Un toro di plasma, visto dall'alto. L'anello è creato da un getto d'acqua che colpisce una lastra di cristallo. Credito:Mory Gharib/Caltech
Per la prima volta, gli ingegneri di Caltech hanno creato un anello stabile di plasma all'aria aperta, catturando essenzialmente un fulmine in una bottiglia, ma senza la bottiglia.
La materia può esistere in quattro fasi distinte:solida, liquido, gas, e plasma. I plasmi sono fatti di particelle cariche, ioni ed elettroni, e si trovano naturalmente sulla Terra sotto forma di fulmini, nel fenomeno meteorologico chiamato fuoco di Sant'Elmo (in cui a volte appaiono sfere di luce incandescente su oggetti appuntiti durante i temporali), e in oggetti artificiali come lampadine fluorescenti e torce da taglio al plasma.
Generalmente, i plasmi non hanno forme proprie chiaramente definite. Il fulmine segue un percorso di minor resistenza attraverso l'aria, creando strutture che si biforcano selvaggiamente, mentre i plasmi artificiali sono vincolati da camere a vuoto o campi elettromagnetici.
Come tale, Morteza (Mory) Gharib (PhD '83), il professore Hans W. Liepmann di aeronautica e ingegneria bioispirata al Caltech, dice di essere rimasto sorpreso quando lui e il suo team sono stati in grado di generare un anello stabile di plasma all'aria aperta usando solo un flusso d'acqua e una lastra di cristallo. I loro risultati saranno pubblicati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze la settimana del 13 novembre
"Ci è stato detto da alcuni colleghi che non era nemmeno possibile. Ma possiamo creare un anello stabile e mantenerlo per tutto il tempo che vogliamo, nessun vuoto o campo magnetico o altro, " afferma il coautore Francisco Pereira del Marine Technology Research Institute in Italia, uno studioso in visita al Caltech.
Il flusso d'acqua è un getto di 85 micron di diametro da un ugello appositamente progettato a 9, 000 libbre per pollice quadrato che colpisce la lastra di cristallo con una velocità di impatto di circa 1, 000 piedi al secondo. Per riferimento, è un ruscello più stretto di un capello umano che si muove veloce come un proiettile sparato da una pistola.
Nel loro studio, Gharib e il suo team hanno sperimentato sia lastre di cristallo di quarzo che niobato di litio, ognuno dei quali può indurre l'effetto triboelettrico, in cui una carica elettrica si accumula a causa dell'attrito con un altro materiale. Quando il getto colpisce il cristallo, l'acqua crea un liscio, flusso laminare di ioni caricati positivamente attraverso la superficie caricata negativamente. Nella regione di taglio, dove il ruscello colpisce la superficie e scorre verso l'esterno attraverso di essa, l'effetto triboelettrico innesca un elevato flusso di elettroni attraverso l'acqua fino alla sua superficie. Questo flusso di elettroni ionizza gli atomi e le molecole nel gas circostante vicino alla superficie dell'acqua, creare una ciambella, o toro, di plasma incandescente che ha un diametro di decine di micron e visibile al microscopio.
Gharib e il suo team hanno sparato il getto d'acqua su superfici di diversa consistenza e hanno scoperto che più liscia è la superficie, più chiara è la struttura dell'anello di plasma. L'anello è stabile, e finché l'acqua continua a scorrere, l'anello mantiene la sua forma e dimensione.
L'illustrazione mostra come viene creato l'anello, di profilo. Nella regione di taglio, il flusso dell'acqua induce l'effetto triboelettrico nel cristallo, costruendo una carica elettrica che scorre attraverso l'acqua fino alla sua superficie. Credito:Mory Gharib/Caltech
Inoltre, gli ingegneri che lavorano con il plasma hanno notato che i loro telefoni cellulari hanno incontrato alti livelli di rumore a radiofrequenza - statico - mentre si trovavano nella stessa stanza dell'esperimento. Si scopre che l'anello di plasma emette frequenze radio distinte. "Non è mai stato visto prima. Pensiamo che sia a causa delle proprietà piezoelettriche dei materiali che abbiamo usato nei nostri esperimenti, "Pereira dice, riferendosi alla capacità dei materiali di essere polarizzati elettricamente attraverso stress meccanico, in questo caso, lo scorrere dell'acqua.
Gharib ha richiesto un brevetto sulla tecnica di generazione del toro. Sebbene non abbia applicazioni commerciali immediate, la capacità di generare un anello di plasma stabile senza potenti campi elettromagnetici o vuoto suggerisce il possibile utilizzo di strutture al plasma per immagazzinare energia, dice Gharib.
Il documento è intitolato "Generazione di plasmoidi toroidali tramite taglio idrodinamico estremo".
