پلاسما سرد می تواند مزارع پایدار آینده را متحول کند
استفان روتر فیزیکدان از Polytechnique Montréal بیشتر روزها را صرف استفاده از تخصص خود در زمینه انرژی و ماده برای بهبود فناوری های پزشکی می کند. هر چند اخیراً ، او در دریای سبز ایستاده بود تا ببیند باران ذرات باردار چگونه می تواند بر کاهو تأثیر بگذارد.
او به یکی از بزرگترین گلخانه های تجاری کبک دعوت شده بود تا به تولیدکنندگان در تجدید نظر در زمینه انرژی کشاورزی کمک کند. در داخل ساختمان ، که توسط دیوارهای شیشه ای احاطه شده و بیش از چهار زمین فوتبال را پوشش می دهد ، هزاران هزار گیاه کاهو بر روی تشک های پلی استایرن در یک سیستم هیدروپونیک یا بدون خاک شناور شدند. تقریباً آماده برداشت ، بسته بندی و حمل بود. وظیفه رویتر استفاده از فیزیک برای کمک به شرکت Hydroserre در Mirabel بود تا ردپای کربن خود را کاهش دهد.
به این منظور ، شرکت علاقمند است راه های جدیدی را برای مبارزه با عوامل بیماری زا و رساندن کود به گیاهان در حال رشد پیدا کند. بسیاری از کودها حاوی آمونیاک هستند که از نیتروژن (لازم برای رشد گیاه) و هیدروژن با استفاده از یک واکنش شیمیایی به نام فرایند هابر بوش تولید می شود. این فرآیند در اوایل قرن بیستم با امکان تولید انبوه کود ، کشاورزی را متحول کرد. با این حال ، این فرآیند سالانه صدها میلیون تن دی اکسید کربن تولید می کند.
رویتر می گوید: “در حالت ایده آل ، ما کود تجدیدپذیر می خواهیم.” و برای سبزتر شدن آن ، باید در مزرعه ایجاد شود و حمل و نقل ، یکی دیگر از انتشار دهنده های کربن را غیر ضروری کند. رویتر و تعداد فزاینده ای از شیمی دانان ، فیزیکدانان و مهندسان فکر می کنند می توانند ببینند چگونه این امر محقق می شود. این محققان در حال کار بر روی مزارع آینده هستند که واقعاً پایدار هستند ، جایی که انرژی از منابع تجدیدپذیر مانند باد یا خورشیدی برای ایجاد کود کارآمد در محل استفاده می شود. آنها امیدوارند با بهره گیری از پلاسما بتوانند این چشم انداز را تحقق بخشند.
همه جا پلاسما
ممکن است رویتر بعنوان یک مشاور بعید برای یک چالش کشاورزی به نظر برسد. به هر حال ، تخصص او در فیزیک پلاسما ، یکی از چهار حالت اساسی ماده ، همراه با جامدات ، مایعات و گازها است.
پلاسما بسیار شایع است. در حقیقت ، بیشتر مواد دیده شده در جهان شناخته شده – بیش از 99.9 درصد ، به گفته اخترفیزیکدانان – در حالت پلاسما هستند. رعد و برق پلاسما تولید می کند. همینطور چراغ های ارزان قیمت در مغازه های هدیه موزه. برق را روشن کنید و یک الکترود در مرکز کره ولتاژ بالایی تولید می کند که با گاز مهر شده درون شیشه تعامل می کند و حلقه های پلاسمای رنگی ایجاد می کند که به بیرون تابش می کند. شیشه را لمس کنید و به نظر می رسد که تاندون های پلاسما به سمت انگشتان شما می رسند.
خورشید توپی از پلاسما و گاز است. باد خورشیدی یک جریان پلاسما است که از خورشید جدا می شود ( SN: 12/21/19 & 1/4/20 ، ص 6 ). هنگامی که باد با بالشتک مغناطیسی محافظ و غنی از پلاسما که زمین را در بر می گیرد برخورد می کند ، برهم کنش ها رودخانه های نوری را ایجاد می کنند که در شفق قطبی و شفق قطبی دیده می شود.
