La scarica ad arco, una delle forme più diffuse di scarica elettrica nei gas, si produce quando fra elettrodi metallici passa una corrente elettrica ad alta densità (di norma dell’ordine di 100-1.000 A/cm²). In un plasma ad arco, per effetto dell’elevata densità di corrente e dell’alta pressione, il numero di collisioni degli elettroni con le particelle pesanti è elevato: ne consegue un efficace scambio di energia fra gli elettroni e le restanti componenti del plasma e, di conseguenza, si stabilisce la stessa temperatura per gli elettroni e per il gas. Questa temperatura è piuttosto elevata: a seconda delle condizioni di scarica, è compresa fra 4.500 K e 8.000 K.
Sistemi plasmochimici di non equilibrio per la produzione di idrogeno
Negli ultimi anni sono stati compiuti numerosi tentativi di impiegare il plasma di non equilibrio delle scariche a scintilla impulsate, a barriera, a corona e a microonde, soprattutto allo scopo di ridurre il consumo di energia necessario a riscaldare il gas per innescare le reazioni chimiche, consumo che nel plasma ad arco di quasi equilibrio è pari ad almeno il 40%. Di seguito si propone un’analisi dello stato attuale dei problemi della plasmochimica applicata di non equilibrio a pressione atmosferica, nella prospettiva del suo impiego nelle produzioni di grande tonnellaggio. Negli ultimi decenni grande attenzione è stata dedicata alla produzione di idrogeno, anche nei sistemi plasmochimici di non equilibrio. Ciò è dovuto agli obiettivi di sviluppo dell’energia dell’idrogeno con l’impiego di celle a combustibile, che assicurano la conversione diretta dell’energia chimica del combustibile in energia elettrica con la massima efficienza e il minimo inquinamento ambientale, il che richiede un aumento della produzione industriale di idrogeno.
Plasma di vapore ad arco elettrico
L’acqua occupa un posto particolare fra i mezzi plasmogeni. Questa sostanza è largamente diffusa in natura e vi svolge un ruolo enorme, rendendo possibili numerose reazioni chimiche e processi fisici. Oggetto della trattazione è il vapore acqueo a pressione prossima a quella atmosferica, con temperature fino a diverse decine di migliaia di gradi. Il cosiddetto plasma di vapore acqueo è uno dei mezzi chimicamente più attivi e il vapore è un gas plasmogeno estremamente economico. Il plasma di vapore acqueo non è soltanto un fluido termovettore, ma anche un reagente attivo nelle reazioni fisiche e chimiche. Grazie alle sue proprietà uniche di entalpia, compatibilità ambientale, sicurezza rispetto al rischio di esplosione e ampia disponibilità, il plasma di vapore acqueo è promettente nei processi tecnologici della metallurgia, del settore energetico, della meccanica e della plasmochimica. Il vantaggio del plasma acqua-vapore è l’assenza di nocivi ossidi di azoto quando il plasmatron funziona a vapore acqueo. A oggi il contributo principale allo sviluppo dei processi plasmochimici di pirolisi e di conversione ossidativa degli idrocarburi è venuto dal plasma ad arco di quasi equilibrio.