Física de Plasmas physics.plasm-ph

El haz de una linterna, al pasar por una rendija estrecha, no se mantiene como una línea fina, sino que se dispersa hacia los lados. La luz tiende a rodear los bordes de los obstáculos, y por eso el punto de luz más pequeño que se puede obtener con una lente ordinaria no puede ser menor que media longitud de onda.

En las profundidades de las estrellas, los núcleos ligeros se fusionan, dando lugar a helio y flujos de neutrones. En la Tierra, este proceso se reproduce combinando deuterio y tritio, isótopos especiales de hidrógeno.

Un reactor de fusión se asemeja a una caldera gigante donde se «cuece» helio a partir de hidrógeno. El plasma en su interior alcanza 150 millones de grados, diez veces más caliente que el núcleo del Sol. Pero como en cualquier caldera, aquí se forma sarro: impurezas dañinas que se depositan en las paredes y apagan el plasma.

Un magnetar es una estrella de neutrones con un campo magnético un cuatrillón de veces más fuerte que el terrestre. A veces expulsa un grumo de plasma, parecido a un globo, dentro del cual se agitan miles de resortes invisibles.

En cualquier cocina hay un hervidor, pero pocos preparan hierbas con agua por la que acaba de pasar una descarga eléctrica. Eso es exactamente lo que hicieron los investigadores con hojas de neem y tulsi, plantas que en la India se han usado durante siglos como remedios naturales.

Un haz de iones pesados en un acelerador se parece a una multitud que se empuja con los codos: cuanta más gente, más ancha es la multitud. Las partículas cargadas se repelen, y con corrientes superiores a unos pocos microamperios el haz se desparrama y pierde su forma.

Un nuevo estudio confirmó: las ondas de choque en el plasma alrededor de agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias funcionan como olas oceánicas que empujan a los protones a velocidades cercanas a la luz. Incluso una onda débil les cede una décima parte de su energía, como si una suave resaca lanzara a un surfista al espacio.

En el gas ardiente de partículas cargadas —el plasma— los campos eléctricos caóticos funcionan como un colador. La partícula lenta se rodea de una nube de cargas opuestas que atenúa el campo externo. La rápida se desprende de esa coraza y recibe un impulso.

En el Sol ocurren constantemente breves eyecciones de plasma: las nanojets. Son del tamaño de una pequeña ciudad, viajan a cientos de kilómetros por segundo y desaparecen en menos de medio minuto. Cada una de estas llamaradas es como una diminuta explosión que lanza gas caliente hacia arriba.

El agua en un vaso se calma si dejas de removerla. El aceite del motor amortigua las vibraciones. Parece que la viscosidad siempre tiene que ver con la amortiguación. Pero en algunos flujos ocurre lo contrario: añade fricción y las olas empiezan a crecer como de la nada. Los físicos han encontrado una explicación sencilla.

El gas incandescente que fluye desde el Sol no es una corriente uniforme, sino más bien una sopa de partículas cargadas. En esta sopa, las ondas hierven de vez en cuando: los campos eléctricos destellan y se apagan, como las ondas en el agua al lanzar una piedra. Una de estas ondas es la onda acústica ión-ión.

Encender un miniatura sol es un viejo sueño de la humanidad. Generalmente, los científicos intentan confinar plasma incandescente (gas de partículas cargadas) a temperaturas de cientos de millones de grados.

Una semilla de trigo es como un viajero dormido en tierra fría: para despertar necesita una lluvia cálida. Científicos de la India han encontrado una forma de despertarla sin químicos: con plasma frío, el mismo que brilla en los tubos de neón. El plasma es un gas en el que algunos átomos han perdido electrones. Raspa ligeramente la cubierta de la semilla, y el agua entra más rápido.

Dentro de un tokamak, esa enorme rosquilla magnética, el plasma se calienta a cientos de millones de grados. No toca las paredes, sino que flota en el vacío, sostenido por campos magnéticos invisibles. Pero el plasma es caprichoso: basta un pequeño cambio en la corriente o la presión para que su forma se deforme, como gelatina en un plato.

Un reactor de fusión se parece a una orquesta, donde el plasma es la melodía y las bobinas magnéticas, los músicos. Si un instrumento desafina, toda la sinfonía se desmorona.

El Sol emite constantemente un flujo de partículas cargadas, principalmente hidrógeno — el viento solar. A veces, el Sol expulsa densas nubes de gas magnetizado, en cuyo interior suele reinar la calma. Pero en el año 2000, en una de esas nubes, los científicos detectaron dos regiones donde el gas hervía.

El plasma en un reactor de fusión es como un enjambre de luciérnagas que hay que mantener dentro de un frasco invisible. Antes se pensaba que las paredes del frasco debían ser perfectamente lisas, o las luciérnagas encontrarían una rendija y escaparían. El nuevo trabajo demuestra que el frasco se puede pegar a partir de piezas con costuras notables, y el enjambre seguirá dentro.

Un reactor de fusión es el intento de contener un pequeño sol en una jaula magnética. Para que produzca más energía, hay que comprimir el plasma hasta hacerlo más denso. Pero los tokamaks tienen una valla invisible: en cuanto la densidad supera cierto umbral, el plasma se estremece y se desmorona.

Un pulso láser corto golpea el aire y en el punto de impacto se enciende un diminuto relámpago. Vive más de lo que parece: el brillo intenso se ve durante medio milisegundo, y el débil, casi veinte milisegundos.

En una olla de sopa hirviendo, las burbujas pequeñas burbujean, pero gradualmente las corrientes grandes comienzan a dominar. Algo similar ocurre en el plasma cósmico, donde los campos magnéticos se comportan como hilos enredados.

