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用等离子技术“喂”饱全世界

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科技工作者之家 2021-02-22 10:00
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正在劳作的乌干达农民。

在乌干达测试的等离子体反应器。

用最先进的等离子技术为农民提供廉价肥料?这听上去像是在变魔术。phys.org网站当地时间2月18日报道,荷兰埃因霍温理工大学(TU/e)的研究人员研发了一种小型等离子设备,它能只利用太阳光、水和空气生产氮基液体肥料。

TU/e研究人员Fausto Gallucci教授与非洲、德国和葡萄牙的合作伙伴已经在乌干达成功完成了装置测试。他说:“这种等离子动力装置装配简单、可持续性好,并且非常高效。我们希望将这种微型装置推向市场,造福世界各地的农民。”

不断增长的世界人口对粮食产量形成了巨大挑战。据预测,到2030年,地球人口将达到86亿,到2050年将接近100亿。人工肥料,尤其是含氮肥料,是确保粮食稳产、增产的重要保障。2015年,每两个人中就有一个人食用氮基肥料种植的食物。在未来几年中,这一比例还可能继续攀升。

人工肥料在发达国家的应用非常广泛,在发展中国家的应用却并不普遍。在非洲,60%左右的农民只有不到一公顷的可支配土地。贫穷的非洲农民没有富余资金去购买化肥。

等离子体设备是如何工作的呢?Gallucci说:“小型肥料机使用的是非热等离子体技术。等离子体是物质的第四种状态,由电离的原子和分子构成。当驱动反应的电子达到极高温度时,其周围的气体仍然能够保持相对低温。这当然会非常节能。”

用等离子体反应器制造氮肥的过程涉及固氮作用。虽然空气中有78%的气体是氮气,但氮气的化学惰性使其无法与其他元素发生反应。固氮作用解决了化学惰性问题,它将氮气转化为氮氧化物,氮氧化物与氧气和水反应生产硝酸盐。硝酸盐是液态氮肥的主要成分之一。Gallucci教授团队研究人员Sirui Li说:“要启动转化过程,首先必须引入电荷来‘激活’氮气分子。”产生等离子体的电能由太阳能提供,这是在发展中国家能够广泛使用的廉价可持续能源。用太阳能推动肥料机是非常高效的,它制造出的富含硝酸盐的液态肥料很容易被作物吸收。在乌干达,研究人员将硝酸盐肥料与市售氮肥进行了比较分析,发现前者的氮含量高达20%,比固体肥料硝酸铵、氮磷钾和尿素分别高14、42和51个百分点。Li说:“更重要的是,液体肥料可以就地按需生产。这样,每个农民都可以精确地选择作物和肥料量。”

目前,等离子体肥料机的成本仍然很高(接近7万欧元),但Gallucci教授认为,随着设备的大规模生产,其价格将大幅降低。他说:“在未来,非洲的小农户们能单独或集体购买肥料机。随后,集体可以将肥料机租给农民,或者直接将肥料出售给其他村庄。”

科界原创

编译:雷鑫宇

审稿:西莫

责编:陈之涵

来源:埃因霍温理工大学

原文链接:https://phys.org/news/2021-02-plasma-technology-world.html

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