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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 FusiónIsabel TanarroDept. de Física MolecularInst. de Estructura de la Materia,CSIChttp://www.iem.cfmac.csic.es/departamentos/fismol/Isabel_Tanarro/Isabel_Tanarro.htm1

Esquema• Perspectiva histórica de los plasmas• Naturaleza y propiedades• Tipos de plasmas• Aplicaciones2

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

Los PLASMAS en la TIERRA sonmuy escasos, breves y poco conocidos.44

53º ESO5

¿QUÉ ES UN PLASMA?6“Materia Gaseosa Fuertemente Ionizada,con Igual Número de Cargas LibresPositivas y Negativas”Diccionario de la Real Academiade la Lengua EspañolaDenominado Plasma por 1ª vezpor el Premio Nobel Irving Langmuir (1920).Analogía con el plasma sanguíneo6

PLASMA:“CUARTO ESTADO DE LA MATERIA”.7Último estado de agregación de la materiaidentificado por el hombre.Predicho por Michael Faraday (1820)1791-1867M. FaradayEstudiado por William Crookesen Descargas Eléctricas a Baja Presión (1880).1832-1919W. CrookesJ. J. Thomson: Desviación de Rayos Catódicos(electrones) con Campos Eléctromagnéticos.Origen del Televisor.1856-19407J. J. Thomson (Nobel)

8¿Cómo formar Plasmascon Descargas Eléctricas en Gases?Célula de Descarga y Bomba de Vacío (1880)Alto Voltaje ~ 1000 VP = 0.001 atmósferas = 25.000.000.000.000.000 moléculas/cm 38

Dos aspectos de un plasma de aireen un tubo de descarga a distintas presiones y corrientes0.8 mbarÁNODO ( + ) CÁTODO ( ─ )2 mbar9

10Plasmas en Tubos de CrookesFosforescencia de minerales10

11Plasmas en Tubos Geissler.Estudios de espectros deemisión de distintas especies11

Bolas de Plasma12Nicola Tesla& Mark Twain (1894)12

13Otro ejemplo de descargaRadiación de microondas conCélula de Aire a Baja Presión ∼1 mbar13

14ESTADOS de AGREGACIÓN de la MATERIASÓLIDO LÍQUIDO GASAporte de Energía ( Calor )y Aumento de Temperatura14

GASPLASMA15Más EnergíaIonizaciónEléctricaTérmicaLuminosaQuímicaNuclearGrado deIonización=Nº iones (o electrones)Nº partículas neutras• Eléctricamente Neutro• Buen Conductor Eléctrico15

Ejemplo de Plasma: el FuegoEnergía QuímicaConduce la ElectricidadVVResistencia eléctricade varios Mega-Ohmios (MΩ)V16

Diferencia entre Gases y Plasmas17Gases• Partículas Libres e Independientes• Transferencia de Energía por Colisiones IndividualesPlasmasAcción a distancia entre cargas (iones y electrones)y de los campos eléctro-magnéticos(comportamiento colectivo, como un fluido)17

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

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

¿Que fenómenos ocurrenen un plasma a nivelMicroscópico?20

IONIZACIÓN INICIALFenómeno desencadenante del plasma.21e - e+-e -ArcoEléctrico21

PROCESOS SECUNDARIOS22• Los electrones son aceleradospor el campo eléctricoy ganan energía• Ionización en cadena yestablecimiento de unacorriente eléctrica._e - +• Se alcanza un grado de ionizaciónque puede variar desde valores muy pequeñoshasta la ionización total (100%).• El plasma desaparecería rápidamente( por recombinación ) si cesara el aporte de energía.22

OTROS PROCESOS1 - Excitación de niveles internosde energía por impacto electrónico23Hacen falta valoresexactos de energía e -2 - Desexcitación:Emisión de radiación (fotones)de diferentes energías :e -Análisis Espectralde la Radiación¡La luz del plasmapermite analizar lasespecies que contiene!.23

3 - Espectros de Emisión Atómica en un plasmaHAuFeFundamento de la Física Cuántica24

4.- Disociación molecular25H 2OHOe -+Oe -Las moléculas se fragmentany liberan átomos y radicales (trozos de moléculas)que a su vez reaccionan químicamentey dan lugar a nuevas especies ( H 2 , O 2 ,H 2 O 2 …)25

