PLASMAS EN LA NATURALEZA, LA TECNOLOGÍA Y LA CIENCIA:

Transcripción

1 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 1

2 Esquema Perspectiva histórica de los plasmas Naturaleza y propiedades Tipos de plasmas Aplicaciones 2

3 PLASMA: Materia más abundante del Universo (99,99%) Sol, Estrellas, Nebulosas 3 Todos los plasmas emiten luz! ( y casi todo lo que emite luz es un plasma ) 3

4 Los PLASMAS en la TIERRA son muy escasos, breves y poco conocidos. 4 4

5 5 3º ESO 5

6 QUÉ ES UN PLASMA? 6 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 6

7 PLASMA: CUARTO ESTADO DE LA MATERIA. 7 Último estado de agregación de la materia identificado por el hombre. Predicho por Michael Faraday (1820) M. Faraday Estudiado por William Crookes en Descargas Eléctricas a Baja Presión (1880) W. Crookes J. J. Thomson: Desviación de Rayos Catódicos (electrones) con Campos Eléctromagnéticos. Origen del Televisor J. J. Thomson (Nobel)

8 Cómo formar Plasmas con Descargas Eléctricas en Gases? 8 Célula de Descarga y Bomba de Vacío (1880) Alto Voltaje ~ 1000 V P = atmósferas = moléculas/cm 3 8

9 Dos aspectos de un plasma de aire en un tubo de descarga a distintas presiones y corrientes 0.8 mbar ÁNODO ( + ) CÁTODO ( ) 2 mbar 9

10 10 Plasmas en Tubos de Crookes Fosforescencia de minerales 10

11 11 Plasmas en Tubos Geissler. Estudios de espectros de emisión de distintas especies 11

12 Bolas de Plasma 12 Nicola Tesla & Mark Twain (1894) 12

13 13 Otro ejemplo de descarga Radiación de microondas con Célula de Aire a Baja Presión 1 mbar 13

14 14 ESTADOS de AGREGACIÓN de la MATERIA SÓLIDO LÍQUIDO GAS Aporte de Energía ( Calor ) y Aumento de Temperatura 14

15 GAS PLASMA 15 Más Energía Ionización Eléctrica Térmica Luminosa Química Nuclear Grado de Ionización = Nº iones (o electrones) Nº partículas neutras Eléctricamente Neutro Buen Conductor Eléctrico 15

16 Ejemplo de Plasma: el Fuego Energía Química Conduce la Electricidad V V Resistencia eléctrica de varios Mega-Ohmios (MΩ) V 16

17 Diferencia entre Gases y Plasmas 17 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) 17

18 Fenómenos que no sucederían con un Gas: El plasma escapa por un pequeño orificio lateral (Lab. de Plasmas Fríos, IEM, CSIC) 18

19 Efecto de un imán sobre el plasma. Prof. H. Kersten, Inst. Low-Temperature Plasma Physics, Greifswald (Germany) 19

20 Que fenómenos ocurren en un plasma a nivel Microscópico? 20

21 IONIZACIÓN INICIAL Fenómeno desencadenante del plasma. 21 e - e + - e - Arco Eléctrico 21

22 PROCESOS SECUNDARIOS 22 Los electrones son acelerados por el campo eléctrico y ganan energía Ionización en cadena y establecimiento de una corriente eléctrica. _ e - + 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. 22

23 OTROS PROCESOS 1 - Excitación de niveles internos de energía por impacto electrónico 23 Hacen falta valores exactos de energía e Desexcitación: Emisión de radiación (fotones) de diferentes energías : e - Análisis Espectral de la Radiación La luz del plasma permite analizar las especies que contiene!. 23

24 3 - Espectros de Emisión Atómica en un plasma H Au Fe Fundamento de la Física Cuántica 24

25 4.- Disociación molecular 25 H 2 O 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 ( H 2, O 2,H 2 O 2 ) 25

