Seniorforsker Yukihiro Kusano har samlet mange års forskning i en doktorafhandling. Her peger han på nye anvendelser af plasmateknologi, blandt andet til møllevingeproduktion.
Plasma er et meget velkendt fysisk fænomen. Lyn og nordlys er plasma, gasserne i solen er plasma. Og mange har vel som barn leget med plasmakugler, hvori man kan få blåviolette lyn til at søge mod fingrene på glasset. Også når det kommer til anvendelse, er plasma udbredt: Neonrør, lavenergipærer og plasmaskærme for bare at nævne nogle få.
Seniorforsker Yukihiro Kusano fra DTU Vindenergi er en af de få forskere i Danmark, som forsøger at finde nye anvendelser af plasma. Hans mangeårige forskning har nu resulteret i en doktorafhandling med titlen ’Atmospheric Pressure Plasmas for Polymer Surface Modification - Alternating Current Gliding Arcs and Ultrasound Enhanced Plasmas.’
Et plasma er en ioniseret gas. Det vil sige en luftart, hvis bestanddele – bl.a. elektroner – er adskilt fra atomerne. Man kan skabe en plasmatilstand ved hjælp af varme eller med et stærkt elektromagnetisk felt. Tilstanden kan udnyttes til overfladebehandling, og det fokuserer Yukihiro Kusanos netop på i sin forskning. Ved at bombardere et materiale med plasma kan man f.eks. erstatte mekanisk slibning af de polymerlag, som limes sammen for at lave en møllevinge.
Doktor uden mastergrad
Da Yukihiro Kusano havde taget sin bachelorgrad i Japan, fik han job hos bildækproducenten Bridgestone i et laboratorium, der forskede i, hvordan man limer emner sammen ved hjælp af plasma.
På et tidspunkt i karrieren fik han mulighed for at tage en ph.d. på Cambridge University, selv om han ikke havde en kandidatgrad. Da han allerede havde været med til at udtage over 60 patenter, vurderede Cambridge, at det var tilstrækkeligt.
"Når vi tilføjer ultralyd, kan vi lave en endnu mere jævn bearbejdning af materialet, især når vi anvender plasma genereret ved lav strømstyrke. Det var et meget overraskende resultat, og det åbner for helt nye anvendelser af plasmateknologi – for eksempel i medicinsk behandling af vores kroppe."
Yukihiro Kusano
Efter sin ph.d. vendte han tilbage til Bridgestone, men fik siden et tilbud fra sin tidligere vejleder om at deltage i et stort EU-projekt. Det takkede han ja til og brød således med den dengang udtalte japanske tradition om at blive i det samme selskab hele livet. Men trodsomskiftelserne har han dog gennem alle 40 år holdt fast i plasmaforskningen.
I 2003 fik han mulighed for at komme til Forskningscenter Risø, hvor han bl.a. arbejdede med plasmabaseret fjernelse af NOx (kvælstof) fra kraftværker. Med en kontakt til vindindustrien så han potentialet for at bruge plasma til at forbedre overfladerne på de polymerer, som limes sammen til møllevinger. For en forbedret overflade medfører større styrke dér, hvor delene limes sammen.
På grund af vingernes størrelse er det dog ikke muligt at arbejde med plasma i vakuum, som man ellers ofte gør. Og det satte retningen for meget af den forskning, som Yukihiro Kusano beskriver i sin afhandling: At arbejde med plasma ved atmosfærisk tryk.
Varmere end solen
”Den metode, jeg beskriver (gliding arc, red.), har faktisk været kendt i over 100 år og har også været anvendt før. Men udfordringen er, hvordan vi kan lave den optimale overflade på en polymer, som skal limes sammen med en anden og holde til meget store kræfter. Det kræver, at den måde, man anvender plasmaet på, skal være meget præcis. Vi bruger stærk strøm, men det betyder, at gassen bliver meget varm. Op mod 6000 grader celsius, ligesom solens overflade. Det kan smelte hvad som helst,” siger Yukihiro Kusano.
Elektronerne i gassen er faktisk endnu varmere, op mod 10.000 grader. De har energi nok til at ændre overfladen på et materiale, men fordi de så godt som ingenting vejer, så trænger de ikke ind. Der er med andre ord brug for høj elektrontemperatur og lav gastemperatur på samme tid. Det klarer man ved at blæse luft mellem elektroderne. Kunsten er at ramme det punkt, hvor gassens temperatur er lav nok til ikke at gøre skade – et par tusind grader - mens elektronernes energi bevares mest muligt.
Plasmabehandling kan lejlighedsvis beskadige polymeroverfladen og skabe en brændt plet. Yukihiro Kusano har derfor fundet en måde at undgå mange af disse skader. Tricket er at tilføje ultralyd i processen. Ultralyd har nemlig den effekt, at den fjerner det meget tynde lag af gas, som helt naturligt er på overfladen af materialet.
”Når vi tilføjer ultralyd, kan vi lave en endnu mere jævn bearbejdning af materialet. Det gør sig især gældende, når vi anvender plasma, som er genereret ved lav strømstyrke. Det var et meget overraskende resultat, og det åbner for helt nye anvendelser af plasmateknologi – for eksempel i medicinsk behandling af vores kroppe, hvor vi jo netop ikke kan bruge stærk strøm. Det er et forskningsområde, som er i vækst internationalt,” siger han.