Master's Thesis

Discharge initiated synthesis of chemical compounds in prebiotic atmosphere

Final Thesis 3.47 MB

Author of thesis: Bc. Filip Zbytek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Zdenka Kozáková, Ph.D.

Reviewer: doc. Mgr. Pavel Slavíček, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with the study of plasmachemical processes and the synthesis of chemical compounds in gas mixtures simulating prebiotic atmospheres, with a primary focus on the conditions prevailing on the moon Titan and the planet Mars. A glow discharge at atmospheric pressure was used as an energy source to initiate the chemical reactions. The work investigates the influence of the gas mixture composition, particularly the addition of methane and oxygen to the nitrogen carrier gas, on the physical character of the discharge and the synthesized products.
In situ plasma diagnostics were performed using optical emission spectrometry (OES). The first negative systém of nitrogen, second positive system of nitrogen, the violet system of the CN radical, and the Swan system of the C_2 molecule were identified in the measured spectra. Furthermore, hydrogen Balmer lines (H_α, H_β) were also detected. These spectra were subsequently utilized to calculate the rotational and vibrational temperatures of the plasma. A strong dependence of the emission of these species on the varying methane flow rate was observed. At higher methane flow rates, energy depletion of the discharge and chemical oversaturation occurred, leading to the preferential formation of more complex structures. Conversely, in the oxidative regime (O_2 addition), a significant decrease in the monitored radicals was demonstrated as a result of the highly effective oxidation of carbon and hydrogen fragments.
Proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometry (PTR-TOF-MS) was utilized for the identification and analysis of the resulting stable gaseous products. In the reductive regime, this method confirmed the formation of nitriles and hydrocarbons. The primary compounds detected in this environment included ammonia, acetylene, hydrogen cyanide, acetonitrile, and benzene. Upon transition to the oxidative regime, a decline in the synthesis of nitriles was demonstrated, as they were effectively replaced by oxygenated compounds. The production of the prebiotically key formamide and acetaldehyde became dominant, accompanied by other compounds such as simple alcohols and carboxylic acids.
The results of this thesis provide valuable insights into the kinetics of plasmachemical reactions and demonstrate the fundamental differences between reductive and oxidative conditions during the transformation of simple precursors into more complex molecules. This contributes to a better understanding of chemical evolution in planetary atmospheres.
Although the presented work yields numerous valuable findings, it simultaneously opens up a broad scope for subsequent research. The experiments conducted thus far were performed at laboratory temperature, which fundamentally differs from the extreme conditions on the surface of Titan (approximately −180 °C) or Mars (average −63 °C). Given that temperature critically influences the kinetics of recombination processes, an even more pronounced synthesis of complex organic macromolecules can be anticipated under cryogenic conditions. These substances may represent key prebiotic precursors, the study of which is essential for a deeper understanding of chemical evolution and for elucidating the mechanisms that could have led to the emergence of life on early Earth.

Keywords:

Prebiotic atmosphere, Titan, Mars, electrical discharges in gases, plasma, glow discharge, optical emission spectrometry, proton transfer reaction mass spectrometry

Date of defence

21.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Obhajoba diplomové práce proběhla podle následujícího schématu: prezentace studenta-vyjádření vedoucí/ho-oponentský posudek-reakce na posudek-diskuse s komisí. Student přednesl velmi dobrý výtah výsledků své diplomové práce, zodpověděl dotazy oponentské i členů komise, reagoval na připomínky k práci. V diskusi tak student prokázal velmi dobrou schopnost orientace v teoretických i praktických základech problematiky diplomové práce. Komise, s uvážením hodnocení v posudku a vyjádření vedoucí/ho, zhodnotila jeho diplomovou práci celkově jako velmi dobrou. Pekař: Vysvětlete spektrum PTR-MS. Dzik: Jaký praktický dopad má rozdíl jiskrového a doutnavého výboje pro Vaši práci? Proč je vždy stejný součet průtoku plynů a jaká byla motivace pro volbu jednotlivých průtoků? Jak je to s časovým rozvrhem experimentu?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry for Medical Application (NPCP_CHMA)

Specialization

Processes and Materials of Medical Applications (BF)

Composition of Committee

doc. PharmDr. Ing. Radka Ješinová, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdenka Kozáková, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Stanislav Obruča, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. (předseda)
doc. Ing. Petr Dzik, Ph.D. (člen)

Diplomová práce studuje chemické procesy probíhající v simulovaných atmosférických podmínkách atmosféry Marsu. Ke studiu byl použit doutnavý výboj v průtočné plynné atmosféře dusíku s příměsí methanu a kyslíku. Pro diagnostiku složení a teploty plazmatu byla využita optická emisní spektroskopie, pro analýzu plynných produktů hmotnostní spektrometrie s protonovou ionizací.
Vzhledem k náhlé vynucené změně vedoucího a současné dlouhodobé opravě jednoho z přístrojů bylo značně narušeno původní časové schéma experimentů. Nicméně i přes tyto smutné okolnosti se studentovi podařilo, v intenzivní spolupráci s konzultantem, naměřit dostatečný objem dat pro relevantní posouzení sledovaných procesů. S vlastním zpracováním a vyhodnocením dat si student dával poněkud na čas. Práce je ale zpracovaná přehledně s jasně formulovanými závěry.
Diplomová práce splnila i přes komplikace požadavky zadání a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování B
Využití poznatků z literatury C
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů B

Grade proposed by supervisor: B

Práce se zabývá zajímavým tématem syntézy chemických sloučenin pomocí elektrických výbojů v prebiotických atmosférách. Téma je zajímavé jak z hlediska syntézy organických sloučenin, tak pro perspektivní výrobu raketového paliva při průzkumu vesmíru. Jako diagnostické metody student použil optickou emisní spektroskopii a hmotnostní spektroskopii. Obě diagnostické metody jsou náročné, zejména když v reaktoru vzniká tak velké množství různých sloučenin, jako v tomto případě. Práce obsahuje drobné nepřesnosti a chyby.
Několik připomínek k práci:
- v Tab.2 je uvedena rotační olejová vývěva, v textu se hovoří o membránové vývěvě,
- frekvence 11 kHz se označuje jako nízká frekvence,
- ukázková optická emisní spektra nemají zkalibrovanou osu vlnových délek např. Obr.31,
čáry kyslíku mají mít vlnové délky 777,194 nm, 777,417 nm a 777,539 nm,
- Obr.32 bude se jednat spíše o atomové čáry kyslíku (844,625 nm, 844,636 nm, 844,676 nm) než o molekulu O2 , jak je uvedeno v textu.
Předložená práce podle mého názoru splňuje kritéria kladená na diplomové práce a hodnotím ji, vzhledem k drobným nedostatkům, známkou velmi dobře/B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Využití literatury a její citace A
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem B
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. Jak poznáte, jestli se jedná o jiskrový, nebo doutnavý výboj?
  2. Z jakého materiálu byly elektrody? Byl zaznamenán kov z elektrod v optických spektrech? Vysvětlete absorpční píky ve spektru vodíku Obr.23 str.44. Vysvětlete rozdíl v závislosti intenzity vodíkové čáry Hα Obr.22 a vodíkové čáry Hβ Obr. 25.
  3. Z kterých rotačních čar CN byla určena rotační teplota (Tab. 8 a 9 str.51)?
  4. Jak byla spočítána průměrná koncentrace (např. Obr. 48) z intenzity signálu u hmotnostních spekter, prováděla se nějaká kalibrace?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová