Plazma se ve vesmíru nachází v mnoha různých podobách. Tvoří hvězdy, mlhoviny, ionosféru nebo sluneční vítr. Na zemském povrchu ji můžeme obdivovat ve formě blesků či polární záře a prozaičtější využití má pak v zářivkách, neonech nebo v elektrickém oblouku. Podle astrofyziků by mohlo až 99 % hmoty vesmíru být ve skupenství plazmy. Tu lze popsat jako částečně ionizovaný plyn. Je to směs neutrálních atomů, iontů a volných elektronů. V jinak plynném skupenství se pohybují kladně i záporně nabité částice v takovém množství, že ve výsledku se jejich působení vyrovnává.
Plazma se dělá na žhavou a studenou. Rozdíl mezi nimi se počítá v tisících stupňů. Zářivý poutač ve výloze nebo dětská hračka s blesky následujícími prst na jejím povrhu se samozřejmě liší od explodující hvězdy v mnoha parametrech, ale základní vlastnosti, jako je obsah ionizovaných částic, tyto jevy spojují. Nízkoteplotní neboli studená plazma je logicky tou, kterou lidstvo využívá ke svícení. Nyní se spekuluje o tom, že by studená plazma mohla proměnit zemědělství.
Jak ušetřit
Fyzik Stephan Reuter z kanadské vysoké školy Polytechnique Montréal se běžně věnuje přemýšlení nad možnými pokroky k lékařství. Tentokrát ovšem ze svého oboru vystoupil, jelikož ho napadlo, jak by mohl pomocí proudu nabitých částic ovlivnit saláty. Pozvali ho do jednoho z největších komerčních skleníků v Québecu, aby pomohl zdejším farmářům šetřit energie během pěstování. Za skleněnými stěnami budovy na něj čekala plocha větší než čtyři fotbalová hřiště a na ní se zelenaly tisíce hlávek zavěšených na hydroponických systémech. Celý skleník patří firmě Hydroserre Inc., která Reutera požádala o radu, jak snížit svou uhlíkovou stopu.
Dosud se podnik, stejně jako většina podobných farem, zajímal hlavně o to, jak pomocí hnojiv dosáhnout maximální sklizně a jak udržet všechny patogeny venku. Jenže většina hnojících prostředků, používaných od začátku tisíciletí, obsahuje dusík. To by nevadilo, kdyby při jeho zpracování nevznikaly sloučeniny amoniaku a tuny CO2. „V ideálním případě chceme obnovitelné hnojivo,“ tvrdí Reuter pro web Science News. Dodává, že by se mělo vyrábět přímo na farmě, aby se zamezilo jeho převážení. Fyzik si vzal na pomoc své kolegy, dále chemiky a inženýry, kteří začali pracovat na vizi zcela udržitelné farmy budoucnosti. Chtějí, aby energie z obnovitelných zdrojů, jako je vítr a sluneční záření, umožnila získat výživu pro rostliny. Doufají, že toho dosáhnou využitím plazmy.
Začali s výrobou plazmových koulí. To není nic těžkého, skleněné dutiny se naplní vzácnými plyny (v praxi často neonem) a fungují při normálním tlaku a pokojové teplotě. Uvnitř se z molekul plynů uvolňují excitované elektrony, což má za následek šlehání blesků od středu ke krajům. Zemědělské experimenty se vzácnými plyny, které měly vázat ionty kyslíku a dusíku, už však proběhly dříve.
Vliv polární záře
Vliv plazmy na rostliny odborníky fascinuje už stovky let. Na konci 19. století si finský fyzik Karl Selim Lemström všiml, že šíře letokruhů v kmenech severských stromů koreluje s výskytem polární záře a stromy tedy rostly rychleji v letech, kdy se světla objevovala často. Aby svou domněnku ověřil, pokusil se vliv plazmy napodobit. Nad rostliny zavěsil kovovou síť, pustil do ní elektrický proud a tímto způsobem skutečně získal větší úrodu. V průběhu dalších dekád výzkumníci přišli na to, že plazma účinně likviduje bakterie, plísně a viry. Při pokusech na zvířatech zase podporovala krevní oběh.
Reuter před svým současným projektem studoval, jestli plazma zabrání infekci při poranění kůže a nyní se zaměřil na to, jak čtvrté skupenství přenést do zemědělství. Během let zkoušel plazmu aplikovat na semena, klíčky, úrodu nebo do půdy. Přidával ji do vody, hnojiv i do postřiků. Použil vzácné plyny i plazmu tvořenou vzduchem. Ze studií vycházelo, že plazmovými výboji ošetřené plodiny rostou rychleji a s větším výtěžkem. „I ve velmi počáteční fázi výzkumu plazmy, který bude trvat ještě minimálně 10 nebo 15 let, vidíme slibná data,“ říká rostlinný patolog Brendan Niemira z východoamerického Centra pro bezpečnost potravin.
