KTU fizikos profesorius L. Marcinauskas: „Plazmos fizika – svarbus ateities technologijų garantas“

Fizikos mokslas, tiriantis bendrąsias materijos savybes, struktūrą ir judėjimą, dažnam žmogui atrodo sudėtinga ir paslapties šydo dengiama sritis. Tačiau pažvelgę giliau į atskiras šio mokslo šakas galime būti tikri – naujausios technologijos negali egzistuoti be fizikos. Atrakinti plazmos bei plazmos fizikos paslaptis saugančias duris padės Kauno technologijos universiteto (KTU) Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (MGMF) fizikos profesorius Liutauras Marcinauskas.

Plazma – tai ketvirta materijos būsena, pilnai ar dalinai sudaryta iš jonizuotų dujų. Plazma gaunama kaitinant dujas iki aukštų temperatūrų arba jas veikiant stipriu elektriniu lauku, kuomet dujų atomui ar molekulei netekus elektrono, susidaro neigiami krūvininkai – elektronai, ir teigiami krūvininkai – teigiami jonai arba teigiami molekuliniai jonai. Plazmoje teigiamųjų ir neigiamųjų krūvių tankiai yra beveik vienodi, o didėjant krūvininkų skaičiui plazmos jonizacijos laipsnis didėja taip pat.

Nors plazma ir plazminės technologijos jau yra gana plačiai taikomos įvairiose medicinos, žemės ūkio, elektronikos, metalurgijos, aeronautikos, automobilių pramonės ir kitose srityse, tačiau vis dar yra daug neatrastų plazmos panaudojimo galimybių, kurios iš pirmo žvilgsnio gali pasirodyti tarsi tai būtų mokslinė fantastika.

– Jūsų mokslinė sritis – plazmą ir jos taikymas. Daugeliui tai asocijuojasi su jonosfera, Šiaurės pašvaiste ar žaižaruojančiais žaibai padangėje, tačiau egzistuoja ir dirbtinai sukurta plazma. Kokios jos panaudojimo galimybės? Ar galime su ja susidurti savo kasdienybėje? Kažkur esu skaičiusi, kad ateities lėktuvai galėtų skristi ant plazmos sparnų. Kaip manote, ar tai – mokslinė fantastika?

– Gamtoje daugelyje reiškinių egzistuoja plazma, tik dažnai tai nėra tiesiogiai įvardijama. Pasaulyje mokslininkai su plazma ir jos taikymu įvairiose srityse jau dirba daugiau nei 100 metų. Įrenginiai, skirti plazmai išgauti, buvo pradėti kurti siekiant išgauti naujas medžiagas bei naujus sluoksnius, kurių sukurti realiomis sąlygomis nepavyktų.

Vykdant kosminius tyrimus ir konstruojant naujus kosminius erdvėlaivius reikėjo ištirti ir sukurti medžiagas, kurios būtų atsparios aukštai 2000-3000 K temperatūrai. Tam buvo kuriami plazmos generatoriai, kuriuose buvo išgaunama aukštos temperatūros (5000-10000 K) plazma. Tokių įrenginių pagalba buvo galima ištirti, kaip medžiagos, skirtos apsaugai nuo aukštos temperatūros, galėtų elgtis realiomis sąlygomis kosmose, kokioms temperatūroms būtų atsparios, per kiek laiko būtų pažeistos ir t. t.

Vėliau plazma pradėta taikyti ne tik moksliniuose tyrimuose, bet ir medicinoje, buityje. Pavyzdžiui, plazmos technologijos puikiai taikomos sporto medicinoje, ortopedinėje chirurgijoje ir kitur. Pats paprasčiausias pavyzdys – visiems gerai žinomas diskotekoms skirtas šviestuvas – stiklinis rutulys su viduje įtaisytu elektrodu,  užpildytu inertinėmis  dujomis, kuriame vyksta dujų išlydis t. y. gaunama plazma. Palietus tokio stiklo rutulio paviršių, elektrinio išlydžio juostelės „susirenka“ aplink jį liečiančią ranką, sukurdamos nuostabų žaižaruojantį efektą.

Na, o dėl jūsų minėtų „švytinčių“ lėktuvų ar automobilių – tai nemanau, kad tai mokslinė fantastika. Mokslininkai nepaliauja eksperimentuoti su plazma ir aš manau, kad plazmos fizika – svarbus ateities technologijų garantas.

Antai JAV Prinstono universiteto Plazmos fizikos laboratorijos mokslininkai kuria mašininio mokymo algoritmus, kuriais būtų galima numatyti plazmos dalelių elgesį ir vykstančius fizikinius procesus branduolinės sintezės eksperimentuose. Visai tikėtina, kad netolimoje ateityje plazma galėtų būti pritaikyta ir aviacijoje. Nors atrodo, kad tai mokslinė fantastika, tačiau jau kuriami plazmos įrenginiai –plazmos vykdikliai (angl. plasma actuators) – skirti aerodinaminiam srautui valdyti. Šiuos plazmos įtaisus sumontavus ant lėktuvų sparnų būtų žymiai lengviau valdyti pilotuojamo lėktuvo aukštį ir skrydžio trajektoriją, o tai leistų ne tik stabiliau sklęsti lėktuvui, bet ir patys skrydžiai būtų žymiai saugesni. Kita vertus, tai ženkliai sumažintų naudojamo kuro sąnaudas, o tai reiškia, kad būtų sumažinta ir oro tarša.

– Jūsų pasakojimas labai įspūdingas o naujieji plazmos taikymai nuteikia išties optimistiškai. Papasakokite apie pačią plazmą. Asmeniškai man plazma asocijuojasi su didžiuliu atviros liepsnos karščiu, sprogimu, bet, jeigu neklystu, egzistuoja ir šaltoji plazma? Kas tai per reiškinys ir kaip tai veikia?

