شعلة بلازما الهيدروجين هي تقنية متقدمة تستخدم غاز الهيدروجين (أو خليطه) المُتأين بواسطة قوس كهربائي لإنتاج درجات حرارة فائقة الارتفاع تتجاوز 2500 درجة مئوية. تُستخدم في التطبيقات الصناعية كإعادة التدوير الكيميائي للبلاستيك، واللحام الدقيق، أو قطع المعادن. مميزات شعلة بلازما الهيدروجين وتطبيقاتها: إعادة تدوير البلاستيك: طوّر علماء طريقة لاستخدام بلازما الهيدروجين لتحويل النفايات البلاستيكية إلى إيثيلين وبنزين بنسبة نقاء تزيد عن 99%، مما يقلل من انبعاثات الكربون مقارنة بالطرق التقليدية، ويمنع تكوين "سخام الكربون". حرارة فائقة اللحام: تُستخدم شعلة الهيدروجين - أكسجين (oxyhydrogen) الناتجة عن التحليل الكهربائي للماء في إنتاج لهب صغير، مركز، وشديد السخونة (أعلى من 2500 درجة مئوية). التشغيل والاستدامة: تتيح بلازما الهيدروجين تشغيلاً مستقراً ومستمراً، وتُظهر التجارب أن تكلفة إنتاج المواد الكيميائية بهذه الطريقة تُضاهي الوقود الأحفوري. كفاءة عالية: يتميز هذا النوع من الشعلات بقدرته على معالجة البقايا الشمعية وتحويلها إلى مواد مفيدة بنسبة انتقائية عالية. نقطة هامة: في التطبيقات المنزلية أو المخبرية (DIY)، يُحذر بشدة من العمل مع غاز الهيدروجين والأكسجين نظراً لخطورتهما الانفجارية، وتتطلب أنظمة آمنة تمنع عودة اللهب (flashback arrestors).
جاء في موقع ألفكس عن قطع قوس البلازما 101: المبادئ والعمليات واختيار الغاز: ما هي تقنية القطع بالبلازما؟ 1.1 أصول التكنولوجيا وتطورها: خلال الحرب العالمية الثانيةحققت المصانع الأمريكية ابتكارات صناعية كبيرة، مما أدى إلى زيادة كبيرة في كفاءة إنتاج الطائرات والمعدات العسكرية. تكنولوجيا اللحاملتحسين كفاءة قطع ولحام أجزاء الطائرات، اعتمد المهندسون تقنية لحام جديدة، وهي لحام غاز التنغستن الخامل (TIG) أو لحام قوس غاز التنغستن (GTAW). تعتمد هذه الطريقة على قوس كهربائي لتنشيط الغازات الخاملة، مما يُشكّل طبقة واقية موصلة تمنع الأكسدة أثناء اللحام، مما يُحسّن جودة اللحامات ومتانة الهيكل. 1.2 ولادة القطع بالبلازما: أوائل الستينيات:ابتكر المهندسون المزيد من الابتكارات في تكنولوجيا اللحام TIG: زيادة تدفق الغاز:ووجه القوس من خلال فوهة مقيدة. تكوين البلازما:يمكن لهذا الغاز المؤين عالي الحرارة وعالي السرعة أن يذيب المعدن، ومن خلال تدفق الهواء عالي السرعة، ينفخ المعدن المنصهر، مما يتيح القطع السريع. تمت تسمية هذه الطريقة الجديدة بـ "قطع القوس البلازمي"، والتي أدت إلى تحسين سرعة القطع والدقة وقابلية المواد للتكيف بشكل كبير، مما يسمح بسهولة قطع المعادن الموصلة المختلفة. 2.0ما هو البلازما؟ حالة البلازما:عندما يتم تسخين الغازات إلى درجات حرارة عالية للغاية، تبدأ الجزيئات في التفكك، ويتم إخراج الإلكترونات من الذرات، لتشكل الحالة الرابعة للمادة - البلازما. تكوين البلازما:يتكون البلازما من نواة ذرية مشحونة إيجابيا (بروتونات ونيوترونات) وإلكترونات مشحونة سلبًا. الذرات: في البلازما، تنفصل الإلكترونات عن النواة الذرية، لتشكل إلكترونات متحركة بحرية (شحنة سالبة) وأيونات (شحنة موجبة). إطلاق الطاقة:إن الاصطدامات عالية السرعة بين الإلكترونات والأيونات تطلق كميات كبيرة من الطاقة، وهذا هو السبب في أن البلازما لديها مثل هذه القدرات القطعية القوية. أمثلة طبيعية للبلازما: البرق: تطبيقات "البلازما الباردة":أضواء النيون، والأضواء الفلورية، وأجهزة التلفاز البلازمية (على الرغم من أنها لا تستطيع قطع المعادن، إلا أن لها تطبيقات عملية واسعة النطاق).
