PLASMANT, of voluit Plasma Lab for Applications in Sustainability and Medicine ANTwerp, is een interdisciplinair team van chemici, fysici, ingenieurs en biomedische wetenschappers dat onderzoek voert naar plasmatechnologie. Recent ontdekten ze dat de atmosfeer van Mars kan dienen om CO2 om te zetten in zuurstof en CO. Daarnaast kan stikstof er omgezet worden in een goede basis voor kunstmest. Die elementen kunnen op termijn leven op de rode planeet mogelijk maken, een planeet waar nog nooit iemand een voet aan de grond heeft gezet. Gefascineerd vraag ik Annemie Bogaerts naar het onderzoek. Zij is gewoon hoogleraar aan UAntwerpen, gespecialiseerd in het onderzoek naar plasma en plasma-oppervlak interacties door middel van computermodellering en experimenten, en hoofd van de onderzoeksgroep.
“Naast vast, vloeibaar en gasvormig is plasma de vierde aggregatietoestand”, verduidelijkt Annemie Bogaerts al meteen. “Het gaat om een geïoniseerd gas. Dat wil zeggen dat het niet gewoon een gas is, maar een reactief gas dat niet alleen uit gasmoleculen bestaat, maar ook elektronen, ionen en andere reactieve deeltjes bevat.” Het is dankzij dat plasma dat de stabiele CO2- en stikstofmoleculen kunnen worden omgezet, juist omwille van die reactieve deeltjes. “Op die manier kan CO2 worden opgesplitst in zijn elementaire bouwstenen, CO en zuurstofatomen dus, en stikstof in twee stikstofatomen. Die reactieve deeltjes vormen nieuwe verbindingen: zo reageren zuurstofatomen met stikstofatomen om zo NO te vormen, de basis voor kunstmest.”
De essentiële omzetting van CO2 en stikstof gebeurt in een zelfgebouwde plasmareactor. “In onze plasmareactor is de omzetting naar nieuwe moleculen mogelijk met een energie-input van 1 kilowattuur”, vertelt Bogaerts. “Je kan dit vergelijken met de hoeveelheid energie die een microgolfoven van 1000 watt in een uur verbruikt. Door de toevoeging van die energie wordt plasma opgewekt en gebeuren de omzettingen in nieuwe componenten. Je kunt de energie-input vergelijken met kleine bliksemschichtjes die in het gas worden aangebracht. Die schichtjes zijn heel reactief en energetisch en splitsen de gasmoleculen op, eerst in zeer reactieve deeltjes, waarna deze deeltjes opnieuw met elkaar botsen en nieuwe producten vormen. Vooral de snelheid en energie-efficiëntie van de omzetting werden nooit eerder bereikt.” MOXIE, het Mars Oxygen In-situ Resource Utilization Experiment dat aan boord van de Perseverance-rover van NASA werd gehouden, heeft ook het doel aan te tonen dat toekomstige ruimtevaarders zuurstof kunnen maken uit de Marsatmosfeer om te ademen. Voor dat experiment wordt dezelfde energie-input gebruikt, maar de plasmatechnolgie die PLASMANT toepaste, levert zo’n dertig keer meer zuurstof op binnen eenzelfde tijd en de energiekosten ervan zijn zo’n tien keer lager. Om beter te begrijpen wat er exact gebeurt in de plasmareactor en de onderliggende mechanismen te verklaren, hebben de onderzoekers de processen gesimuleerd op de computer. “Op die manier kunnen we voorspellen hoe de moleculen zullen reageren op het plasma en het proces beter sturen”, vertelt Bogaerts. “Die simulatie gebeurt gelijktijdig met de andere aspecten van het onderzoek.”
Deze plasmatechnologie wordt door PLASMANT al langer onderzocht als toekomstige oplossing voor het klimaatprobleem hier op aarde: ze zou namelijk gebruikt kunnen worden om brandstoffen te genereren op basis van uitgestoten CO2. Deze technologie is daarom bijzonder nuttig voor de chemische industrie. Daarnaast kent ze ook toepassingen in de geneeskunde, waar ze vooral wordt gebruikt voor kankeronderzoek. “Dat kankeronderzoek gebeurt in samenwerking met het Centrum voor Oncologisch Onderzoek”, verduidelijkt Bogaerts. “Maar er zijn ook andere toepassingen binnen de geneeskunde. We zijn bijvoorbeeld ook gecontacteerd door de dienst Intensive Care van het UZA om een oplossing te vinden voor het coronavirus.” Bogaerts noemt het nieuwe Marsonderzoek een spin-off van het al verder gevorderde onderzoek op aarde voor CO2-omzetting: “Doordat we zagen dat op Mars de atmosfeer voor een groot deel uit CO2 bestaat, kwamen we op het idee na te gaan of dezelfde technologie daar gebruikt zou kunnen worden. Om er leven mogelijk te maken, heb je naast zuurstof namelijk ook meststoffen nodig om planten te doen groeien en groenten te kweken. Brandstof is dan weer noodzakelijk om het ruimtetuig terug naar aarde te kunnen brengen en ook ter plekke transport te voorzien. Omdat er grote hoeveelheden nodig zijn en ruimtemissies zo licht mogelijk moeten zijn, is het van belang dat ter plekke te kunnen produceren.”
Alvorens we werkelijk mensen naar Mars kunnen sturen, zou ook daar een plasmareactor geïnstalleerd moeten worden waarin de omzettingen snel en efficiënt mogelijk zijn. “Hoewel onze reactor al best klein is, is de volgende stap in ons onderzoek dan ook om een nog kleinere lichtgewicht plasmareactor te bouwen. Als we die willen meesturen in zo’n ruimtemissie moet die namelijk zo licht mogelijk zijn. Daarnaast moeten we onze reactor ook nog combineren met scheidingstechnologie. Nu maken we wel zuurstof, brandstof en de basis van kunstmest, maar dat is nog een mengsel. Om zuivere stromen te krijgen, moeten we dat kunnen scheiden van elkaar, wat nodig is voor de levensondersteuning en het vervoer tijdens toekomstige robotverkenning of zelfs menselijke verkenning van de rode planeet.” De resultaten van PLASMANT zijn dus hoopgevend wat betreft de mogelijkheid tot leven op Mars. Ook ESA, het Europees Ruimteagentschap, toonde alvast interesse in het onderzoek. Het agentschap kaart op haar website nog een ander voordeel van de nieuwe technologie aan: de kostprijs. Zuurstof, energie en kunstmest zijn essentieel voor elke langdurige missie naar de rode planeet, maar deze stoffen vanop de aarde naar Mars vervoeren zou maar liefst honderdduizend euro per kilogram kosten. Ruimteschepen zijn dus niet alleen lichter door de stoffen ter plaatse te produceren, het proces is ook goedkoper en efficiënter. Naast het persbericht over dit onderzoek van PLASMANT op hun website toont ESA haar interesse door verdere financiering van het project, al blijft een bemande missie naar Mars een langetermijnplan.
- Login om te reageren