plasmas en la naturaleza, la tecnología y la ciencia

plasmas en la naturaleza, la tecnología y la ciencia

PLASMAS EN LA NATURALEZA,
LA TECNOLOGÍA Y LA CIENCIA:
de la Aurora Boreal al Interior de una Estrella,
de la Pantalla de Plasma al Reactor de Fusión
Isabel Tanarro
Dept. de Física Molecular
Inst. de Estructura de la Materia,
CSIC
http://www.iem.cfmac.csic.es/departamentos/fismol/Isabel_Tanarro/Isabel_Tanarro.htm
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Esquema
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Perspectiva histórica de los plasmas
Naturaleza y propiedades
Tipos de plasmas
Aplicaciones
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PLASMA: Materia más abundante del Universo
(99,99%) Sol, Estrellas, Nebulosas…
¡Todos los plasmas emiten luz!
( y casi todo lo que emite luz es un plasma )
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Los PLASMAS en la TIERRA son
muy escasos, breves y poco conocidos.
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3º ESO
5
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¿QUÉ ES UN PLASMA?
“Materia Gaseosa Fuertemente Ionizada,
con Igual Número de Cargas Libres
Positivas y Negativas”
Diccionario de la Real Academia
de la Lengua Española
Denominado Plasma por 1ª vez
por el Premio Nobel Irving Langmuir (1920).
Analogía con el plasma sanguíneo
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PLASMA:
“CUARTO ESTADO DE LA MATERIA”.
Último estado de agregación de la materia
identificado por el hombre.
Predicho por Michael Faraday (1820)
1791-1867
M. Faraday
Estudiado por William Crookes
en Descargas Eléctricas a Baja Presión (1880).
1832-1919
W. Crookes
J. J. Thomson: Desviación de Rayos Catódicos
(electrones) con Campos Eléctromagnéticos.
Origen del Televisor.
1856-1940
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J. J. Thomson (Nobel)
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¿Cómo formar Plasmas
con Descargas Eléctricas en Gases?
Célula de Descarga y Bomba de Vacío (1880)
Alto Voltaje ~ 1000 V
P = 0.001 atmósferas = 25.000.000.000.000.000 moléculas/cm3
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Dos aspectos de un plasma de aire
en un tubo de descarga a distintas presiones y corrientes
0.8 mbar
ÁNODO ( + )
CÁTODO ( ─ )
2 mbar
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Plasmas en Tubos de Crookes
Fosforescencia de minerales
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Plasmas en Tubos Geissler.
Estudios de espectros de
emisión de distintas especies
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Bolas de Plasma
Nicola Tesla
& Mark Twain (1894)
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Otro ejemplo de descarga
Radiación de microondas con
Célula de Aire a Baja Presión ∼1 mbar
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ESTADOS de AGREGACIÓN de la MATERIA
SÓLIDO
LÍQUIDO
GAS
Aporte de Energía ( Calor )
y Aumento de Temperatura
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GAS
PLASMA
Más Energía
Ionización
Eléctrica
Térmica
Luminosa
Química
Nuclear
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Nº iones (o electrones)
Grado de
=
Ionización
Nº partículas neutras
• Eléctricamente Neutro
• Buen Conductor Eléctrico
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Ejemplo de Plasma: el Fuego
Energía Química
Conduce la Electricidad
V
V
Resistencia eléctrica
de varios Mega-Ohmios (MΩ)
V
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Diferencia entre Gases y Plasmas
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Gases
• Partículas Libres e Independientes
• Transferencia de Energía por Colisiones Individuales
Plasmas
Acción a distancia entre cargas (iones y electrones)
y de los campos eléctro-magnéticos
(comportamiento colectivo, como un fluido)
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Fenómenos que no sucederían con un Gas:
El plasma “escapa”
por un pequeño orificio lateral
(Lab. de Plasmas Fríos, IEM, CSIC)
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Efecto de un imán sobre el plasma.
Prof. H. Kersten, Inst. Low-Temperature Plasma Physics,
Greifswald (Germany)
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¿Que fenómenos ocurren
en un plasma a nivel
Microscópico?
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IONIZACIÓN INICIAL
Fenómeno desencadenante del plasma.
e-
+
e-
e-
Arco
Eléctrico
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PROCESOS SECUNDARIOS
• Los electrones son acelerados
por el campo eléctrico
y ganan energía
_
+
e-
• Ionización en cadena y
establecimiento de una
corriente eléctrica.
• Se alcanza un grado de ionización
que puede variar desde valores muy pequeños
hasta la ionización total (100%).
• El plasma desaparecería rápidamente
( por recombinación ) si cesara el aporte de energía.
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OTROS PROCESOS
1 - Excitación de niveles internos
de energía por impacto electrónico
Hacen falta valores
exactos de energía e-
2 - Desexcitación:
Emisión de radiación (fotones)
de diferentes energías :
e-
Análisis Espectral
de la Radiación
¡La luz del plasma
permite analizar las
especies que contiene!.
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3 - Espectros de Emisión Atómica en un plasma
H
Au
Fe
Fundamento de la Física Cuántica
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4.- Disociación molecular
H2O
HO
e-
O
+
e-
Las moléculas se fragmentan
y liberan átomos y radicales (trozos de moléculas)
que a su vez reaccionan químicamente
y dan lugar a nuevas especies ( H2, O2 , H2O2 …)
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5.- Reacciones con las paredes del reactor
y otras superficies en el interior del plasma
El plasma arranca partículas del material
y las incorpora al plasma
o las deposita en otros puntos de la superficie.
