Исследователи Института прикладной физики РАН впервые смогли утилизировать углекислый газ с помощью неравновесной плазмы разряда, который создается и поддерживается СВЧ-излучением мощного гиротрона. Степень разложения CO₂ достигла более 30% при энергоэффективности около 10%. На данный момент по этим показателям новый метод превосходит все аналоги.

Статью о разработке исследователи опубликовали в журнале Journal of COM2 Utilization.

Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли постоянно увеличивается со скоростью 2–3 миллионных доли в год. Это в несколько раз превышает уровни доиндустриальной эпохи. Такие высокие темпы роста могут стать причиной необратимых изменений климата, вызванных повышением температуры по всей планете. Поэтому на сегодняшний день по всему миру растет спрос на технологии утилизации углекислого газа в промышленных масштабах.

Основная проблема утилизации этого соединения заключается в том, что молекула углекислого газа очень стабильна. Чтобы разорвать связь углерода с кислородом, необходимо большое количество энергии. Сделать это, однако, можно, если нагреть газ до очень высоких температур — 3000 К и выше. Но для нагрева газа до такой температуры потребуется энергия, при генерации которой выделится большее количество CO₂. Также высокая температура газа может породить обратную реакцию. В ходе нее получившийся угарный газ (CO) и кислород (O₂) соединятся обратно в углекислый газ.

Одна из наиболее перспективных технологий утилизации углекислого газа связана с разложением в неравновесной плазме сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда. В ней молекулы распадаются за счет энергии электронов. С помощью такого механизма процесс разложения можно проводить при низких температурах газа.

Из-за этого достигается выигрыш в энергии по сравнению с методами равновесного нагрева. Российские ученые смогли осуществить такой метод на практике, используя разработанные ими технологические гиротроны. Это источники электромагнитного излучения высокой мощности, излучающие волны сантиметрового и миллиметрового диапазона.

Ученые разлагали углекислый газ с помощью сфокусированного непрерывного микроволнового излучения гиротрона с частотой 24 ГГц и мощностью до 5 кВт. Исследователи тестировали метод как в потоке чистого CO₂, так и в его смеси с аргоном при атмосферном давлении. Ученые показали, что неравновесная плазма с температурой электронов не менее 4000‒8000 К и температурой газа около 2000‒3500 К способна разрушать молекулы углекислого газа даже при атмосферном давлении.

Такие мягкие условия позволяют отказаться от использования вакуумных насосов для создания пониженного давления. Сочетание возможности проводить процесс при атмосферном давлении с использованием неравновесной плазмы позволяет существенно снизить энергопотребление установки по утилизации CO₂ и сделать ее выгодной для использования в промышленных масштабах.