265.- Reacciones con las paredes del reactory otras superficies en el interior del plasmaEl plasma arranca partículas del materialy las incorpora al plasmao las deposita en otros puntos de la superficie.Ventanas de observación recubiertas paulatinamentecon material metálico de las paredes del reactorPlasma26

6.- ¡ Pero en Colisiones Elásticas entre los electronesy las otras especies, muchísimo más pesadas,casi NO hay Intercambio de Energía cinética !27He -e - e -Choque e - + Hm e ~M H / 1800e -Choque e - + e -Con masas iguales,el intercambio de energíaes máximo27

La energía cinética (o temperatura) de los electronespuede ser mucho mayor que la del resto del plasma28Existen Plasmas “Fríos”Muy importante para multitud de aplicacionesT e = 30.000 K, T gas = 300 K28

Resumen de lasPrincipales 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

Con tales Característicaslos Plasmas presentanmuy diversas Manifestaciones Naturalesy Aplicaciones Tecnológicas30

PLASMASen laNATURALEZA31de lo más próximoa lo más lejano31

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

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

RayosVoltajeCorrienteDuraciónLongitudIonizaciónTemperatura10 6 -10 9 V10 5 A10 μs - 100 ms5 KmMuy alta30.000 KEspecies producidas:O 3 , N x O y3434

“Lightning Sprites & Elves”(“Hadas y Elfos” en la Mesosfera Terrestre)Predichos en 1920. Observados en 1990 (NASA Space Suttle).35

Videos de Sprites,Con una cámara normal,y con una cámara muy rápida36

Ionosfera ~ ( 60 – 1000 km )37Atenúa la Radiación Exterior de Alta Energía37

38La Ionosfera fuédescubierta por Marconi en 1901Como los metales y otros conductores,los plasmas reflejan ciertas radiacionesReflexión de Radiofrecuencias ⇒Transmisiones de Radio deLargo Alcance38

39Auroras Boreales y AustralesOcurren en la IONOSFERAAltitud > 100 kmLatitud > 60°Fluctuaciones rápidasMas intensas cada 11 años : ciclo solar39

El SolHasta 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 NuclearCada segundo, el Sol transforma600 MTm de H en 596 MTm de He.El resto, 4 MTm, se transforman en Energía : E = mc 2 → 4 x 10 20 MWPotencia incidente sobre la Tierra (1 kW/m 2 ) ↔ 10 10 MW ~ 10 7 centrales 4141

Regiones del Sol427 MK15 MK6000 K7000 K1 MK¡Núcleo de Gas!. Densidad =160 g/cm 3 (10 veces la del Pb)42

NebulosasSu enorme masa, muy dispersa, se va aproximando por gravedady calentando hasta formar nuevas estrellas.43Nebulosa de Orión43

Nebulosade Orion44

45APLICACIONESTECNOLÓGICAS45

Fluorescentes y lámparas de bajo consumoSe ahorra el 80% de energía46Potencia consumida en iluminación ~ 10 5 MW46

Láseres de Gas47

Esterilización por plasmaa baja temperatura48Aplicaciones médicasy de consumo alimentario,en materiales que no soportanaltas temperaturas.Doble acción bactericida:• Radiación ultravioleta.• Radicales Fuertemente oxidantes.48

49Destrucción de Contaminantes AtmosféricosPlasma sobre un catalizadorpara eliminar CO y NOde los tubos de escapeDescargas en coronaa presión atmosférica49

50Cambios superficiales de materialesDureza, resistencia al rozamiento o al ataque químico,impermeabilidad, conductividad, propiedades ópticas,biocompatibilidad de implantes…Notable mejora de las propiedadesde muy diversos productos50

Microelectrónica51

52Pantallas de Plasma52

Reactores de Fusión TermonuclearConsumo energético por personaen un país industrializado durante TODA LA VIDA• 10 g (D) → 0,5 m 3 H 2 O• 30 g Li53

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

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

Motores IónicosPueden ser el medio de propulsión espacial del futuroSonda Lunar “Smart-1” de la Agencia Espacial Europea.Lanzada en Agosto de 200656

ConclusiónLos plasmas constituyen la mayor partede la materia conocida del Universo (99,99%),con formas extraordinariamente variadas y bellas.Los plasmas representan además un papelcada vez más importante en nuestras vidas.57

¡Muchas gracias por vuestra atención!Laboratorio de Plasmas Fríos. Instituto de Estructura de la Materia. CSIChttp://www.iem.cfmac.csic.es/departamentos/fismol/Isabel_Tanarro/Isabel_Tanarro.htm58