Plasma polvoriento

Un plasma polvoriento es un plasma que contiene partículas suspendidas con tamaños que van desde aproximadamente1 nm  a10 μm  (10 ⁻⁹ m  a10 ⁻⁵  m ). ^{[ 1 ]} Las partículas de polvo están cargadas y el plasma y las partículas se comportan colectivamente como un plasma. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Las partículas de polvo pueden formar partículas más grandes que dan lugar a "plasmas de grano". Debido a la complejidad adicional de estudiar plasmas con partículas de polvo cargadas, los plasmas polvorientos también se conocen como plasmas complejos . ^{[ 4 ] : 2}

Los plasmas polvorientos se encuentran en:

• Plasmas astrofísicos , como el medio interestelar.
• La heliosfera y el medio interplanetario
• La mesosfera de la Tierra ^{[ 5 ]}
• Experimentos de laboratorio diseñados específicamente ^{[ 6 ]}

Los plasmas polvorientos son interesantes porque la presencia de partículas altera significativamente el equilibrio de partículas cargadas, dando lugar a diferentes fenómenos. Es un campo de investigación actual. El acoplamiento electrostático entre los granos puede variar en un amplio rango, de modo que los estados del plasma polvoriento pueden cambiar de débilmente acoplados (gaseosos) a cristalinos, formando los llamados cristales de plasma . Dichos plasmas son de interés como sistema no hamiltoniano de partículas interactuantes y como medio para estudiar la física fundamental genérica de la autoorganización , la formación de patrones, las transiciones de fase y el escalamiento .

La temperatura del polvo en un plasma puede ser bastante diferente a la de su entorno. Por ejemplo:

El potencial eléctrico de las partículas de polvo es típicamente 1–10 V.  El potencial suele ser negativo porque los electrones son más móviles que los iones. La física es esencialmente la de una sonda de Langmuir que no consume corriente neta, incluyendo la formación de una vaina de Debye con un espesor de unas pocas veces la longitud de Debye . Si los electrones que cargan los granos de polvo son relativistas, entonces el polvo puede cargarse a varios kilovoltios. ^{[ 7 ]} La ​​emisión de electrones de campo , que tiende a reducir el potencial negativo, puede ser importante debido al pequeño tamaño de las partículas. El efecto fotoeléctrico y el impacto de iones positivos pueden resultar en un potencial positivo de las partículas de polvo.

El interés en la dinámica del polvo cargado en plasmas se vio amplificado por la detección de radios en los anillos de Saturno. ^{[ 4 ] : 85} El movimiento de partículas sólidas en un plasma sigue la siguiente ecuación:

${\displaystyle m{\frac {dv}{dt}}=\mathbf {F_{L}} +\mathbf {F_{G}} +\mathbf {F_{P}} +\mathbf {F_{D}} +\mathbf {F_{T}} }$

donde los términos corresponden a la fuerza de Lorentz, las fuerzas gravitatorias, las fuerzas debidas a la presión de radiación, las fuerzas de arrastre y la fuerza termoforética, respectivamente. ^{[ 4 ] : 70}

La fuerza de Lorentz , que comprende las contribuciones de la fuerza eléctrica y magnética, viene dada por:

${\displaystyle F_{L}=q\left(\mathbf {E} +{\frac {\mathbf {v} }{c}}\times \mathbf {B} \right)}$

donde E es el campo eléctrico, v es la velocidad y B es el campo magnético. ^{[ 4 ] : 71}

${\displaystyle \mathbf {F_{g}} }$es la suma de todas las fuerzas gravitacionales que actúan sobre la partícula de polvo, ya sea de planetas, satélites u otras partículas ^{[ 4 ] : 75, 76} y${\displaystyle \mathbf {F_{P}} }$es la contribución de fuerza debida a la presión de radiación. Esto se expresa como:

${\displaystyle F_{P}={\frac {\pi r_{d}^{2}}{c}}I\mathbf {\hat {e_{i}}} }$

La dirección del vector de fuerza,${\displaystyle \mathbf {\hat {e_{i}}} }$es la de la radiación incidente del flujo de fotones${\displaystyle I}$. El radio de la partícula de polvo es${\displaystyle r_{d}}$. ^{[ 4 ] : 83}