پلاسما نیز یکی از اسباب کار فن آوری مدرن است. مهندسان از آن برای حک کردن میلیون ها ترانزیستور کوچک روی تراشه های رایانه ها ، ماشین ها و کارت تولد موسیقی استفاده می کنند. پیکسل های موجود در تلویزیون های پلاسما حاوی گازی هستند که یک پلاسما را تشکیل می دهد و در داخل سلول های کوچک قرار گرفته بین دو صفحه شیشه ای مهر و موم شده و علائم نئون و چراغ های فلورسنت به دلیل پلاسما می درخشد. برخی از فضانوردان سابق حتی پیش بینی می کنند که موتورهای پلاسما روزی ما را به مریخ خواهند برد.
اما پلاسما دقیقاً چیست؟ این یک سوپ الکترون با بارهای منفی ، یونهای مثبت و اتمهای خنثی آنها است که همچنین میدانهای الکترومغناطیسی و اشعه ماوراء بنفش و مادون قرمز تولید می کند. پلاسما زمانی ایجاد می شود که گاز فوق العاده انرژی می گیرد – به عنوان مثال با حرارت یا جریان الکتریکی – و الکترون ها از اتم ها آزاد می شوند.
پلاسما به طور طبیعی رخ می دهد یا می تواند توسط انسان ساخته شود. هنگامی که در دماهای بالا مانند خورشید تولید می شود ، “پلاسما داغ” نامیده می شود ، در حالی که پلاسما ایجاد شده در یک توپ پلاسما و سایر محیط های با دمای اتاق کم فشار “پلاسما سرد” نامیده می شود. دیدن توپ های پلاسما را آسان می کند: آنها با یک مخلوط گازی پر شده اند که شامل یکی از گازهای بسیار پایدار و نجیب مانند آرگون ، زنون ، نئون یا کریپتون است. پلاسما رشته های درخشان را تشکیل می دهد که از مرکز به بیرون می رسند. جریان فرکانس بالا الکترون هایی را تحریک می کند که سپس از اتم های گاز جدا می شوند. بسیاری از آزمایشات کشاورزی شامل ترکیبی از گازهای نجیب و هوا برای تولید یون نیتروژن و اکسیژن است.
دانشمندان مدتهاست به پیامدهای بیولوژیکی پلاسما علاقه مند هستند. در اواخر قرن نوزدهم ، فیزیکدان فنلاندی کارل سلیم لمستروم مشاهده کرد که عرض حلقه های رشد در درختان صنوبر در نزدیکی قطب شمال با دنباله چرخه شفق قطبی ادامه پیدا می کند و هنگامی که نورهای شمالی قوی تر می شوند ، گسترش می یابد. او فرض کرد که نمایش نور به نوعی رشد گیاه را تشویق می کند. او برای تقلید مصنوعی از نورهای شمالی ، یک شبکه سیم فلزی روی گیاهان در حال رشد قرار داد و جریانی را از طریق آن عبور داد. او گزارش داد که تحت شرایط مناسب ، عملکرد گیاهان سبزیجات بیشتری تولید می کند.
برای چندین دهه ، دانشمندان می دانند که قرار گرفتن در معرض پلاسما می تواند با خیال راحت باکتری ها ، قارچ ها و ویروس های بیماری زا را از بین ببرد. مطالعات کوچک روی حیوانات نیز نشان می دهد که پلاسما می تواند باعث رشد رگ های خونی در پوست شود. رویتر در تحقیقات خود روش هایی را برای استفاده از این خواص برای جلوگیری از عفونت های جدید در زخم ها و تسریع بهبودی یا درمان سایر بیماری های پوستی مطالعه می کند. اما اخیراً ، او و سایر فیزیکدانان روی روش هایی برای استفاده از قدرت پلاسما برای بهبود تولید غذا کار کرده اند.
