Lâmpadas mágicas: dispositivos de plasma de microcavidade e suas aplicações comerciais

May 19, 2023

3/11/2022 15:51:05 Michael O'Boyle

Em 1995, o professor J. Gary Eden da Universidade de Illinois foi abordado por James Frame e David Wheeler, dois alunos de pós-graduação do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação.

Eles mostraram a ele um bloco de silício e perguntaram: "Você se importa se fizermos um pequeno furo nele e ver se podemos preenchê-lo com um gás e gerar um plasma?"

"Claro que não, vá em frente", Eden disse a eles.

Vindo 30 anos depois, os descendentes desse experimento inicial constituem uma tecnologia completamente nova: dispositivos de plasma de microcavidades.

Conforme discutido na reportagem de capa de outubro da Plasma Processes and Polymers, eles deram origem a uma série de dispositivos compactos e acessíveis fabricados por três empresas - EP Pure, Eden Park Illumination e Cygnus Photonics - que estão para revolucionar a purificação de água, ar e superfície desinfecção e fabricação de eletrônicos. E tudo porque os pesquisadores da Universidade de Illinois assumiram um projeto que parecia interessante.

Plasmas de microcavidade: menor é melhor

Como outras tecnologias de plasma – incluindo letreiros de neon e lâmpadas fluorescentes – os dispositivos de microcavidades operam aplicando uma alta voltagem para puxar elétrons para longe dos átomos ou moléculas de um gás contido. O resultado, um plasma, pode ser usado para gerar luz ou conduzir reações químicas.

No entanto, em vez de alojá-lo em um tubo grande, a nova tecnologia confina o plasma em uma série de pequenas cavidades, cada uma com menos de um milímetro de tamanho. Isso dá aos dispositivos algumas diferenças importantes que os tornam especialmente atraentes para aplicativos.

Os dispositivos de microcavidade operam à pressão atmosférica, enquanto os gases nos dispositivos de plasma padrão precisam ser bombeados a vácuo. Isso simplifica muito o processo de fabricação, pois a unidade de carcaça não precisa levar em conta a diferença de pressão.

Além disso, o pequeno tamanho da cavidade também significa que eles usam muito menos energia elétrica do que os dispositivos padrão, prolongando significativamente sua vida útil.

Produção de ozônio e purificação de água

A aplicação mais proeminente de dispositivos de plasma de microcavidade até hoje tem sido a produção de ozônio para desinfecção de água potável. A cloração não é viável em muitas partes do mundo e apresenta riscos à saúde humana e ao meio ambiente, tornando a ozonização uma alternativa atraente.

As barreiras tradicionais de custo e consumo de energia são superadas por reatores químicos em miniatura usando plasmas de microcavidades desenvolvidos no laboratório de Eden. Essas unidades produzem ozônio do ar ambiente a uma taxa de 0,3 gramas – o suficiente para desinfetar 10 galões de água – por hora. Por serem pequenos e consumirem menos de 15 watts de energia elétrica, eles se mostraram ideais para a desinfecção de água potável em comunidades fora da rede em mais de 20 países.

As maiores instalações para usar esses dispositivos estão operando na região de Kisumu, no oeste do Quênia. Construído e instalado por uma parceria entre a Universidade de Illinois em Chicago, o Safe Water and AIDS Project do Quênia e a Eden Park Foundation, cada um dos dois "quiosques" autossuficientes produz 2.000 litros de água potável todos os dias a partir de rios contaminados. ou águas superficiais, e são operados, mantidos e administrados por quenianos locais.

luz germicida

A aplicação de fontes de luz de plasma de microcavidade para desinfetar o ar e as superfícies em espaços públicos atraiu intensa atenção nos últimos três anos.

Lâmpadas que emitem luz ultravioleta para matar micróbios - as chamadas "lâmpadas germicidas" - são uma tecnologia bem estabelecida, mas o comprimento de onda que usam, 254 nanômetros, é conhecido por ser cancerígeno para os humanos. Com base na tecnologia da Universidade de Illinois, a Eden Park Illumination projetou uma lâmpada de microcavidade que emite luz de 222 nanômetros que mata patógenos virais e bacterianos. No entanto, o comprimento de onda não pode penetrar na camada externa da pele humana, por isso é seguro para exposição humana.