Волшебные лампы: плазменные устройства с микрорезонаторами и их коммерческое применение

May 19, 2023

03.11.2022 15:51:05 Майкл О'Бойл

В 1995 году к профессору Университета Иллинойса Дж. Гэри Идену обратились Джеймс Фрейм и Дэвид Уиллер, два аспиранта факультета электротехники и вычислительной техники.

Они показали ему кусок кремния и спросили: «Вы не возражаете, если мы просверлим в нем небольшое отверстие и посмотрим, сможем ли мы заполнить его газом и создать плазму?»

«Конечно нет, давайте», — сказал им Иден.

Спустя 30 лет потомки этого первоначального эксперимента создали совершенно новую технологию: плазменные устройства с микрорезонаторами.

Как обсуждалось в октябрьском выпуске журнала «Плазменные процессы и полимеры», они привели к появлению множества компактных и доступных устройств, производимых тремя компаниями — EP Pure, Eden Park Illumination и Cygnus Photonics, — которые способны произвести революцию в очистке воды, воздуха и поверхностей. дезинфекция и изготовление электроники. А всё потому, что исследователи Университета Иллинойса взялись за проект, который показался просто интересным.

Микрорезонаторная плазма: чем меньше, тем лучше

Как и другие плазменные технологии, в том числе неоновые вывески и флуоресцентные лампочки, устройства с микрорезонаторами работают, применяя высокое напряжение для отрыва электронов от атомов или молекул содержащегося в них газа. В результате получается плазма, которую можно использовать либо для генерации света, либо для запуска химических реакций.

Однако вместо того, чтобы помещать ее в большую трубку, новая технология ограничивает плазму множеством небольших полостей, каждая размером менее миллиметра. Это дает устройствам несколько ключевых отличий, которые делают их особенно привлекательными для приложений.

Устройства с микрорезонаторами работают при атмосферном давлении, тогда как в стандартных плазменных устройствах газы необходимо откачивать в вакууме. Это существенно упрощает процесс изготовления, поскольку корпусному блоку не нужно учитывать разницу давлений.

Кроме того, небольшой размер полости также означает, что они потребляют гораздо меньше электроэнергии, чем стандартные устройства, что значительно продлевает срок их службы.

Производство озона и очистка воды

На сегодняшний день наиболее известным применением микрорезонаторных плазменных устройств является производство озона для дезинфекции питьевой воды. Хлорирование нежизнеспособно во многих частях мира и представляет опасность для здоровья человека и окружающей среды, что делает озонирование привлекательной альтернативой.

Традиционные барьеры стоимости и энергопотребления преодолеваются с помощью миниатюрных химических реакторов, использующих микрорезонаторную плазму, разработанных в лаборатории Идена. Эти устройства производят озон из воздуха в помещении со скоростью 0,3 грамма — этого достаточно для дезинфекции 10 галлонов воды — в час. Поскольку они небольшие и потребляют менее 15 Вт электроэнергии, они оказались идеальными для дезинфекции питьевой воды в автономных населенных пунктах более чем в 20 странах.

Крупнейшие предприятия по использованию этих устройств работают в регионе Кисуму на западе Кении. Построенный и установленный в сотрудничестве между Университетом Иллинойса в Чикаго, Кенийским проектом «Безопасная вода и СПИД» и Фондом Иден Парк, каждый из двух самодостаточных «киосков» ежедневно производит 2000 литров чистой питьевой воды из загрязненной реки. или поверхностные воды, и они эксплуатируются, обслуживаются и управляются местными кенийцами.

Бактерицидный свет

Применение микрорезонаторных плазменных источников света для дезинфекции воздуха и поверхностей в общественных местах привлекло пристальное внимание в последние три года.

Лампы, излучающие ультрафиолетовый свет для уничтожения микробов — так называемые «бактерицидные лампы» — являются хорошо зарекомендовавшей себя технологией, но длина волны, которую они используют, 254 нанометра, как известно, канцерогенна для человека. На основе технологии Университета Иллинойса компания Eden Park Illumination разработала микрорезонаторную лампу, излучающую свет с длиной волны 222 нанометра, убивающий вирусные и бактериальные патогены. Однако длина волны не может проникнуть через внешний слой кожи человека, поэтому она безопасна для воздействия на человека.