Plasma — aine 4. olek: definitsioon, omadused ja kasutusalad

Plasma on aine 4. olek. See tekib siis, kui gaasi osakesi mõjutatakse nii palju energiat, et osa elektronidest vabaneb aatomitest ja tekivad vabad elektronid ning positiivsed ioonid. Seda protsessi nimetatakse ionisatsiooniks. Tulemusena moodustub elektriliselt neutraalne segu laetud ja neutraalsetest osakestest, mis käituvad kollektiivselt ja reageerivad tugevalt elektromagnetväljadele.

Mis juhtub ioniseerumisel ja miks plasma eristub gaasist

Iooniseerumise käigus tekkivad negatiivselt laetud elektronid ja positiivselt laetud ioonid mõjutavad üksteist ja välistest väljadest tulenevaid jõude. Kuna osakestel on elektrilaeng, tõmbuvad või lükkuvad nad teineteisest eemale vastavalt elektri- ja magnetväljadele, mistõttu plasma käitumine erineb oluliselt neutraalse gaasi omast. Näiteks saab magnetvälja kasutada plasma piiramiseks ja suunamiseks, kuid sama meetod ei ole efektiivne tavalise gaasi "hoidmiseks". Plasma üldine elektrijuhtivus võib ületada juhtivust metallidel — sageli öeldakse, et plasma juhib elektrit paremini kui vask.

Temperatuur, rõhk ja energiategurid

Plasma on tavaliselt väga kuum, sest elektronide ja aatomituumade vaheliste sidemete lõhkumiseks on vaja suuri energiahulkasid ning seetõttu kõrgeid temperatuure. Samas võib plasma eksisteerida ka madalatel temperatuuridel (nn külm plasma), kus elektronid on kuumad, kuid ioonid ja neutraalsed osakesed on jahedamad. Plasmade rõhk võib varieeruda väga madalast kuni väga kõrgeni — kõrged rõhud esinevad näiteks tähtedes, sealhulgas Päike) koosnevad enamasti plasmast, samas kui kosmoses on plasma äärmiselt hõre (kosmoses).

Plasma universumis ja Maal

Arvatakse, et üle 99% nähtava universumi ainest on plasma. Kui gaasi aatomid lagunevad, nimetatakse tükke elektronideks ja ioonideks. Plasma kollektiivne käitumine, sealhulgas sellised nähtused nagu lainelevi, magnetilised paisumised ja instabiliteedid, määravad paljude tähtsate kosmiliste protsesside käiku — alates tähetekkelepingest kuni päikesetormi mõjuni Maa magnetosfäärile. Maal tekib plasma näiteks välgu ajal.

Plasma omadused lühidalt

• Laengute olemasolu: sisaldab vabu elektrone ja ioone.
• Debye varjestus: plasmal on võime varjestada elektrivälju teatud pikkusega (Debye pikkus), mis mõjutab väljade levikut.
• Plasmasagedus ja lainetus: plasmas esinevad kollektiivsed lainetüübid (näiteks elektron- ja ioonilaineid).
• Kõrge elektrijuhtivus: võimaldab kiiret voolu ja tugevaid voolukanaleid (näiteks helid).
• Reageerimine elektromagnetväljadele: võimaldab plasmat manipuleerida magnetkorpuste ja voolude abil.

Inimtekkelised plasmakasutused

Plasma kunstlik (inimtekkeline) kasutamine on igapäevases elus ja tööstuses laialt levinud. Näited:

• Luminofoorlambid ja neoonmärkide valgustus — gaasiplasma, kus elektrivool tekitab valguse läbi eralduvate footonite.
• Plasmakuvarid (varasem ekraanitüüp televisioonides ja monitorides) — plasmarakud, mis toodavad valgust, ioniseerides väikese koguse gaasi iga pikslikoha kohal.
• Plasmalambid ja -gloobused, mis on populaarne kaunistus ja mänguasi, kujutavad tihti nähtavaid elektriliste niitide ja värviliste välkude sarnaseid efekte.
• Plasma lõikurid ja keevitusseadmed — tööstuslikud rakendused, kus kuum plasma sulatab metalli.
• Plasmapõhine pindade töötlus, steriliseerimine ja meditsiinilised rakendused — madalpinge "külm plasma" suudab hävitada baktereid ja inaktiveerida patogeene.
• Laenustuled ja tulevikutehnoloogiad: elektrisüttivad valgusallikad, gaasitöötlus, pinna-keemikaalide modifitseerimine jne.

Plasma ja energia: termotuumasüntees

Teadlased uurivad plasmat ka tulevikuenergia eesmärgil. Üks võtmetõmbe on tuumaenergiat arendav tehnoloogia, mida nimetatakse termotuumasünteesiks. Selles protsessis sulavad kerged tuumad (nagu deuteerium ja tritium) kokku suuremateks tuumadeks, vabaneb väga suur hulk energiat ja jääkproduktiks on suhteliselt vähe radioaktiivseid jäätmeid võrreldes tänapäevaste lõhustuspõhiste tuumajaamadega. Termotuumasüntees nõuab plasma väga kõrgeid temperatuure ja selle talletamist magnetväljade abil (nt tokamakid ja stellaratorid) või inertse kihi abil (inertiaalne sulgemine).

Uued ja arenevad rakendused

• Plasmatel põhinevad raketimootorid (plasma- ja ioonmootorid) satelliitide ja kosmoseaparaatide lühemaks või tõhusamaks manööverdamiseks.
• Meditsiinilised protseduurid, sealhulgas haavade paranemine ja bakterite hävitamine, kus kasutatakse külma plasma steriliseerivaid omadusi.
• Põlevkivi- ja materjalitööstuse rakendused, pinna ülesehitus ja hapestamine, pooljuhtide töötlemine.

Turvalisus ja väljakutsed

Plasmat iseloomustavad suured energiatihedused ja tugevad elektromagnetväljad, mistõttu selle käsitlemine nõuab spetsiaalset varustust ja kaitsemeetmeid. Termotuumasünteesi realiseerimine tehniliselt jätkuvalt keerukas: vajalik on kontrollitud, pikaajaline plasma talletamine ja võrreldes väikeste katsetega seda tuleb skaleerida tootmistasemele.

Kokkuvõte

Plasma on eriline aineolek, kus vabad elektronid ja ioonid annavad materjalile unikaalsed elektri‑ ja magnetilised omadused. See on väga levinud kosmoses ja täiendavalt väga mitmekülgne tööriist Maal — alates igapäevasest valgustusest kuni tipptasemel teadusuuringute ja potentsiaalse puhta energiakandjani, nagu termotuumasüntees. Maal näeme plasmat näiteks välkus, laboris ja tööstuses aga kontrollitutena seadmetes nagu luminofoorlambid, neoonmargid ja ka plasmakuvarid.