CWI verbetert ontladingsmodellen voor technische toepassingen

Met gepulste elektrische ontladingen  worden  belangrijke technische toepassingen ontwikkeld, zoals het zuiveren van vervuilde lucht in snelwegtunnels, desinfectie en wondgenezing. Doordat fysische en chemische processen zich hierbij op heel verschillende lengte- en tijdschalen afspelen, is het heel moeilijk om een hele ontlading te modelleren. Wiskundige Aram Markosyan, promovendus van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam, ontwikkelde betere modellen voor deze ontladingen en maakte een open source softwarepakket – PumpKin – om chemische reacties te analyseren die worden gestart door de ontlading. Op maandag 19 mei promoveerde hij aan de Technische Universiteit Eindhoven op zijn proefschrift ‘Modeling multiple time scales in streamer discharges’. Vanuit de industrie en de academische wereld is er veel interesse voor zijn onderzoek.

Gepulste ontladingen ontstaan door plotseling hoge spanningsverschillen aan te leggen over lucht, uitlaatgassen en andere gassen. In kortdurende ontladingen - van tientallen nanoseconden - is het gas niet heet (‘koude bliksem’). De elektronen worden daarna sterk versneld en botsen met de moleculen, wat een chemische kettingreactie veroorzaakt.  De scheikundige producten die daarbij ontstaan worden  bijvoorbeeld gebruikt voor pijnloze wondgenezing en desinfectie. Voor zowel de korte als de langere tijdsschalen zorgde Markosyan voor verbetering van de modellen en simulaties.

Om de eerste nanosecondes van ontladingen beter te beschrijven, die streamer-fase wordt genoemd, ontwikkelde Markosyan een ‘high order fluid model’ samen met oud-CWI-onderzoeker Sasha Dujko in Belgrado. Voor latere fases van de ontlading ontwierp hij samen met nog een oud-CWI-onderzoeker, Alejandro Luque in Granada, het softwarepakket PumpKin – dat staat voor ‘Pathway reduction method for plasma kinetic models’. De onderzoeker legt uit: “In lucht zijn er honderden componenten en duizenden reacties. Door deze complexiteit duurt zelfs een vereenvoudigde simulatie op een supercomputercluster erg lang, in de orde van weken. Met ons nieuwe softwarepakket kan de complexiteit van het systeem erg vereenvoudigd worden, met berekeningen van nog maar een paar uur. Dankzij onze automatische wiskundige analyse komen resultaten heel goed overeen met de niet-vereenvoudigde methoden en met de experimenten. Dit is een grote verbetering, zowel in tijd als in kwaliteit – ook ten opzichte van commerciële softwarepakketten.”

De onderzoeksresultaten kunnen worden gebruikt om de chemische samenstelling van de atmosfeer te beschrijven bij klimaatonderzoek, bij plasmaonderzoek, het ontwerp van high-voltage switches en voor andere energie- en kostenefficiënte streamertoepassingen. De ontwikkelde software kan ook worden gebruikt voor de ontwikkeling van efficiënte duurzame energie-opslag  door het recyclen van kooldioxide. Het promotieonderzoek werd gefinancierd door STW en uitgevoerd in de Multiscale Dynamics onderzoeksgroep van het CWI, geleid door Ute Ebert. Energie is een van de speerpunten van het Centrum Wiskunde & Informatica.

Meer informatie
- de homepage van de  Multiscale Dynamics onderzoeksgroep op het CWI
- PumpKin code en manual: http://www.pumpkin-tool.org.

Foto's (hierboven): Armen Inants (Inria)

 

Ontladingen. Beeld: Sander Nijdam, TU/e.