Thema
Energie

Plasma: vonk voor duurzame chemie

Van bliksem tot zonnevlam: plasma is overal. Maar wist je dat dit geïoniseerde gas ook de klimaatverandering kan helpen bestrijden? Onderzoekers van UAntwerpen zoeken uit hoe plasmatechnologie chemische processen kan verduurzamen. Met hun onderzoeksgroep PLASMANT koppelen ze fundamentele wetenschap aan tastbare toepassingen.

De meeste mensen kennen materie in drie vormen: vast, vloeibaar en gas. Maar in de ruimte is er een vierde toestand: plasma – niet te verwarren met bloedplasma. “Kort gezegd is plasma een elektrisch geladen gas”, zegt Annemie Bogaerts, professor chemie en hoofd van de onderzoeksgroep PLASMANT aan UAntwerpen. “Omdat het erg reactief is, maakt het veel chemische toepassingen mogelijk.”

Plasma voor beginners

Om te begrijpen wat plasma precies is, moeten we even teruggaan naar de chemieles. “In een gewoon gas is elk atoom keurig in balans: er zijn evenveel positieve protonen in de kern als negatieve elektronen in de wolk eromheen. Daardoor is het geheel elektrisch neutraal. Maar als je dat gas genoeg energie geeft, door middel van warmte of elektriciteit, maken sommige elektronen zich los uit de wolk en gaan ze vrij rondvliegen. De achtergebleven atomen raken daarbij positief geladen of geïoniseerd. Als er genoeg geïoniseerde atomen aanwezig zijn om het gedrag van het gas merkbaar te veranderen, spreken we niet langer over gas maar over plasma.”

Plasmareactoren kunnen snel aan- en uitschakelen om zo energieoverschotten op het op te vangen
Annemie Bogaerts
UAntwerpen

“Een plasmareactor maakt energie op twee manieren duurzamer. Enerzijds kan plasma ons helpen om de aanzienlijke CO2-uitstoot van de chemische sector te verminderen. Die is te wijten aan de grote hoeveelheid energie die nodig is om de grondstoffen voor de sector te creëren. Omdat de productie stabiel moet zijn, wordt die energie minstens deels met fossiele brandstoffen opgewekt, wat resulteert in een hoge koolstofafdruk. Wij proberen de chemische processen te elektrificeren, en hopen echt een verschil te kunnen maken.”

“Anderzijds kunnen we plasmareactoren snel aan- en uitschakelen om energiefluctuaties op het net op te vangen. Hernieuwbare energie, zoals die van wind of zon, is erg variabel en voorlopig nog moeilijk op te slaan. De reactor kan die elektriciteit omzetten in nieuwe, alternatieve brandstoffen die we wél kunnen opslaan.”

Grote ambities, groeiende capaciteit

“Toch zijn grootschalige plasmareactoren, waarmee we wereldwijd alle CO2-uitstoot zouden kunnen omzetten naar nieuwe chemicaliën, nog niet voor morgen. Onze plasmareactoren hebben een diameter van enkele centimeters. Als we de afmetingen groter maken, wordt er niet automatisch meer gas omgezet. De opschaling vraagt nog meer onderzoek en ontwikkeling.”

“Bovendien focussen we vandaag op specifieke puntemissiebronnen, zoals de uitstoot van individuele bedrijven. Die bronnen zoeken we vooral in de Antwerpse chemische industrie, en die zorgt sowieso al voor meer uitstoot dan de huidige reactoren aankunnen.”

Plasma tegen kanker

Naast duurzame chemie onderzoekt PLASMANT ook niet-thermische plasma’s voor medische toepassingen. Die werken bij kamertemperatuur, maar hebben toch voldoende energie om cellen te beïnvloeden. “In de plasmageneeskunde wordt plasma bijvoorbeeld gebruikt om apparaten te steriliseren, om wonden te ontsmetten en te helpen genezen, bij de behandeling van huidaandoeningen en bij tandcariës.”

“De laatste jaren gaat veel aandacht naar de behandeling van kanker. Plasma lijkt in staat te zijn om een breed scala aan kankercellen aan te vallen, zonder gezonde cellen te beschadigen. Bij melanomen kunnen we plasma bijvoorbeeld inzetten om kankercellen te vernietigen zonder brandwonden te veroorzaken. We werken dan met een plasmastraal: een soort pen met een vlammetje – niet heet, wel actief.”

“Die techniek is nog in ontwikkeling, maar toont veelbelovende resultaten voor oppervlakkige tumoren. Ook voor glioblastoom, alvleesklierkanker en halskanker voeren we experimenten uit om de impact in kaart te brengen. Daarvoor werken we samen met CORE, het Centrum voor Oncologisch Onderzoek van UAntwerpen.”