آزمایشات انجام شده در دهه گذشته یا بیشتر ترکیبی از روش های استفاده از پلاسما را روی دانه ها ، نهال ها ، محصولات و مزارع آزمایش کرده است. این شامل پلاسما تولید شده با استفاده از گازهای نجیب ، و همچنین پلاسما تولید شده از هوا است. در برخی موارد ، پلاسما مستقیماً از طریق “جت های” پلاسما که بر روی دانه ها یا گیاهان جریان می یابد ، استفاده می شود. روش دیگر از آب تصفیه شده با پلاسما استفاده می کند که می تواند وظیفه دوگانه را انجام دهد: آبیاری و کوددهی. برخی مطالعات طیف وسیعی از مزایا را گزارش کرده اند ، از کمک به رشد سریعتر و بزرگتر گیاهان تا مقاومت در برابر آفات.
حتی در این مرحله بسیار اولیه از تحقیقات که ما در مورد پلاسما انجام می دهیم ، که واقعاً در 10 تا 15 سال گذشته به کار خود رسیده است ، ما داده های بسیار امیدوارکننده ای را مشاهده می کنیم. ” برندان نیمیرا در واحد تحقیقات ایمنی و مداخله فناوری غذا در مرکز تحقیقات منطقه ای شرق وزارت کشاورزی ایالات متحده در ویندمور ، Pa. او از طرفداران این روش است: در Zoom ، نماد نیمیرا نشان می دهد که یک بادام در حال درخشش وهم آور و درخشان پلاسما بنفش است.
به گفته وی ، چالش اکنون این است که بفهمیم آیا پلاسما می تواند در سطح هکتار محصولات زراعی ارائه دهد یا خیر. “آیا می توانیم آن را در محیط میدانی [برای] ارائه مزیتی که در آینده در سیستم های رشد ادغام می شود ، انجام دهیم؟”
بسیاری دیگر در این چالش قرار دارند ، از جمله یافتن راهی برای رساندن پلاسما به گیاهان در مقیاس بزرگ ، تأیید مزایای گزارش شده در مطالعات آزمایشگاهی و نشان دادن اینکه پلاسما بهتر از روشهای فعلی است. و در نهایت ، پی بردن به اینکه سوپ باردار پلاسما در واقع با گیاهان چه می کند.
نیمیرا می گوید پیشرفت های اخیر امکان پذیر شد ، عمدتا به این دلیل که در دهه 1990 و اوایل 2000s ، دانشمندان روشهای کارآمد و مقرون به صرفه ای برای تولید پلاسمای سرد با جریان دادن الکترونهای پرانرژی به گاز ایجاد کردند. این الکترونها با مولکولهای گاز برخورد می کنند و الکترونها را از بین می برند و ذرات باردار تولید می کنند. او می گوید ، از آن زمان عجله ای برای آزمایش پلاسما روی گیاهان در تمام مراحل رشد و با طیف وسیعی از استراتژی ها وجود داشته است.
تغییرات سطح
به گفته رویتر ، یکی از جذاب ترین کاربردهای پلاسما ، کود جایگزین آمونیاک است. برنامه او برای پروژه گلخانه میرابل ، که او در بهار 2021 با دانشمندان موسسه غیر انتفاعی IRDA مستقر در کبک یا موسسه تحقیق و توسعه کشاورزی و محیط زیست به راه اندازی آن پرداخت ، چیزی شبیه به این است: پلاسما با ارسال جریان الکتریکی تولید می شود. از طریق گازی که در حالت ایده آل فقط هوا است. این فرایند ترکیبی از ذرات باردار و خنثی از جمله الکترون و یون ایجاد می کند که می توانند گونه های واکنش پذیر نیتروژن و اکسیژن تولید کنند. در آزمایشات رومیزی و سپس در گلخانه ، رویتر و همکارانش آب را با پلاسما غنی می کنند ، سپس مطالعه می کنند که آیا می تواند عوامل بیماری زا را کاهش داده و بر گیاهان در حال رشد تأثیر بگذارد.
