Eine Lichtbogenentladung – eine der häufigsten Formen der elektrischen Gasentladung – entsteht, wenn ein elektrischer Strom hoher Dichte (üblicherweise in der Größenordnung von 100–1000 A/cm²) zwischen metallischen Elektroden fließt. Im Lichtbogenplasma ist die Zahl der Stöße von Elektronen mit schweren Teilchen aufgrund der hohen Stromdichte und des hohen Drucks groß; dadurch findet ein wirksamer Energieaustausch zwischen den Elektronen und den übrigen Plasmakomponenten statt, sodass sich für Elektronen und Gas dieselbe Temperatur einstellt. Diese Temperatur ist recht hoch und liegt je nach Entladungsbedingungen zwischen 4500 K und 8000 K.
Nichtgleichgewichts-Plasmachemiesysteme zur Wasserstofferzeugung
In den letzten Jahren wurde vielfach versucht, das Nichtgleichgewichtsplasma gepulster Funkenentladungen sowie von Barriere-, Korona- und Mikrowellenentladungen zu nutzen, vor allem um den Energieaufwand für die Gaserwärmung zu senken, der zur Auslösung chemischer Reaktionen erforderlich ist und im quasi-gleichgewichtigen Lichtbogenplasma mindestens 40 % beträgt. Nachfolgend wird der Versuch unternommen, den aktuellen Stand der Fragestellungen der angewandten Nichtgleichgewichts-Plasmachemie bei Atmosphärendruck im Hinblick auf ihren Einsatz in der großtechnischen Produktion zu analysieren. In den vergangenen Jahrzehnten wurde der Erzeugung von Wasserstoff große Aufmerksamkeit gewidmet, auch in Nichtgleichgewichts-Plasmachemiesystemen. Grund dafür sind die Aufgaben des Aufbaus einer Wasserstoffenergiewirtschaft mit Brennstoffzellen, die die chemische Energie des Brennstoffs mit maximalem Wirkungsgrad und minimaler Umweltbelastung unmittelbar in elektrische Energie umwandeln, was eine steigende industrielle Wasserstofferzeugung erfordert.
Lichtbogen-Wasserdampfplasma
Wasser nimmt als plasmabildendes Medium eine besondere Stellung ein. Dieser Stoff ist in der Natur weit verbreitet und spielt dort eine überragende Rolle, indem er vielfältige chemische Reaktionen und physikalische Vorgänge ermöglicht. Betrachtet wird hier Wasserdampf bei nahezu atmosphärischem Druck mit Temperaturen von bis zu mehreren Zehntausend Grad. Das sogenannte Wasserdampfplasma zählt zu den chemisch aktivsten Medien, und Wasserdampf ist ein außerordentlich preiswertes Plasmagas. Wasserdampfplasma ist nicht nur Wärmeträger, sondern auch aktives Reagenz in physikalischen und chemischen Reaktionen. Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften – Enthalpie, Umweltverträglichkeit, Explosionssicherheit und breite Verfügbarkeit – ist Wasserdampfplasma für technologische Prozesse in Metallurgie, Energietechnik, Maschinenbau und Plasmachemie vielversprechend. Der Vorteil des Wasserdampfplasmas liegt darin, dass beim Betrieb des Plasmatrons mit Wasserdampf keine schädlichen Stickoxide entstehen. Den bislang größten Beitrag zur Entwicklung plasmachemischer Prozesse der Pyrolyse und der oxidativen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen hat das quasi-gleichgewichtige Lichtbogenplasma geleistet.