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Publicado en Revista Creces, Marzo 1983
Plasma, cuarto estado de la materia
Estamos acostumbrados a hablar nada más que de tres estados: sólido, líquido y gaseoso, en circunstancia que la materia existe en el universo en un 99% en estado de plasma. Son numerosas las aplicaciones tecnológicas que presentan los plasmas, especialmente en el campo energético. Se estima que la materia se encuentra en el universo en un 99% en estado de plasma. El plasma es un gas en el que los átomos se encuentran disociados en electrones con carga eléctrica negativa y iones con carga eléctrica positiva.


Así, la materia intergaláctica, interiores estelares, el sol y otras estrellas son plasmas. Por esta razón, el plasma es considerado actualmente el cuarto estado de la materia, es decir, la materia en estado natural se encuentra en forma de sólidos, líquidos, gases y predominantemente plasmas. Incluso tan pronto nos alejamos de la atmósfera terrestre, nos encontramos con materia en estado de plasma que comprende la magnetosfera, los cinturones de radiación de Van Allen y el viento solar. En la Tierra misma nuestro contacto con los plasmas se limita a la luz proveniente de los rayos de una tormenta eléctrica, el resplandor de las auroras boreales, los tubos fluorescentes o avisos de neón. Pareciera en consecuencia que pertenecemos a aquel 1 % del universo donde los plasmas no ocurren en estado natural. La razón por la cual la atmósfera terrestre no se encuentra en estado de plasma se debe a que la temperatura es demasiado baja como para producir la ionización de los átomos que la componen. De no ser así, la vida, como nosotros la conocemos, no sería posible.

Existen una serie de mecanismos que protegen la atmósfera terrestre del viento solar, impidiendo la ionización de la misma, haciendo así posible la vida. Es interesante notar que por cada átomo ionizado existen en la atmósfera 10122 átomos neutros.

Los primeros trabajos de laboratorio con plasmas se debieron a Langmuir y Tonks en los años 20 y fueron inspirados por la necesidad de desarrollar tubos de vacío que pudieran conducir corrientes altas. Ya en estos experimentos se descubrieron algunas de las propiedades más características de los plasmas. Así, por ejemplo, se observó que las partículas del plasma se distribuyen de manera tal que cualquier campo eléctrico que se genere en el plasma, ya sea por separación espontánea de sus cargas o por medios externos al sistema, tiende a ser blindado por éste. Este fenómeno recibe el nombre de blindaje de Debye por haber sido Petrus J. Debye (1884-1966) el primero en estudiarlo. Otra característica descubierta ya en aquella época tiene que ver con la existencia de una frecuencia natural de oscilación del plasma. Esta llamada frecuencia de plasma depende de la densidad del mismo, siendo mayor mientras mayor es la densidad.

La existencia de esta frecuencia característica tiene importantes consecuencias en la propagación de ondas electromagnéticas en un plasma. A diferencia del vacío o de un gas neutro, ondas electromagnéticas de frecuencia inferior a la frecuencia característica, no se propagan en un plasma. Este hecho explica, por ejemplo, la razón por la cual un vehículo espacial reingresa a la atmósfera y se interrumpen sus comunicaciones con la Tierra. En efecto, debido a la fricción del vehículo con la atmósfera, la temperatura aumenta, lo que produce la ionización de esta última en torno al vehículo, generándose así un plasma en el cual las ondas de radio son inferiores a la frecuencia característica de éste, con la consiguiente interrupción de las comunicaciones.


IONÓSFERA


Un aspecto importante de la física del plasma es el estudio del medio que rodea a la Tierra en el espacio. Un flujo continuo de partículas, esencialmente protones y electrones, cuya fuente es el sol (viento solar) incide sobre la ionosfera que blinda a la Tierra de esta radiación. La ionosfera se extiende desde unos 50 km hasta una distancia de alrededor de 10 radios terrestres. Las características del viento solar cerca del límite exterior de la ionósfera son: una densidad de alrededor de 5 partículas por cm3 y una temperatura del orden de 300.000 grados kelvin. Es importante hacer notar que a pesar de que la temperatura es muy alta, debido a que la densidad es muy baja, la sensación de calor no es en absoluto comparable a la que experimentaríamos en la Tierra a una temperatura comparable.

La ionósfera está poblada por un plasma débilmente ionizado que varía de acuerdo a la altura hasta alcanzar una densidad de 1 millón de partículas por cm3 cerca de la atmósfera. La temperatura es de aproximadamente 1 600ºk.
Los cinturones de radiación de Van Allen están compuestos por partículas cargadas atrapadas por el campo magnético terrestre.

Estos mecanismos de blindajes, brevemente descritos, son los responsables de la existencia de la atmósfera terrestre.
En la actualidad existen varios satélites artificiales destinados al estudio del medio terrestre.

A medida que nos internamos más y más en el espacio, nos encontramos con sistemas que aunque varían mucho en sus características, como son la densidad y temperatura, todos ellos son plasmas. Así, las atmósferas e interiores estelares son lo suficientemente calientes para encontrarse en estado de plasma. La temperatura en el núcleo del Sol, por ejemplo, se estima en 23 millones de grados Kelvin. Las reacciones termonucleares que ocurren a estas temperaturas son responsables de la radiación solar. La corona solar, pGt otra parte es un plasma tenue con una temperatura que en la zona más alejada del núcleo alcanza a 2,3 millones de grados Kelvin. El medio interestelar es básicamente hidrógeno ionizado con una densidad de aproximadamente una partícula por cm3 y una temperatura bastante más baja.

La radioastronomía ha descubierto numerosas fuentes de radiaciones que posiblemente se originan en plasmas. La Nebulosa del Cangrejo, en particular, es una fuente rica en fenómenos plasmáticos. Del estudio de estos fenómenos se ha podido concluir que posee un fuerte campo magnético.