گونه های واکنشی ، همانطور که از نامش پیداست ، آماده واکنش با اتم ها و مولکول ها ، از جمله در موجودات زنده هستند و از نظر بیولوژیکی در دسترس گیاهان هستند. هنگامی که پلاسما به آب اضافه می شود ، آن گونه های واکنش پذیر حل می شوند. آب حاصل از تزریق پلاسما ، با نیتروژن بیولوژیکی موجود ، سپس برای آبیاری گیاهان مورد استفاده قرار می گیرد. عملکرد مشابه آمونیاک را انجام می دهد: نیتروژن ، که گیاهان برای رشد به آن نیاز دارند ، به صورت یون ، مولکولهای برانگیخته و ترکیبات موجود در آب تحویل داده می شود. رویتر می گوید ، در حالی که دوزهای سنگین گونه های واکنشی می توانند به سلول های گیاهی یا DNA آسیب برسانند ، اما مقدار آب تصفیه شده با پلاسما برای گیاه بی خطر است.
آزمایشات به سرپرستی بیوشیمیست الکساندر ولکوف از دانشگاه اوک وود در هانتسویل ، آلا. وولکوف روش های برهم کنش گیاهان و الکترومغناطیس را مطالعه می کند. به عنوان مثال ، او نشان داده است که چگونه یک محرک الکتریکی می تواند مکانیزم بسته شدن روی یک flytrap زهره را ایجاد کند .
به تازگی ، ولکوف برای مطالعه این که چگونه پلاسما بر 20 دانه زبان اژدها ، رقم لوبیا Phaseolus vulgaris تأثیر می گذارد ، مطالعه کرد. این آزمایش از فناوری کم برخوردار بود. او و همکارانش دانه ها را روی یک توپ پلاسما به مدت یک دقیقه متعادل کردند ، سپس دانه ها را به مدت هفت ساعت در آب انکوبه کردند. دو روز بعد ، دانشمندان دریافتند که در بذرهای تحت درمان با پلاسما ، ریشه-برآمدگی کوچک ریشه که بذر را به نهال تبدیل می کند-2.7 سانتی متر ، در مقایسه با 1.8 سانتی متر در بذرهای بدون درمان ، افزایش 50 درصدی . این تیم نتایج را در زیست شناسی گیاهان کاربردی در فوریه 2021 گزارش کرد.
شاید کمتر از یک سانتیمتر رشد اضافی اندک به نظر برسد ، اما ولکوف تشویق شد. این فایده از گونه های واکنش پذیر نیتروژن و اکسیژن حاصل نمی شود زیرا نمی توانند از کره شیشه ای خارج شوند ، اما به نظر می رسد بذرهای تیمار شده آب بیشتری را برای رشد سریعتر مصرف می کنند.
برای بررسی این ایده ، او و همکارانش بذرها را با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی مطالعه کردند که نشان می دهد چگونه بافت ها آب را جذب می کنند. در نمای میکرومتر از میکروسکوپ نیروی اتمی ، ولکوف مشاهده کرد که قرار گرفتن در معرض سطح دانه ها را خشن کرده است. تصاویر شبیه به رشته کوه های حک شده به نظر می رسید. وی بر اساس این فرضیه ، سطح آب بیشتری را برای جلوه دادن به سطح آب و دهانه های بیشتری برای خیساندن داخل دانه ها به آب داد. تصاویر MRI از لوبیا تصفیه شده نشان می دهد که قسمت های بیشتری از سفید – نشان دهنده آب بیشتر در داخل – نسبت به لوبیا بدون درمان است.
وقتی از توپ یا لامپ های پلاسما استفاده می کنیم ، آب می تواند به راحتی از طریق منافذ نفوذ کرده و جوانه زنی را تسریع کند. “
شواهد رو به رشد
فیزیکدان Nevena Puač از م Instituteسسه فیزیک بلگراد در صربستان ده ها مطالعه برای آزمایش پلاسمای روی گیاهان انجام داده است و دهه ها در این زمینه کار کرده است. او می گوید اکثر مطالعات – موفق یا غیر موفق – دو ایده را آزمایش کرده اند: پلاسما به عنوان ضدعفونی کننده یا محرک رشد.