Plazmové koule jsoi většinou naplněny elektricky nabitými vzácnými plyny. Foto: PixabayŘíká, že teď si klade největší otázku, zda bude plazma účinkovat stejně i na ploše mnoha hektarů. Dokážeme vytvořit dost velký systém, aby byl pro zemědělství přínosem? A co vůbec nabitá plazma s rostlinami dělá? V současnosti už odborníci umí vyrobit plazmu efektivně a relativně levně tak, že do plynu vypustí silně nabité elektrony. Ty pak naráží do okolních molekul a plynné skupenství se rychle mění v plazmu. Jelikož takto zvládnou fyzikové vyprodukovat velké množství studené plazmy, zkouší ji v využít v zemědělství dvěma způsoby: Buď s ní ošetřují plodiny během setí a růstu, nebo s její pomocí konzervují a zpracovávají jídlo.
Lokální hnojivo
Reutera nejvíc zaujalo možné nahrazení amonných hnojiv plazmou. Plán projektu, který ve spolupráci s IRDA na jaře připravil pro firmu Hydroserre, vypadá asi takto: Plazma se tvoří tak, že se plyn, ideálně vzduch, nabije elektrickým proudem. Ze vzduchu se uvolní mimo jiné vysoce reaktivní molekuly dusíku a kyslíku, které rostliny dokáží využít. Při experimentech ve skleníku Reuter zároveň obohatil plazmou vodu, aby v ní nepřežily patogeny.
Reaktivní molekuly se navíc ve vodě rozpouští, takže je i bez hnojiva plná organicky zpracovatelného dusíku (Rostliny běžný vzdušný dusík neumí využít. Proto potřebují speciální molekuly v hnojivech, kde je dusík reaktivnější, symbiotické bakterie nebo plazmou upravený dusík). Reuter připouští, že vysoké dávky reaktivních molekul by rostliny zabily, ale podává jim je prý v množství, které funguje naprosto stejně jako hnojivo.
Další vědci napříč světem také experimentují s působením plazmy na semena rostlin. Z jejich výsledků vychází, že v plazmou ošetřené výhonky rostou v průměru o 15 % rychleji a s vyšším výnosem. Korejská studie například dokázala, že ideální doba vystavení klíčících semen plazmě je šest minut. Osmnáctiminutová expozice už klíčku nijak nepomohla, právě naopak. A rostlinky, na které plazma působila dvacet minut, rostly pomalu a zůstaly slabé.
Zahradnické experimenty
Reuter tvrdí, že než se čtvrté skupenství stane běžnou součástí zemědělství, musí věda vypozorovat, jak na rostliny působí v dlouhodobém měřítku. Například je možné, že část za část úspěchu vděčí plazma UV záření, které produkuje. To funguje jako dezinfekce. Plazma také svítí, a to i infračerveně. Stejně tak reaktivní dusík a kyslík mohou dle způsobu použití dezinfikovat, vyživovat nebo rostlinné buňky zabíjet. Navíc vliv elektrického a magnetického pole plazmy na rostliny zatím nebyl prozkoumán. I když vědci už mají představu, jak plazma funguje a co s plodinami dělá, není to nijak detailní obrázek.
Nyní budou plazmu ve velkém testovat Nizozemští vědci pracující v Ugandě. Vyvinuli přenosné reaktory, které generují plazmová hnojiva ze vzduchu. Pro místní zemědělce, kteří na hnojivo nemají peníze a kdyby měli, stejně ho v blízkých obchodech nekoupí, to představuje obrovský přínos. Reuter sám očekává první data z Hydroserre začátkem příštího roku a podle nich bude svůj koncept dále upravovat. „Pokud budeme mít štěstí, podaří se nám zcela nahradit amoniak a snížit uhlíkové emise,“ říká.
Profesionální výzkumníci čekají na výsledky, ale amatérští vědátoři a zahradní experimentátoři už konají. V kůlně si dělají místo na plazmové koule a někteří se je snaží podomácku vyrobit. Biochemik Alexander Volkov z Oakwoodské univerzity v Huntsvillu, který rozhodně žádným amatérem není, si v době pandemie vzal práci domů. Do laboratoře nesměl, tak si vypůjčil plazmové koule a pokračoval ve výzkumu na zahradě. Pár minut nechal jasně fialové světlo působit na semínka zeleninya pak je zasadil. „Byly to okurky, rajčata, lilek a salát,“ říká. Přiznává, že soukromý zahradnický experiment ve vědě neznamená vůbec nic, ale na podzim byl svědkem obří sklizně. Ještě na konci října sbíral velká zralá rajčata z keříků, jejichž semena ošetřil plazmou, zatímco kontrolní rostliny už tou dobou dávno uschly. Okurky narostly větší a šťavnatější, stejně jako hlávky salátu. „Měl jsem všeho hrozně moc,“ tvrdí.