Ventanas de observación recubiertas paulatinamente
con material metálico de las paredes del reactor
Plasma
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6.- ¡ Pero en Colisiones Elásticas entre los electrones
y las otras especies, muchísimo más pesadas,
casi NO hay Intercambio de Energía cinética !
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e-
ee-
H
e-
Choque e- + eChoque e- + H
m e ~ MH / 1800
Con masas iguales,
el intercambio de energía
es máximo
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La energía cinética (o temperatura) de los electrones
puede ser mucho mayor que la del resto del plasma
Existen Plasmas “Fríos”
Muy importante para multitud de aplicaciones
Te = 30.000 K, Tgas = 300 K
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Resumen de las
Principales Características de los Plasmas
• Necesitan energía para generarlos y mantenerlos.
• Emiten Luz .
• Son buenos conductores (por tener cargas libres).
• Son eléctricamente neutros.
• Responden a campos eléctricos y magnéticos.
• Químicamente, son enormemente reactivos.
• Pueden estar muy lejos del equilibrio térmico.
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Con tales Características
los Plasmas presentan
muy diversas Manifestaciones Naturales
y Aplicaciones Tecnológicas
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PLASMAS
en la
NATURALEZA
de lo más próximo
a lo más lejano
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Llamas
Predominio de Reacciones Químicas (Combustión)
Especies producidas: CO, CO2 , NO, NO2 …
Baja ionización (~ 10-9), T ~ 2000 K
Academia de Ciencias de Florencia (1667):
descubrió que son conductoras de electricidad.
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Fuegos Artificiales
Los distintos colores corresponden a aditivos de distintas sustancias
(Na, Sr, Ba…)
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Rayos
Voltaje
Corriente
Duración
Longitud
Ionización
Temperatura
106 - 109 V
105 A
10 μs - 100 ms
5 Km
Muy alta
30.000 K
Especies producidas:
O3 , NxOy
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“Lightning Sprites & Elves”(“Hadas y Elfos” en la Mesosfera Terrestre)
Predichos en 1920. Observados en 1990 (NASA Space Suttle).
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Videos de Sprites,
Con una cámara normal,
y con una cámara muy rápida
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Ionosfera ~ ( 60 – 1000 km )
Atenúa la Radiación Exterior de Alta Energía
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La Ionosfera fué
descubierta por Marconi en 1901
Como los metales y otros conductores,
los plasmas reflejan ciertas radiaciones
Reflexión de Radiofrecuencias ⇒
Transmisiones de Radio de
Largo Alcance
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Auroras Boreales y Australes
Ocurren en la IONOSFERA
Altitud > 100 km
Latitud > 60°
Fluctuaciones rápidas
Mas intensas cada 11 años : ciclo solar
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El Sol
Hasta el S. XX se atribuía una Edad menor al Universo,
por suponer combustibles químicos en el Sol y las estrellas.
Desde ∼ 1930 se conoce el origen de su energía:
la Fusión Nuclear
Cada segundo, el Sol transforma
600 MTm de H en 596 MTm de He.
El resto, 4 MTm, se transforman en Energía : E = mc2 → 4 x 1020 MW
Potencia incidente sobre la Tierra (1 kW/m2) ↔ 1010 MW ~ 107 centrales 41 41
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Regiones del Sol
7 MK
6000 K
7000 K
15 MK
1 MK
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¡Núcleo de Gas!. Densidad =160 g/cm3 (10 veces la del Pb)
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Nebulosas
Su enorme masa, muy dispersa, se va aproximando por gravedad
y calentando hasta formar nuevas estrellas.
Nebulosa de Orión
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Nebulosa
de Orion
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APLICACIONES
TECNOLÓGICAS
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Fluorescentes y lámparas de bajo consumo
Se ahorra el 80% de energía
Potencia consumida en iluminación ~ 105 MW
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Láseres de Gas
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Esterilización por plasma
a baja temperatura
Aplicaciones médicas
y de consumo alimentario,
en materiales que no soportan
altas temperaturas.
Doble acción bactericida:
• Radiación ultravioleta.
• Radicales Fuertemente oxidantes.
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Destrucción de Contaminantes Atmosféricos
Plasma sobre un catalizador
para eliminar CO y NO
de los tubos de escape
Descargas en corona
a presión atmosférica
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Cambios superficiales de materiales
Dureza, resistencia al rozamiento o al ataque químico,
impermeabilidad, conductividad, propiedades ópticas,
biocompatibilidad de implantes…
Notable mejora de las propiedades
de muy diversos productos
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Microelectrónica
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Pantallas de Plasma
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Reactores de Fusión Termonuclear
Consumo energético por persona
en un país industrializado durante TODA LA VIDA
• 10 g (D) → 0,5 m3 H2O
• 30 g Li
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Joint European Torus (J.E.T, U.K.)
No existe material capaz de aguantar las altas temperaturas necesarias.
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Plasma de fusión
en el interior de un reactor.
Confinamiento del plasma,
lejos de las paredes del reactor,
por un potente campo magnético.
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Motores Iónicos
Pueden ser el medio de propulsión espacial del futuro
Sonda Lunar “Smart-1” de la Agencia Espacial Europea.
Lanzada en Agosto de 2006
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Conclusión
Los plasmas constituyen la mayor parte
de la materia conocida del Universo (99,99%),
con formas extraordinariamente variadas y bellas.
Los plasmas representan además un papel
cada vez más importante en nuestras vidas.
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¡Muchas gracias por vuestra atención!
Laboratorio de Plasmas Fríos. Instituto de Estructura de la Materia. CSIC
http://www.iem.cfmac.csic.es/departamentos/fismol/Isabel_Tanarro/Isabel_Tanarro.htm
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