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Atividade Financiada

Interação-Plasma-Superfície (Dados e ferramenTas) Modelização aCOplada

Plasma-Surface-Interaction (Data and Tools) COupled Modelling

Referência
2022.04128.PTDC
Data de Início do Projeto
2023-03-12
Data de Fim do Projeto
2026-09-11
Investigador Principal
Coinvestigador Principal
Área Científica
Ciências exatas
Programa de Financiamento
Concurso de Projetos de I&D em Todos os Domínios Científicos - 2022 - ICDT

Resumo

O projeto "Plasma-Surface-Interaction (Data and Tools) COupled Modeling" (PSI.COM) aborda a modelização acoplada da química plasma-superfície em misturas N2-H2, incluindo: associar a reatividade em volume e em superfície nas simulações de plasma; explorar o potencial de medidas controladas de alta qualidade numa interação com simulações cinéticas autoconsistentes dependentes do tempo; aceitar a triagem/redução de esquemas químicos como componente essencial de modelização; e publicar dados validados em plataformas web. Compreender os principais caminhos cinéticos da síntese de NH3 em plasmas N2-H2 poderá ajudar à produção de fertilizantes em larga escala e a baixo custo, e a mitigar a geração de NH3 em máquinas de fusão. E abordar este assunto abre outros caminhos de pesquisa: - identificar as principais espécies e os mecanismos de volume/superfície que controlam o comportamento de não-equilíbrio dos plasmas N2-H2; - quantificar a contribuição desses mecanismos para a incerteza nos resultados de modelização; - explorar a influência de excitações pulsadas na química gás/plasma e nas trocas de energia; - otimizar a produção de amoníaco assistida por plasma; - propor uma ontologia para (re)definir uma base de dados para a química plasma-superfície. Estas questões desafiantes serão abordadas em PSI.COM, aproveitando a experiência complementar em modelização e diagnósticos de plasmas de baixa temperatura (LTP) do grupo N-PRiME (N-Plasmas Reactive: Modeling and Engineering, IPFN) e dos nossos colaboradores do LPP (Laboratoire de Physique des Plasmas, EP). A descrição das interações plasma-superfície (PSI), incluindo a alteração do estado original plasma/superfície, é uma componente essencial da modelização preditiva para alcançar compreensão fundamental e permitir a otimização e controlo do processamento a plasma. A falta de dados para descrever a superfície é frequentemente invocada para evitar a extensão de modelos à PSI. No entanto, uma interação inteligente com experiências dedicadas pode fornecer informações sobre a evolução do plasma e da superfície. A discriminação de espécies e mecanismos pode ser reforçada com a introdução de uma análise dependente do tempo de descargas luminescentes pulsadas repetitivas e suas pós-descargas (monitorando temperaturas do gás/parede), para uma configuração cilíndrica de raio ~1cm,a ~10mA e ~1-10Torr, com vários catalisadores. De facto, as descargas luminescentes AC/DC provaram ser excelentes bancos de ensaios para modelização, devido aos plasmas quiescentes que criam, e revelaram alto rendimento na produção de amoníaco assistida por plasma, ao usar quartzo revestido com Ag como elétrodo e catalisador. Um esquema químico N2-H2 será validado confrontando diagnósticos espectroscópicos ópticos/laser/massa e simulações autoconsistentes obtidas com a ferramenta LisbOn KInetics (LoKI), melhorando o conhecimento sobre a cinética eletrónica e de espécies pesadas em volume, o transporte de espécies para as paredes e a cinética de superfície. As características atuais de LoKI serão estendidas a uma descrição dependente do tempo, acoplando os módulos Boltzmann/Químico, integrando a descrição das espécies de superfície com parâmetros dependentes do catalisador e incluindo o balanço térmico gás/plasma. Uma versão web do módulo Boltzmann (LoKI-B) será também desenvolvida, usando uma GUI para cálculos online. Após validação, o esquema químico N2-H2 será reduzido aos mecanismos que contribuem efetivamente para os resultados e a definição de caminhos cinéticos, implementando um conjunto de ferramentas em LoKI para análise de sensibilidade (SA) que restringem o espaço de trabalho ao efetivamente analisado nas experiências, filtram mecanismos identificando os dados de entrada mais influentes nos resultados, e quantificam incertezas nas previsões do modelo. As ferramentas de LoKI para SA incluirão abordagens usadas no contexto de machine learning, para otimizar os métodos adotados, reduzir custos computacionais e obter conclusões aprimoradas para a redução de modelos. Finalmente, identificaremos os principais caminhos cinéticos para a síntese de NH3 em plasmas N2-H2, fornecendo pistas para otimizar este processo assistido por plasma. O esquema e os dados da cinética de N2-H2 serão publicados em plataformas web de acesso aberto, nomeadamente a atual LXCat para colisões eletrónicas e a futura CHEMCat para a química de plasmas. Tomaremos parte ativa (científica e técnica) no esforço comunitário para melhorar/desenhar essas bases de dados, orientando a definição de padrões de nomenclatura de espécies, classificando reações e organizando dados relevantes; na escolha de formatos completos e claros para trocar dados; e no armazenamento e acesso eficiente a esses dados. A realização destas tarefas, a serem desenvolvidas em estreita parceria com o grupo LXCat, é essencial para a disseminação de esquemas e dados de química de plasmas, tendo em vista a futura definição de "mecanismos de reação" em LTP.

Instituições

Instituições Principais

  • Associação do Instituto Superior Técnico para a Investigação e Desenvolvimento (IST-ID)

Outras Instituições

  • École Polytechnique (EP)
  • Universidade do Minho (UMinho)

Financiamento 249.149,99 €

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - Portugal

249.149,99 €