در قسمت ضدعفونی کننده ، درمان با جت پلاسمایی کمتر از یک دقیقه بر روی غذاها از جمله سیب ، گوجه فرنگی گیلاس و کاهو می تواند باکتری های بیماری زا مانند اشریشیا کولی سالمونلا و لیستریا . برخی از مطالعات زمانهای مواجهه بیشتر را نیز مورد بررسی قرار داده اند: در مطالعه ای در سال 2008 ، پنج دقیقه درمان با پلاسما 90 درصد قارچهای بیماریزا Aspergillus parasiticus روی فندق ، بادام زمینی و پسته را غیرفعال کرد.
این شاخه تحقیقاتی است که نیمیرا نیز روی آن کار می کند. در مه 2019 در LWT – علوم و فناوری غذایی ، او و همکارانش نشان دادند که درمان با پلاسما با یک ضد عفونی کننده موجود 99.9 درصد لیستریا روی سیب در کمتر از چهار دقیقه از بین رفت. ضدعفونی کننده به تنهایی و پس از یک ساعت به نتایج قابل قبولی دست یافت. او می گوید که این ترکیب بسیار بهتر از هر کدام به تنهایی کار می کند.
تحقیقات در مورد جوانه زنی بذر و رشد گیاه نیز امیدوار کننده است. محققان آکادمی علوم چین در نانجینگ دانه های سویا را در معرض پلاسما قرار دادند. هفت روز پس از مواجهه ، ریشه ها تا 27 درصد سنگین تر از ریشه های بذرهای تصفیه نشده بودند ، تیم در سال 2014 گزارش داد. در همان سال ، محققان در رومانی سود مشابهی را برای ریشه و جوانه تربچه گزارش کردند.
در کنفرانس پارسال الکترونیک گازی ، که به صورت آنلاین توسط انجمن فیزیک آمریکا برگزار شد ، محققان ژاپنی نتایج مطالعه ای را در مورد نهال های جوان که مستقیماً با پلاسما و آب تصفیه شده با پلاسما در یک شالیزار برنج در استان آیچی درمان شده بودند ، ارائه کردند. گیاهانی که در مراحل اولیه رشد مستقیماً با پلاسما تیمار شدند تا 15 درصد عملکرد بیشتری نسبت به گیاهان بدون تیمار داشتند. اما درمان گیاهان در اواخر مراحل رشد ، عملکرد را کاهش می دهد. Puač می گوید زمان بندی مهم است. روش کاربرد نیز همینطور است: در برخی موارد در آزمایشات در ژاپن ، آب تصفیه شده با پلاسما در واقع عملکرد را کاهش می دهد.
مهندس Katharina Stapelmann از دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی در Raleigh ، که جلسه را سازماندهی کرده است ، می گوید: “من می دانم این اولین مطالعه ای بود که گیاهان به طور مستقیم تحت درمان قرار گرفتند” نه به عنوان بذر یا پس از برداشت برای ضدعفونی.
Puač می گوید مطالعات ، درمان پلاسما را با طیف وسیعی از مزایا ، از سرعت رشد تا عملکرد مرتبط کرده اند. اما مطالعات دیگر نشان می دهد که پلاسما هرگز یک فناوری یکپارچه نخواهد بود.
محققان در کره جنوبی در Journal of Physics D: Applied Physics در سال 2020 گزارش دادند ، به عنوان مثال ، در حالی که قرار گرفتن در معرض پلاسما شش دقیقه ای باعث افزایش سرعت جوانه زنی جوانه جو می شود ، قرار گرفتن در معرض 18 دقیقه ، طی سه روز ، هیچ فایده ای در رشد نداشت و وزن کل گیاه را کاهش داد. نتایج تجربی منتشر شده در سال 2000 به بررسی اثرات جت های مستقیم پلاسما بر نخود ، ذرت و تربچه پرداخت و اثرات مضری را مشاهده کرد که با گاز مورد استفاده در پلاسما متفاوت است. بذرها به مدت دو تا 20 دقیقه در معرض دید قرار گرفتند و جوانه زنی بذرهای طولانی مدت نسبت به بذرهای بدون تیمار کندتر شد.