En la corriente de partículas cargadas que sopla continuamente desde el Sol, a veces se producen ráfagas de radio: señales cortas y potentes en una frecuencia que se puede captar con un receptor de radio común. Hasta ahora no estaba claro cómo se generan exactamente estas señales en esa corriente.

El plasma caliente es como una bandada de luciérnagas veloces que se agitan dentro de un frasco. Mantenerlo en una trampa magnética abierta es como tratar de que las luciérnagas no toquen las paredes. Un nuevo modelo computacional muestra cómo hacerlo con mayor precisión.

El plasma caliente en un futuro reactor de fusión se parece a una pista de baile abarrotada: miles de millones de partículas giran en un ritmo complejo, chocando y cambiando de velocidad. Entender cuán enredado está ese baile no es tarea fácil. Los científicos encontraron la manera de medir su complejidad sin tener que observar cada movimiento.

El plasma es un gas calentado tan intensamente que los electrones se separan de los átomos. En él corren ondas parecidas al sonido en el aire, pero las controla un campo magnético. Si el campo magnético se vuelve no homogéneo, sino periódico —como una valla con tablones alternados—, las ondas se comportan de otra manera.

El láser impacta el blanco y una nube de plasma sale disparada hacia la cámara a cientos de kilómetros por segundo. Alrededor no hay vacío: la cámara está llena de un gas enrarecido que hace las veces de medio interestelar.

Una llamarada solar es como un trueno en un cielo despejado: una liberación de energía breve pero poderosa. El radiotelescopio MeerKAT, en Sudáfrica, captó una llamarada de clase M1.3 y la observó con una nitidez sin precedentes. Los instrumentos habituales ven o los detalles brillantes o los débiles, pero no ambos a la vez.

En un tokamak, el plasma es como una multitud en una calle estrecha: basta con que alguien corra para que todos se lancen a la vez. En un stellarator con sección no circular, la calle es sinuosa, con callejones sin salida y bolsas. La multitud no puede formar una sola ola: la gente se queda atrapada en diferentes rincones.

Un pulso láser que viaja a través de un plasma es como un corredor que se abre paso entre la multitud: empuja a los electrones y deja tras de sí un canal de baja densidad, igual que la gente se aparta ante un velocista.

10 de octubre de 2024. El Sol lanzó hacia la Tierra una nube de plasma magnetizado, y cuatro naves espaciales situadas en un mismo punto entre el Sol y la Tierra registraron a la vez cómo bullía esa nube. La distancia entre las sondas extremas es de solo 80 radios terrestres, unos 500 000 kilómetros.

El plasma es un gas en el que los electrones se han separado de los átomos y que conduce la electricidad. En el espacio, este gas suele estar tan enrarecido que las partículas casi no chocan entre sí, y su comportamiento se describe mediante las ecuaciones de movimiento de cada partícula.

El Sol emite constantemente un flujo de partículas cargadas: el viento solar. Entre ellas hay muchos electrones, y algunos vuelan de regreso hacia el Sol. Pero las observaciones muestran que regresan menos electrones de los que deberían. Antes se pensaba que la culpa era del campo eléctrico del Sol, que frena las partículas.

El radiotelescopio capta una señal de la Nebulosa del Cangrejo, y en la pantalla, en lugar de una línea uniforme, aparecen bandas claras y oscuras, como en la piel de una cebra. Es la emisión del púlsar, una estrella de neutrones que gira rápidamente y que quedó tras la explosión de una supernova.

El plasma no es solo un gas caliente, sino una mezcla de partículas cargadas que se mueven constantemente y crean campos magnéticos. Cuando el plasma hierve, estos campos se entrelazan como espaguetis en una olla hirviendo.

Las fuentes modernas de rayos X se parecen a una orquesta sin director: los electrones en el haz van cada uno por su lado y la radiación sale borrosa. La nueva idea es hacer que los electrones se alineen en filas uniformes con un paso de varios nanómetros. Entonces la luz que emiten se vuelve coherente, como un rayo láser.

Antes de cada arranque de un tokamak —el dispositivo donde un gas sobrecalentado se mantiene confinado por un campo magnético—, los operadores pasan horas calculando cómo se comportará el plasma. Equivocarse es demasiado caro: un solo parámetro incorrecto puede arruinar el experimento.

Dentro del futuro reactor de fusión flotará un imán que pesa como un automóvil pequeño. Sostiene el plasma ardiente como una mano invisible sostiene una nube. Antes se consideraba que un imán así no servía para combustible de deuterio y tritio: los flujos de neutrones lo destruían rápidamente.

La onda expansiva golpea la superficie y esta comienza a arrugarse, como una alfombra sobre la que se pasa bruscamente el pie. Estas arrugas crecen, se enrollan en vórtices y mezclan todo a su alrededor. En la fusión nuclear, esa mezcla es un gran problema: el combustible no se comprime de manera uniforme y la reacción se apaga.

Un río tranquilo que de pronto empieza a hervir en un tramo llano: así se ve el enigma que abordaron los autores del nuevo trabajo. Tomaron una fina capa de gas cargado con un campo magnético muy débil y siguieron en la computadora qué le sucede. Al principio todo fluye uniforme, como agua del grifo.

En un plasma donde algunos átomos permanecen neutros, las líneas de campo magnético pueden reorganizarse a diferentes velocidades. Es como dos bandas elásticas que primero están enganchadas y de repente se sueltan y se contraen, liberando energía.

Cada vez que el deuterio y el tritio se fusionan en un reactor de fusión, sale un neutrón rápido. Puede transformar unas sustancias en otras, por ejemplo, crear isótopos valiosos para la medicina. Hoy en día, esos neutrones cuestan una fortuna, porque hay pocas instalaciones experimentales y funcionan con poca frecuencia.