“Plasma is allesbehalve zeldzaam: het vertegenwoordigt ongeveer 99 procent van de zichtbare massa in het heelal. Denk aan de zon, sterren, de bliksem of het noorderlicht. In laboratoria en technische toepassingen wordt plasma gebruikt omdat het stroom geleidt, gevoelig is voor elektrische en magnetische velden en chemische reacties kan versnellen. De plasmafysica is een interdisciplinair vakgebied dat een brug slaat tussen fysica, chemie en technologie.”

“Plasma wordt onder meer gebruikt in de analytische chemie. Als we een staal in plasma brengen, doorgaat het een hele reeks chemische processen, op basis waarvan we het beter kunnen analyseren. Plasma heeft ook toepassingen in de geneeskunde (zie kader) en de micro-elektronica. Voor de fabricage van microchips is plasmatechnologie nodig en in de materiaaltechnologie wordt plasma op grote schaal gebruikt, onder andere voor oppervlaktebehandelingen, coatings en nanomaterialen.”

Duurzame energie gevraagd

“Maar dé focus van ons onderzoek is duurzame chemie. Een van de grootste uitdagingen van onze tijd is het terugdringen van de CO2-uitstoot. Ook daarbij kan plasma ons helpen: met een plasmareactor kunnen we CO2 en andere gassen als het ware transformeren.”

“In zo’n reactor creëren we, kort gezegd, een elektrisch veld. We sturen er een gas door dat door het veld in plasma verandert en in andere moleculen wordt omgezet, die er vervolgens uitstromen. De reactieve deeltjes in het plasma kunnen namelijk chemische bindingen verbreken en er nieuwe vormen. Afhankelijk van welke gassen we samenbrengen, vormen we andere componenten.”

Plasma is heel reactief – net dat maakt het zo interessant voor chemische toepassingen
Annemie Bogaerts
UAntwerpen

“We zijn de capaciteit van onze plasmareactoren aan het opschalen van 100 liter per minuut naar 1.000 liter per minuut. Daarmee kunnen we nog altijd maar 1.000 ton CO2 per jaar uit de lucht halen. Met computersimulaties bekijken we hoe we de geometrie van de reactoren kunnen optimaliseren en opschalen.”

“In afwachting daarvan werken we vooral aan numbering up: we plaatsen meerdere reactoren in parallel. Onze spin-off, D-CRBN, zet ook echt de stap naar industriële toepassingen, zoals het omzetten van CO2 naar CO als grondstof voor de staalindustrie. Op termijn willen ze jaarlijks meer dan 100.000 ton CO2 in chemicaliën omzetten. Ondertussen werken we aan testcases waarbij we effectieve commerciële installaties aan puntemissies koppelen.”

Eindeloze mogelijkheden

Ook de koppeling aan andere technologieën biedt mogelijkheden. “Plasma is wel reactief, maar niet selectief: het vormt allerlei producten. Door onze plasmamethodes bijvoorbeeld te combineren met katalyse hopen we nog beter te kunnen sturen welke producten we opleveren.”

“De mogelijkheden zijn eindeloos. Omdat plasma zo flexibel is, kunnen we het gebruiken om CO2 om te zetten en evengoed om methaan aan te pakken voor de productie van waterstof of hogere koolwaterstoffen, of om op een duurzame manier kunstmest te maken uit lucht. Afvalstoffen worden zo almaar vaker nieuwe grondstoffen: dat past perfect in de circulaire economie. De ‘hogere’ waterstoffen liggen aan de basis van groene brandstof voor vliegtuigen en dragen bij aan een duurzamere luchtvaartsector.”

Om de wereldwijde CO₂-uitstoot om te zetten naar chemische grondstoffen zouden wel érg grote reactoren nodig zijn
Annemie Bogaerts
UAntwerpen

Samen sneller ontwikkelen

“Als we ooit met plasmareactoren de wereld willen redden, is interactie met andere onderzoeksgroepen en -velden cruciaal. Samen met EMAT (Electron Microscopy for Materials Science) en COMMIT (Computational Materials Modeling for Nanoscience and Innovative Technologies) leidt PLASMANT bijvoorbeeld het Centre of Excellence PLASMA, dat – onder meer – de toepassingen van plasmakatalyse onderzoekt.”

“UAntwerpen heeft begin 2024 ook het Elektrificatie Instituut opgericht. Dat bundelt de expertise van PLASMANT, ELCAT (Applied Electrochemistry and Catalysis) en ElectrifHy (Laboratory for the Electrification of Chemical Processes and Hydrogen). Samen ondersteunen we industrieën om geëlektrificeerde processen te ontwikkelen die zowel duurzaam als economisch haalbaar zijn.”

“En dan is er nog het ERC-Synergy-project SCOPE, gesteund door de European Research Council, waar ik de afgelopen jaren de mogelijkheden van plasma in duurzame chemie onderzocht. Daarvoor werk ik samen met onderzoekers van de universiteiten van Warwick in Engeland, Adelaide in Australië, en Messina in Italië. We zijn, met andere woorden, nog wel even zoet zijn met ons plasmaonderzoek!”