آنچه که تحقیقات نشان می دهد ، رویتر می گوید ، این است که قبل از اینکه پلاسما به م stلفه های اصلی در جهان تبدیل شود ، دانشمندان باید روشهای بیشماری را که چهارمین حالت ماده می تواند بر گیاهان تأثیر بگذارد ، بهتر درک کنند.
به عنوان مثال ، نتایج موفقیت آمیز برای گیاهان ممکن است تا حدی ناشی از اشعه ماوراء بنفش تولید شده توسط پلاسما باشد. اشعه ماوراء بنفش مدتهاست به عنوان ضدعفونی کننده مورد استفاده قرار می گیرد. گونه های فعال نیتروژن و اکسیژن که بسته به نحوه استفاده از آنها می تواند برای سلولهای زنده مفید یا مضر باشد ، احتمالاً به عنوان مواد مغذی و ضدعفونی کننده نیز مفید هستند. پلاسما همچنین میدانهای الکتریکی و مغناطیسی و نور مادون قرمز و مرئی را تولید می کند. تأثیر آنها بر گیاهان نیز به طور کامل بررسی نشده است. ولکوف می گوید با وجود اینکه محققان می دانند در پلاسمای موجود است و می توانند نحوه واکنش گیاهان را ببینند ، اما جزئیات آنها مشخص نشده است.
باغ های بزرگ و کوچک
پروژه هایی در سراسر جهان برای آزمایش پلاسما در مقیاس بزرگ و در محیط های مختلف در حال انجام است. دانشمندان هلندی که در اوگاندا کار می کنند ، راکتورهای قابل حمل ایجاد کرده اند که از پلاسما برای تولید کود از هوا استفاده می کند. آنها امیدوارند که این اختراع بتواند نیاز به کود را در مناطقی که کشاورزان اغلب نمی توانند آمونیاک دریافت کنند ، برطرف کند. در اوایل سال 2022 ، رویتر امیدوار است اولین نتایج خود را از آزمایش های رومیزی گزارش دهد. سیستم رشد هیدروپونیک در Hydroserre به او این فرصت را می دهد که روش خود را اصلاح کند.
به گفته وی ، با هر شانس ، این پروژه راهی برای مزارع آینده برای جایگزینی آمونیاک و کاهش انتشار کربن نشان می دهد.
در حالی که محققان و تولیدکنندگان منتظر نتایج هستند ، دانشمندان شهروند ، فیزیکدانان آماتور و باغبانان تجربی شناخته شده اند که در سوله برای توپ پلاسما در کنار چنگال و بیل های خود فضایی ایجاد می کنند تا آزمایشات خود را در خانه انجام دهند.
وولکوف وارد شده است. هنگامی که بیماری همه گیر سال گذشته کار خود را تعطیل کرد ، او کار خود – و توپ های پلاسما – را به خانه برد. او دانه های سبزیجات باغ خود را به مدت یک دقیقه در درخشش غنی و بنفش چراغ غسل داد و سپس آنها را کاشت.
او می گوید: “خیار ، گوجه فرنگی ، بادمجان ، کلم بود.” ولکوف به راحتی می پذیرد که آزمایش آزمایشی حیاط هیچ چیز را اثبات نمی کند و هر باغبانی می تواند تأیید کند که ترکیبی از متغیرهای پیچیده می تواند باغ را خراب یا خراب کند.
اما او پاییز گذشته محصول حیرت انگیزی را دید. در اواخر اکتبر ، او هنوز گوجه فرنگی های بزرگ و رسیده را از انگورهایی که از دانه های تحت درمان با پلاسما رشد کرده بودند می چید ، در زمانی که گیاهان دانه های درمان نشده اغلب پژمرده شده بودند. خیار بزرگتر و آبدارتر بود. او می گوید کلم های کاشته شده در مهد کودک یکی از آنها سنگین تر و خوشمزه تر بود. “من مقدار فوق العاده ای از همه چیز دریافت کردم.”