Para la fuerza de arrastre existen dos componentes principales de interés: las interacciones entre iones positivos y partículas de polvo, y las interacciones entre partículas neutras y de polvo. ^{[ 4 ] : 76} Las interacciones ión-polvo se dividen a su vez en tres tipos diferentes: colisiones regulares, modificaciones de la vaina de Debye y colisiones de Coulomb . ^{[ 4 ] : 77}

La fuerza termoforética es la fuerza que surge del gradiente de temperatura neto que puede estar presente en un plasma y del desequilibrio de presión subsiguiente; lo que provoca que se imparta un mayor momento neto a partir de colisiones desde una dirección específica. ^{[ 4 ] : 80}

Luego, dependiendo del tamaño de la partícula, existen cuatro categorías:

1. Partículas muy pequeñas , donde${\displaystyle \mathbf {F_ {L}}}$domina sobre${\displaystyle \mathbf {F_{G}} }$.
2. Granos pequeños , donde q/m ≈ √ G , y el plasma todavía juega un papel importante en la dinámica.
3. Granos grandes , donde el término electromagnético es despreciable, y las partículas se denominan granos. Su movimiento está determinado por la gravedad y la viscosidad.
4. Cuerpos sólidos de gran tamaño . En cuerpos de tamaño centimétrico y métrico, la viscosidad puede provocar perturbaciones significativas que pueden modificar su órbita. En cuerpos de tamaño kilométrico (o superior), la gravedad y la inercia dominan el movimiento.

Los plasmas polvorientos se estudian frecuentemente en laboratorios. Las partículas de polvo pueden cultivarse dentro del plasma o se pueden insertar micropartículas . Generalmente, se utiliza un plasma de baja temperatura con un bajo grado de ionización. En este caso, las micropartículas se convierten en el componente dominante en cuanto al transporte de energía y momento, y pueden considerarse esencialmente como un sistema monocomponente. Este sistema puede existir en las tres fases clásicas : sólida, líquida y gaseosa, y puede utilizarse para estudiar efectos como la cristalización, la propagación de ondas y choques, la propagación de defectos, etc.

Cuando se utilizan partículas de tamaño micrométrico, es posible observarlas individualmente. Su movimiento es lo suficientemente lento como para poder observarlo con cámaras convencionales, y se puede estudiar la cinética del sistema. Sin embargo, para partículas de tamaño micrométrico, la gravedad es una fuerza dominante que perturba el sistema. Por lo tanto, a veces se realizan experimentos en condiciones de microgravedad durante vuelos parabólicos o a bordo de una estación espacial .

El polvo también juega un papel importante en la investigación del plasma de fusión . La generación de energía de fusión por confinamiento magnético requiere descargas de plasma DT encendidas durante períodos prolongados, como se prevé para ITER y cualquier planta piloto de fusión . Sin embargo, esto presenta desafíos relacionados con la formación de polvo dentro de la cámara de vacío, causando impurezas y afectando el rendimiento. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Las partículas de polvo, que varían de tamaño nanométrico a milimétrico, pueden producirse debido al daño a los componentes en contacto con el plasma (PFC) causado por altos flujos de partículas y calor. En dispositivos de fusión como ITER, las perturbaciones causadas por el polvo podrían dañar significativamente los PFC, y se deben cumplir los límites de inventario de polvo dentro del recipiente. En algunos casos, el polvo (en polvo) puede desempeñar un papel positivo, como el acondicionamiento de la pared in situ, la supresión de modos localizados en el borde y la reducción de los flujos de calor al divertor . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

• Padma Kant Shukla —coautor de Introducción a la física del plasma polvoriento ^{[ 12 ]}

• Forschungsgruppe komplex Plasmen - DLR Oberpfaffenhofen

• Plasmas polvorientos: Física, química e impactos tecnológicos en el procesamiento de plasma, John Wiley & Sons Ltd.
• Merlino, Robert L., "Investigaciones experimentales de plasmas polvorientos" (2005) ( preimpresión en PDF ); destaca parte de la historia de los experimentos de laboratorio en plasmas polvorientos,
• Morfill, Gregor E. y Ivlev, Alexei V., "Plasmas complejos: un campo de investigación interdisciplinario" , Rev. Mod. Phys. 81, 1353 (2009)