Quais são as aplicações da física dos plasmas?

A2a: Vou responder com alguns exemplos históricos e atuais, e terminar com onde acho que pode beneficiar a sociedade no futuro.

a) Iluminação (fluorescente, néon, holofotes etc.)
b) Corte/soldagem.
c) Deposição de vapor (revestimento/doping)
d) Fusão nuclear (aplicação semi-futura)
e) Propulsão por foguete (aplicação presente e futura em crescimento!)

Mas como Marko aludiu em sua resposta sobre fabricação de chips, eu acho que o futuro está no que eu chamaria de refinação de plasma, ou eletrólise assistida por plasma, impulsionada em parte pelo já baixo e decrescente custo das fontes de energia renovável.

No momento nós usamos muitos processos (relativamente!) de baixa temperatura para refinar materiais, como minério de ferro para aço. Tipicamente, o carbono (carvão) é frequentemente utilizado tanto como fonte de calor, quanto como agente redutor. Ou utilizamos eletrólise (minério de bauxita para alumínio).

Existem atualmente centenas de refinarias bastante especializadas para fundição e purificação de metais e produtos químicos inorgânicos de grande utilidade para a sociedade. Existem também várias dezenas de aplicações onde os minérios úteis são misturados inerentemente com impurezas difíceis de separar, das quais gostaríamos de nos livrar, mas não temos a tecnologia para o fazer.

Finalmente, existem muitos minérios que já processamos com elementos vestigiais significativos (como o Vanadium e metais de terras raras) de materiais de alto valor, dos quais esses elementos vestigiais não podem ser recuperados economicamente; esses elementos vestigiais acabam na escória em lixeiras.

Todos esses processos são tipicamente endotérmicos (ou seja, eles requerem energia para fazer a reação de redução acontecer.) Normalmente a cinética de reação começa a favorecer o lado endotérmico da reação à medida que a temperatura aumenta.

Então, por exemplo, se você aquece a água a uma temperatura suficientemente alta para colocá-la em um estado de plasma (alguns milhares de graus Kelvin!) Ele irá dissociar-se muito feliz em átomos H e O em um plasma, e se você for esperto o suficiente você pode ser capaz de separá-los em fluxos de gás H2 e O2 (digamos com uma hipotética centrífuga de plasma!) Ou você poderia usar eletrólise em um plasma de temperatura ligeiramente mais baixa para ajudar na separação. Como os produtos materiais se condensam ao estado gás/líquido, eles podem ser refinados no que é efetivamente um processo de destilação.

>p> Os três principais problemas são:
a) Gerenciamento da eficiência energética e recuperação (reciclagem do calor dos produtos à medida que esfriam, para pré-aquecer parcialmente o minério que chega ao estado de plasma)
b) Gerenciamento da transferência de calor para as paredes (de modo a não derreter o vaso do forno de plasma!), e para evitar a condensação do material em locais indesejados.
c) Controle do plasma para alcançar a separação desejada.p> Pode-se imaginar um forno de centrífuga de plasma genérico assistido por eletrólise, controlado por campos magnéticos e elétricos, capaz de refinar praticamente qualquer fluxo de minério em fluxos de produtos puros de materiais úteis. Por analogia é para refinar o que é uma impressora 3D para a construção de peças.

P>Pode ser feito economicamente? Bem, essa é a questão. Inicialmente ela teria que começar com aplicações de alto valor e trabalhar para baixo em produtos mais baratos como as economias de escala ditam. Pode-se imaginar refinar asteróides no espaço por este tipo de método. E sim, muitos autores de ficção científica, incluindo Ben Bova, foram antes de mim neste tipo de pista.