المبادئ والعمليات واختيار الغاز: حالة البلازما للمادة: حالات المادة الأربع: في حياتنا اليومية، نصادف عادةً ثلاث حالات للمادة: الصلبة، والسائلة، والغازية. ويشمل القطع بالبلازما الحالة الرابعة، وهي البلازما. استخدام الماء كمثال لشرح السلوك الجزيئي في حالات مختلفة: المواد الصلبة (الماء → الجليد):الجزيئات متراصة بشكل محكم، مع الحد الأدنى من الحركة، ولها شكل ثابت. السائل (الماء):الجزيئات متصلة ولكنها قادرة على الحركة ببطء، ولها شكل متغير ولكن حجم ثابت. الغاز (بخار الماء):تتحرك الجزيئات بحرية بسرعات عالية، دون حجم أو شكل ثابت. حالة البلازما: عند تسخين الغاز أكثر، تكتسب جزيئاته طاقة أكبر، مما يؤدي إلى تحرر الإلكترونات من الذرات. ويشكل هذا مجموعة من الجسيمات ذات الشحنات الموجبة والسالبة، وهذه المادة شديدة التأين هي البلازما. تتميز البلازما بانسيابية تشبه الغازات وقدرتها على توصيل الكهرباء، مما يجعلها مثالية للمعالجة والقطع في درجات حرارة عالية. 2.2مبدأ عملية القطع بالبلازما: طريقة التكوين:ينشأ قوس كهربائي بين القطب الكهربائي وقطعة العمل. بعد مروره عبر فوهة نحاسية دقيقة، ينقبض القوس، مشكّلاً تدفق بلازما عالي الحرارة والضغط. درجة الحرارة والسرعة:يمكن أن تصل درجة حرارة البلازما إلى 15000 درجة مئوية، وسرعة النفث قريبة من سرعة الصوت. عملية القطع: القوس الكهربائي ذو درجة الحرارة العالية يذيب المعدن. يؤدي تدفق الهواء عالي السرعة إلى دفع المعدن المنصهر بعيدًا عن فجوة القطع. وهذا يسمح بالقطع الدقيق والسريع. ميزات العملية:ذوبان عميق، حواف نظيفة، وسرعة قطع عالية. اختيار غاز القطع بالبلازما وتوافق المواد تستخدم أنظمة القطع بالبلازما الحديثة توليفات غازية متنوعة، حسب نوع المادة ومتطلبات القطع. اختيار الغاز المناسب لا يؤثر فقط على جودة القطع وسرعته، بل يؤثر أيضًا على عمر الأقطاب الكهربائية وإمكانية معالجة ما بعد اللحام.
