žiadosti o Štipendium pre excelentných výskumníkov z Plánu obnovy a odolnosti SR s projektom Plazmové spracovanie polymérových medicínskych trubíc pomocou výbojov s kvapalnými elektródami (PlasProMeTu).
Barbora Tancerová
Výskum R. Cimermana je financovaný zo schémy EÚ NextGenerationEU prostredníctvom Plánu obnovy a odolnosti SR v rámci projektu č. 09I03-03-V04-00092.
Výskum O. Galmiza je financovaný zo schémy EÚ NextGenerationEU prostredníctvom Plánu obnovy a odolnosti SR v rámci projektu č. 09I03-03-V04-00094.