– Taip, plazmą sudaro elektronai, teigiami jonai ir neutralios molekulės ar atomai. Atsižvelgiant į šių dalelių temperatūrą plazma yra skirstoma į karštąją ir šaltąją. Šaltojoje plazmoje elektronų temperatūra siekia dešimtis tūkstančių laipsnių, tuo tarpu dujų atomų, molekulių ir jų jonų temperatūra yra artima kambario temperatūrai.

Fluorescencinėje lempoje esančių elektronų temperatūra gali siekti net 20000 K, tačiau ją palietus, mes nejausime, kad ji būtų karšta. Taip yra todėl, kad elektronų skaičius (koncentracija) yra sąlyginai nedidelis lyginant su ore esančių molekulių skaičiumi, kurios yra kambario temperatūros. Taigi ir šilumos kiekis, kurį elektronai perduoda atsitrenkdami į lempos sieneles, bus mažas, o plazmos šiluminė talpa išliks sąlyginai nedidelė. Tokią plazmą galima gauti atmosferos slėgyje ir kambario temperatūroje. Joje gausime aukštos temperatūros elektronus, kurie sąveikoje su įvairiomis dujomis generuos chemiškai aktyvias daleles (jonus, radikalus, sužadintas daleles ir t. t.), kurios savo ruožtu sukels įvairias chemines reakcijas. Valdant šias chemines reakcijas ir jų metu gautus produktus – plazmą – galime naudoti įvairiose srityse.

– Kokia, Jūsų manymu, galėtų būti plazmos fizikos ar apskritai fizikos mokslo ateitis? Į kokias sritis, be anksčiau minėtų, galėtų plazmos fizika būti integruota?

– Plazmos taikymo sritys apima ne tik medžiagų inžinerijos sritis (naujų medžiagų, nanomedžiagų gavimą ar sluoksnių gamybą). Pastaruoju metu plazminės technologijos naudojamos biomedicinoje (odontologijoje, pvz., medicinos prietaisų sterilizacija), maisto pramonėje (pakuočių gamyboje, maisto apdorojimui), aplinkosaugoje (vandens valymui, pavojingų atliekų neutralizavimui, komunalinių atliekų skaidymui ir t. t.), žemės ūkyje (augalų sėklų apšvita, dezinfekcijai (apsaugai) nuo ligų, trąšų gamybai, ir t. t.), energetikoje (tokamakų – įrenginių, kuriuose valdant plazmos srautus, būtų galima vykdyti atomų branduolių sintezės reakcijas ir taip sukurti milžiniškus energijos kiekius).

Intensyviai kuriami nauji prietaisai plazmai generuoti ir čia be inžinerinių ar technologinių žinių reikalingos ir fizikinės žinios apie plazmą, joje vykstančius procesus, jos sukeltą poveikį ir t. t.

– Jūs vadovaujate COST veiklų projekto „Plazmos taikymas pažangaus ir tvaraus žemės ūkio kūrimui“ tyrimams. Papasakokite plačiau: koks šio projekto tikslas? Kaip planuojama plazmos technologijas pritaikyti žemės ūkyje?

– Ši COST veikla vienija Europos Sąjungos mokslininkus ir skirta sujungti skirtingų mokslo sričių gamtos (chemijos, fizikos, biofizikos, biologijos), technologijų (medžiagų inžinerijos, aplinkos inžinerijos) ir žemės ūkio (agronomijos) mokslų tyrėjus siekiant esamas plazmines technologijas pritaikyti augalų, augalų sėklų bei maisto apšvitai, užteršto vandens ar dirvožemio valymui, naudoti plazmą kaip ekologišką metodą augalų derlingumui padidinti, naujų plazminių sistemų kūrimui ir plazmos technologijų įdiegimui žemės ūkyje.

Siekiant plazmą taikyti žemės ūkyje susiduriama ne tik su technologinėmis problemomis kuriant plazminius įrenginius, bet ir su fundamentinių žinių trūkumu. Pavyzdžiui,  kaip plazmos sudėtis, joje susidarančių dalelių koncentracijos ar apšvitos trukmė paveiks augalų sėklas, augalų daigumą, kokie biocheminiai procesai vyks plazma paveiktose sėklose, augaluose; ar tokie augalai bus atsparūs kenkėjams bei ligoms, ar tai nesukels šalutinio poveikio aplinkos ekosistemoms ir t. t. Siekiant atsakyti į šiuos klausimus reikalingas tarpdisciplininis bendradarbiavimas tarp plazminių technologijų, augalų biotechnologijos, agronomijos ir aplinkosaugos srityse dirbančių specialistų.

– Iš Jūsų įžvalgų galėtume daryti išvadą, kad ir plazmos fizikos, ir fundamentaliosios fizikos taikymo galimybės labai plačios ir tokių specialistų vis dar reikės. Ar fizika – perspektyvi šaka?

– Ne „vis dar reikės“, bet reikia ir reikės nuolat, nes fizikos specialistų poreikis pasaulyje yra didžiulis. Dauguma naujų technologijų vienaip ar kitaip yra susijusios su fizikiniais reiškiniais ir jų taikymu, todėl fizikos specialistų poreikis tik augs.

Ne išimtis ir Lietuva, kur fizikos, medžiagų fizikos ir nanotechnologijų specialistų nuolat trūksta, o ateityje šių specialistų poreikis dar labiau didės, nes jie tampa neatsiejama bet kurios verslo srities, kur taikomos technologijos, dalimi.

Kalbino Virginija Klusienė