جاء في الموسوعة الحرة عن البلازما هي حالة متميزة من حالات المادة يمكن وصفها بأنها غاز متأين تكون فيه الإلكترونات حرة وغير مرتبطة بالذرة أو بالجزيء. فإذا كانت المادة توجد في الطبيعة في ثلاث حالات: صلبة وسائلة وغازية، فإنه بالإمكان تصنيف البلازما على أنها الحالة الرابعة التي يمكن أن توجد عليها المادة. على النقيض من الغازات، فإن للبلازما صفاتها الخاصة. فعند تسليط حرارة أو إخضاعها لمجال كهرومغناطيسي عال مثل الليزر أو موجة مايكرويف يقذف الإلكترون بعيدا عن النواة فينتج عنها الشحنات الموجبة والسالبة أكثر حرية تسمى أيونات، يرافقه تفكك روابط. الوجود القوي لحاملات الشحنة تلك تجعله موصل للكهرباء فيتأثر بقوة للمجال الكهرومغناطيسي. ليس للبلازما شكل أو حجم محدد، فهي تأخذ شكل غاز محايد (معتدل) شبيه بالغيوم. وقد تتأثر بالمجال المغناطيسي فتكون لها بنية، تكون خيوط أو حزم أو طبقة مزدوجة. وقد تحتوي على غبار وحبيبات (وتسمى البلازما المغبرة). تاريخ البلازما: في عام 1879 اكتشف العالم الإنجليزي، السير وليام كروكس، البلازما عن طريق أنبوب كروكس وأطلق عليها آنذاك «المادة المشعة». ثم اكتشف العالم البريطاني جوزيف طومسون خصائص وطبيعة البلازما عام 1897، ويرجع الفضل في تسمية البلازما إلى العالم إيرفينغ لانغموير في عام 1928، لاعتقاده أنها تشبه بلازما الدم على الأرجح. وقد كتب لانغموير: بلازما (فيزياء) بجوار الأقطاب يوجد أغطية رقيقة تحتوي إلكترونات قليلة، الغاز المتأين يحتوي على أيونات وإلكترونات بكميات متساوية تقريبا مما يجعل ناتج شحن المكان بسيط جدا. يستحسن أن نستخدم اسم البلازما لتعريف المنطقة المحتوية على شحنات متساوية من الإلكترونات والأيونات. عموميات البلازما: تشكل البلازما نسبة 99% من المادة الكونية بين النجوم والمجرات من حيث الكتلة والحجم، وبعض الكواكب تشكل البلازما أغلب مادتها، حيث يعتبر كوكب المشتري كتلة هائلة من البلازما، وحوالي 0.1% فقط من الكتلة وما بين 10 و15% من الحجم يدخل بمدار كوكب بلوتو. لاحظ عالم البلازما الشهير هانز ألفين أن هناك كميات قليلة من الحبيبات تتصرف خلال الشحنات الكهربية كشوارد (أيونات) وكشكل من أشكال البلازما (بلازما مغبرة). أشكال البلازما تتضمن: بلازما تصدر عن أجهزة صناعية: شاشات البلازما. مصابيح التألق (لمبات الفلوريسنت ذات الطاقة الضعيفة)، إشارات النيون. عوادم الصواريخ. النطاق الموجود أمام الحاجز الحراري لسفن الفضاء خلال دخولها غلاف الأرض الجوي. داخل هالة مولد تفريغ الأوزون. أبحاث الاندماج النووي. التقوس الكهربائي الموجود بالإنارة القوسية، لحام القوس الكهربائي أو المصباح (المدفع) البلازمي. مصابيح البلازما، وتسمى كرة البلازما. يستخدم البلازما لحفر رقائق الحاسوب لإنتاج الدوائر الكهربائية وصنع أشباه الموصلات. بلازما طبيعية أرضية: البرق. كرة البرق. نار سانت إلمو. طبقة الغلاف المتأين. الشفق القطبي. بلازما طبيعية كونية: فيزياء فلكية وفضاء كوني. النجوم. (البلازما تسخن بالاندماج النووي). الرياح الشمسية. الفراغ المحيط بين الكواكب. الفراغ المحيط بين النجوم. الفراغ المحيط بين المجرات. حلقة أحد أقمار المشتري. الأقراص الناشئة من تكوين الأجسام النجمية الضخمة. سديم المجرات.
خصائص ومعالم البلازما: الأرض منبع البلازما: لاحظ أيونات الأكسجين والهيدروجين والهليوم تتدفق إلى الفضاء من مناطق قريبة من القطبين. اللون الأصفر الواقع فوق القطب الشمالي يرمز إلى ضياع الغازات إلى الفضاء الخارجي. المنطقة الخضراء ترمز إلى شفق القطب الشمالي أو طاقة البلازما المتدفقة عائدة إلى الأرض. تعريف البلازما: يعتبر وصف البلازما بأنها وسط متعادل من الجسيمات سالبة وموجبة الشحنة، وصفا ضعيفا تعوزه الدقة وذلك لأن تعريف البلازما لابد أن يتضمن ثلاثة معايير مما يعطي دقة أكثر، وهذه المعايير هي: 1.