La teoría actual de pulsares comprende modelos que los visualizan como estrellas de neutrones con plasmas que emiten radiación de sincrotrón desde sus superficies.


Aplicaciones


Regresando a la Tierra, y a escasos 60 años del inicio del estudio sistemático de los plasmas, éstos han aportado una gran variedad de aplicaciones tecnológicas ilustraremos a continuación algunas de éstas.


a) Conversores de energía y propulsión iónica.

Si se hace pasar un plasma con velocidad v entre las placas de un condensador y se aplica un campo magnético en una dirección perpendicular al movimiento del plasma, la fuerza de Lorentz V x B impulsa los electrones a una de las placas del condensador y a los iones a la otra. De esta manera pueden obtenerse grandes diferencias de potencial para luego extraer una corriente eléctrica del condensador sin la ineficiencia característica de un ciclo calórico.

El principio invertido se ha utilizado para desarrollar motores iónicos en misiones espaciales. En este caso, se hace circular una corriente a través del plasma. La fuerza J x B expulsa el plasma fuera de la máquina y la fuerza de reacción acelera el vehículo.

b) Laser

El método más común para invertir la población de niveles que dan lugar a una amplificación de la amplitud luminosa (láser) consiste en utilizar descargas en gases. Así, el desarrollo de la potencia de un laser depende en gran medida del desarrollo de la física del plasma.

c) Fusión termonuclear controlada

A pesar del gran interés puramente científico de la física del plasma, la razón principal que ha impulsado el enorme desarrollo de este campo en los últimos 25 años, ha sido la necesidad de utilizar una fuente de energía de amplios recursos.

Como se ha señalado antes, la mayor parte de la energía solar proviene de reacciones nucleares de fusión. La fusión nuclear es un proceso en el cual dos núcleos livianos se funden para formar un núcleo más pesado. En todas estas reacciones se libera una cantidad de energía, debido a que en los núcleos iniciales hay un exceso de masa con respecto a los productos finales. El exceso de masa, Dm, genera una cantidad de energía de acuerdo a la relación de Einstein, E= Dm c 2, donde c es la velocidad de la luz en el vacío.
Las reacciones nucleares de fusión más frecuentes en el Sol son:

D + D ® 3He + n + 3.2 MeV

D + D ® T + p + 4.O MeV

D + 3He ® 4He + n + 17.6 MeV

El deuterio (D) es un núcleo compuesto por un protón (p) y un neutrón (n). El 3He es un núcleo compuesto por 2p y 1n y el tritium (T) por 2n y 1p. (Figura 1.)

El deuterio se encuentra en abundancia en el agua de mar en forma de hidrógeno pesado, es decir, es un átomo como el de hidrógeno cuyos núcleos poseen además de un protón, un neutrón (de aquí el nombre de hidrógeno pesado). Constituye, por lo tanto, una fuente prácticamente inagotable de energía.


¿Sol más caliente?


Las reacciones de fusión entre 2 núcleos de deuterio se producen espontáneamente cuando los núcleos de deuterio chocan con energías relativas de 104 electrovoltios o lo que es equivalente cuando alcanzan temperaturas de 116 millones de grados Kelvin. Esta temperatura es aproximadamente 5 veces la temperatura del núcleo del Sol. La razón por la cual en el Sol las reacciones nucleares se producen a temperaturas inferiores, se debe a que la densidad de materia es mucho mayor (n º 1020 cm-3) que las densidades accesibles en laboratorios terrestres. Así entonces el proyecto de fusión nuclear controlado consiste en construir en el laboratorio una réplica del Sol ¡cinco veces más caliente!

Las ideas básicas son más bien simples. Se trata de confinar en un volumen finito un gas de deuterio. Elevar enseguida su temperatura hasta aproximadamente 200 millones de grados kelvin. A esta temperatura, los núcleos de deuterio se fusionan, liberando las energías antes señaladas. Mediante el aumento o disminución controlado de la temperatura se puede activar o detener el proceso. De aquí el nombre de fusión termonuclear controlada.

Es importante notar que si bien el gas de deuterio está compuesto por átomos neutros, al aumentar la temperatura éstos se ionizan, transformándose en un plasma. Como el plasma está compuesto por partículas cargadas, las fuerzas electromagnéticas internas hacen difícil el confinamiento de este sistema. Así, el problema esencial de la fusión controlada se reduce a dos aspectos: (a) confinamiento y
(b) calentamiento del plasma.

Las condiciones de encendido del reactor dependen de la densidad del plasma, su temperatura y el tiempo de confinamiento. Lawson demostró que para que la energía entregada por el reactor sea igual o mayor a la energía invertida en el encendido, el proceso depende del producto de la densidad por el tiempo de confinamiento. Así, para una temperatura de 10 KeV, este producto debe ser mayor o igual a 1014 cm-3 seg. Por ejemplo, para un plasma cuya densidad es de 1013 partículas por cm3, el tiempo mínimo durante el cual debe mantenerse confinado es de 10 seg.

En algunos laboratorios se han alcanzado densidades del orden de 1016 partículas por cm3, de modo que el tiempo mínimo de confinamiento para estos plasmas se reduciría a 1 centésima de segundo.

El problema no ha sido aún resuelto, pero el progreso hacia la meta ha sido rápido. La labor y el refuerzo tanto de científicos como técnicos resultan gigantescos. No hay duda de que este esfuerzo se verá en el futuro (aunque quizás no el futuro inmediato) coronado por el éxito en lo que será considerado una de las mayores epopeyas del hombre.

Luis Gomberoff

Presidente de la Sociedad Chilena de Física.

Fuente: Revista Creces

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