26 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 26

27 6.- Pero en Colisiones Elásticas entre los electrones y las otras especies, muchísimo más pesadas, casi NO hay Intercambio de Energía cinética! 27 e - e - H e - Choque e - + H m e ~M H / 1800 e - Choque e - + e - Con masas iguales, el intercambio de energía es máximo 27

28 La energía cinética (o temperatura) de los electrones puede ser mucho mayor que la del resto del plasma 28 Existen Plasmas Fríos Muy importante para multitud de aplicaciones T e = K, T gas = 300 K 28

29 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. 29

30 Con tales Características los Plasmas presentan muy diversas Manifestaciones Naturales y Aplicaciones Tecnológicas 30

31 PLASMAS en la NATURALEZA 31 de lo más próximo a lo más lejano 31

32 Llamas Predominio de Reacciones Químicas (Combustión) Especies producidas: CO, CO 2, NO, NO 2 32 Baja ionización (~ 10-9 ), T ~ 2000 K Academia de Ciencias de Florencia (1667): descubrió que son conductoras de electricidad. 32

33 Fuegos Artificiales Los distintos colores corresponden a aditivos de distintas sustancias (Na, Sr, Ba ) 33

34 Rayos Voltaje Corriente Duración Longitud Ionización Temperatura V 10 5 A 10 μs ms 5 Km Muy alta K Especies producidas: O 3, N x O y 34 34

35 Lightning Sprites & Elves ( Hadas y Elfos en la Mesosfera Terrestre) Predichos en Observados en 1990 (NASA Space Suttle). 35

36 Videos de Sprites, Con una cámara normal, y con una cámara muy rápida 36

37 Ionosfera ~ ( km ) 37 Atenúa la Radiación Exterior de Alta Energía 37

38 38 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 38

39 39 Auroras Boreales y Australes Ocurren en la IONOSFERA Altitud > 100 km Latitud > 60 Fluctuaciones rápidas Mas intensas cada 11 años : ciclo solar 39

40 40

41 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 = mc 2 4 x MW Potencia incidente sobre la Tierra (1 kw/m 2 ) MW ~ 10 7 centrales 41 41

42 Regiones del Sol 42 7 MK 15 MK 6000 K 7000 K 1 MK Núcleo de Gas!. Densidad =160 g/cm 3 (10 veces la del Pb) 42

43 Nebulosas Su enorme masa, muy dispersa, se va aproximando por gravedad y calentando hasta formar nuevas estrellas. 43 Nebulosa de Orión 43

44 Nebulosa de Orion 44

45 45 APLICACIONES TECNOLÓGICAS 45

46 Fluorescentes y lámparas de bajo consumo Se ahorra el 80% de energía 46 Potencia consumida en iluminación ~ 10 5 MW 46

47 Láseres de Gas 47

48 Esterilización por plasma a baja temperatura 48 Aplicaciones médicas y de consumo alimentario, en materiales que no soportan altas temperaturas. Doble acción bactericida: Radiación ultravioleta. Radicales Fuertemente oxidantes. 48

49 49 Destrucción de Contaminantes Atmosféricos Plasma sobre un catalizador para eliminar CO y NO de los tubos de escape Descargas en corona a presión atmosférica 49

50 50 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 50

51 Microelectrónica 51

52 52 Pantallas de Plasma 52

53 Reactores de Fusión Termonuclear Consumo energético por persona en un país industrializado durante TODA LA VIDA 10 g (D) 0,5 m 3 H 2 O 30 g Li 53

54 Joint European Torus (J.E.T, U.K.) 54 No existe material capaz de aguantar las altas temperaturas necesarias. 54

55 55 Plasma de fusión en el interior de un reactor. Confinamiento del plasma, lejos de las paredes del reactor, por un potente campo magnético. 55

56 Motores Iónicos Pueden ser el medio de propulsión espacial del futuro Sonda Lunar Smart-1 de la Agencia Espacial Europea. Lanzada en Agosto de

57 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. 57

58 Muchas gracias por vuestra atención! Laboratorio de Plasmas Fríos. Instituto de Estructura de la Materia. CSIC 58