تقارب البلازما: ينبغي أن تكون الجسيمات المشحونة متقاربة لدرجة أن يؤثر كل جسيم على الكثير من الجسيمات القريبة بدلا من مجرد التفاعل مع أقرب الجسيمات (والتأثير الجماعي هي الصفة المميزة للبلازما). يكون لتقارب البلازما تأثير أقوى كلما كانت أعداد الإلكترونات داخل المجال المؤثر (يسمى كرة ديباي) لها نصف قطر من الجسيمات الكبيرة يسمى (طول ديباي). معدل عدد الجسيمات بمجال ديباي هو قيمة أو مقدار البلازما ويرمز إليه على شكل (Λ) وهو حرف لامدا بالأبجدية الإغريقية. 2.حجم التفاعلات في البلازما: حيث أن نصف قطر ديباي صغير بالمقارنة مع الحجم الطبيعي للبلازما الموجودة في الكون. وهذا يعني أن مقدار التفاعلات الواقعة في قلب كتلة البلازما لها أهمية كبيرة بشكل يفوق تلك الواقعة على الحواف آخذين في الاعتبار تأثير ما يحيط بالبلازما من الوسط المحيط بها. 3.تردد البلازما: تردد الإلكترونات في البلازما كبير بالمقارنة مع تردد الإلكترون في حالته المتعادلة (ويقيس التردد البلازمي للإلكترون ويسمى موجات البلازما أو موجات لانغموير، تقيس كثافة الشحنة في محيط موصل مثل البلازما والمعادن. وينتج من الكمية في هذا التردد ما يعرف باسم (البلازمون) وهو شبه جزيء للبلازما) أي أكبر من تردد الإلكترون بالحالة الطبيعية (بقياس موجات التصادم بين الإلكترونات والجسيمات المحايدة). تقوم البلازما في هذه الحالة بحماية شحناتها بسرعة (شبه محايد هو تعريف آخر للبلازما).
جاء في موقع ديفور عن فهم كيفية عمل قاطع البلازما: دليل شامل للكاتبة باتريشيا: هل أنت فضولي لمعرفة كيفية عمل قواطع البلازما؟ هل تحتاج إلى مساعدة في فهم كيفية عمل قاطع البلازما؟ حسنًا، يجب عليك أولاً معرفة ما هو قاطع البلازما. إنها آلة تستخدم الغاز المتأين والمسخن للغاية، أي البلازما، لقطع صفائح وألواح الألمنيوم. ولا تفكر فيها كأداة متوسطة؛ إنه ليس أقل من ساحر في عالم قطع المعادن. وفهم كيفية عمل هذه القواطع يمكن أن يغير قواعد اللعبة بالنسبة لك. معرفة الأسرار الكامنة وراء كيفية قيامهم بالمهمة مع التحكم في البلازما وخلق حرارة شديدة. أثار الفضول؟ دعونا نتعمق أكثر في سحر القطع بالبلازما. قاطعة البلازما ليست مجرد أداة فاخرة؛ إنها العمود الفقري لمختلف الصناعات. وبالنسبة للهياكل الثقيلة، فهي ضرورية. تنوعهم هو ما يميزهم عن نظرائهم. دعونا نلقي نظرة على الأساسيات والآليات وراء تنوعها. أساسيات وميكانيكا القطع بالبلازما: حان الوقت لاكتساب نظرة ثاقبة في عالم القطع بالبلازما. إن قطع البلازما يشبه استخدام صاعقة من البرق يمكن التحكم فيها. وعلى وجه التحديد، فهي تتضمن شعلة بلازما تعمل بغاز مضغوط يتم تسخينه إلى درجات حرارة عالية، وتحويل الغاز إلى بلازما قادرة على تقطيع ألواح الألومنيوم. ربما تتساءل ما الذي يثير كل هذا. حسنا، المكونات الرئيسية في قطع البلازما هي كما يلي: مزود الطاقة: وهذا بمثابة جوهر العملية، حيث يولد الطاقة اللازمة لبدء القطع. الغازات: تلعب الغازات الخاملة، مثل النيتروجين أو الأرجون، دورًا حاسمًا من خلال إنشاء درع واقي حول القوس، مما يضمن حماية عملية القطع من العناصر الخارجية. شعلة البلازما: هذا هو العقل الذي يقف وراء العملية، وهو المسؤول عن إنشاء وتوجيه قوس البلازما. المشبك التأريض: يضمن التدفق الآمن للكهرباء أثناء العملية. شعلة البلازما، عقل العملية برمتها، تقوم بإنشاء وتوجيه قوس البلازما. يضمن مشبك التأريض التدفق الآمن للكهرباء. في المقام الأول، تؤدي حركة شعلة البلازما السحر، حيث تشتمل على فوهة وقطب كهربائي. ومع تدفق الكهرباء، يقطع قوس البلازما خلال الصفائح. الآن دعونا نتعمق في تعقيدات هذه التقنية. بينما تقوم الكهرباء والغازات والمكونات الأخرى بتنفيذ هذه المهمة الدقيقة، فمن الضروري إعطاء الأولوية للسلامة. استخدم معدات الحماية الشخصية (PPE) مثل خوذة الأمان والنظارات الواقية والنظارات عند الاقتضاء. بالإضافة إلى ذلك، احتفظ ب بطانية اللحام قريب لمزيد من الأمان.
جاء في صفحة عالم ترميم الآثار: تقنية البلازما في ترميم المعادن الأثرية. وحتي نحصل علي بلازما قوية يجب أن تكون الالكترونات متقاربة جدا لانها تعتمد علي جماعية الاداء للالكترونات،كلما زاد تقارب الالكترونات زادت الطاقة المنبعثة بفعل المجال الكهرومغناطيسي الذي تعرضت له المادة. كما تتأثر البلازما بقوة التفاعل في قلب كتلة البلازما. كما أن تردد البلازما داخل الكتلة اكبر بكثير من حالة الالكترونات العادية متعادلة الشحنة. وكلما زادت كثافة البلازما (اي زاد عدد الالكترونات المتحررة بفعل مجال كهرومغناطيسي) زاد تاثير البلازما. وتقاس كمية الحرارة الناتجة عن تعرض الالكترونات لمجال مغناطيسي ب (الكالفن ) او الكترون فولت، وبالتالي يمكن التحكم في قوة الطاقة الحرارية من خلال التحكم في المجال المغناطيسي المتسبب في تاين الالكترونات، علاقة البلازما بالمعادن. كان للطاقة الحرارية العالية التي تنتج عن تقنية البلازما أثره في استخدام البلازما في المجال الصناعي المرتبط بالمعادن، اذ انه أمكن تطويع تلك التقنية في عمليات قطع وقص المعادن باختلاف سمكها بدقة اكثر وسرعة اكثر من تلك الأساليب التقليدية، وبالتالي توفير في الوقت والمجهود وكذلك الطاقة والدقة في الأداء، وبما اننا نتكلم عن حقل ترميم الاثار فهو محدود بالنسبة لاستخدام الطاقة الحرارية في عمليات الترميم وخصوصا وان المقتنيات الأثرية تتأثر بالحرارة، ولكن يقتصر الاستخدام علي الأسطح المعدنية ويحذر شديد. ويمكن طرح استخدام تقنية البلازما في الحقل الأثري في عملية العزل وعملية اللحام وذلك من خلال الاستنتاج للقراءة السابقة. عمليات الرش (الدهان) الحراري : وهي أحد الطرق المستخدمة في تغطية الأسطح المعدنية. بالدهان باستخدام البلازما، وفيها تلعب البلازما دور المسخن الحراري للوسيط الحامل الدرجة اللونية، وإذا جاز لنا استخدام هذه التقنية فإنه يمكن استخدامها في عمليات دهان المواد العازلة الشفافة للاسطح المعدنية الأثرية حتي تصبح ذات درجة التصاق عالية، كما أنه يمكن استخدامها في علاج حالات التأكل والصدا التي تصيب المعادن الأثرية وذلك من خلال استخدام مادة من نفس المعدن في ملء الفراغات المتآكلة او الصدئة وبالطبع تتم هذه العملية من خلال الطاقة الحرارية العالية التي تعمل علي اتحاد الذرات المعدنية الجديدة بالمعادن الاصلي، وحقيقة لم اصادف او اجد (عالم ترميم الاثار) اي معالجات أثرية تمت بمصر باستخدام هذه التقنية، لحام الأجزاء المعدنية الأثرية بالبلازما. من مزايا استخدام تطبيق البلازما علي لحام الأجزاء المعدنية المفصولة . تتميز بأنها ذات نقطة اتصال أصغر على المعدن يجري معالجتها وهذا يعني عدم ترك بروز سميك او تاكل بين الطبقتين الاثريتين المفصولتين عن بعض مما يكسب العمل دقة عالية، وتتميز ايضا بتأثيرحراري كبير بسبب النهج الذرات المعدن وإعادة امتزاج الجزييات. و زيادة الضغط الميكانيكي على المعدن (حوالي 6 ÷ 10 مرات)، و القدرة على الحفاظ على حرق القوس في التيارات المنخفضة، حتى 0.2 أمبير.