Plasma y descargas eléctricas

Hasta hace poco tiempo, encontrar plasmas producidos artificialmente no era tarea sencilla pero, con el avance tecnológico, hoy los encontramos en monitores, televisores, y tubos fluorescentes. Una de las líneas de trabajo del grupo de investigadores dirigido por Diana Grondona y Fernando Minotti es la de generación de plasma mediante descargas eléctricas.

Reactor de plasma para el tratamiento de gases contaminados. Foto: Diana Martinez Llaser

En el universo, el plasma es el estado de agregación de la materia más abundante. Las estrellas -como por ejemplo el Sol- son el mejor ejemplo de materia en estado natural de plasma. También es plasma el viento solar, el medio intergaláctico, las nebulosas y –más cerca de nosotros- los rayos en una tormenta, la ionósfera y las auroras boreales.

Hasta hace relativamente poco tiempo, encontrar plasmas producidos artificialmente no era tarea sencilla, pero con el avance tecnológico hemos comenzado a convivir cotidianamente con ellos. Los encontramos, por ejemplo, en los monitores o televisores, en el interior de los tubos fluorescentes o en descargas eléctricas de uso industrial.

La mayor parte de los plasmas artificiales son generados por la aplicación de energía eléctrica o de campos magnéticos.

Uno de las líneas de investigación del Instituto de Física del Plasma (INFIP), dentro del grupo Tecnología de Plasma, es la de generación de plasma mediante descargas eléctricas de baja potencia en un gas a presión atmosférica.

“En el plasma generado hay electrones energéticos, iones, especies reactivas como radicales libres y metaestables, fotones energéticos ultravioleta, etcétera”, explica Diana Grondona, doctora en Física y directora del grupo junto a Fernando Minotti.

Para generar plasmas, los investigadores producen descargas eléctricas en un medio gaseoso. De este modo, al entregarle energía eléctrica a algo que está en estado gaseoso, éste pasa al estado de plasma. “En el laboratorio se generan plasmas de muchas maneras; mi línea de investigación está relacionada especialmente con descargas eléctricas a presión atmosférica. Para eso hay que aplicar tensiones importantes, diferencias de voltaje del orden del kilovolt. De acuerdo con la configuración de electrodos y al tipo de fuentes que uno utiliza (fuentes continuas, alternas), se obtienen distintos tipos de descargas. Entre los tipos de descargas eléctricas con las que trabajamos, están las descargas de barrera dieléctrica (DBD) y las descargas tipo corona. En las descargas DBD hay dos electrodos entre los cuales se produce la descarga, pero al menos uno está tapado con un aislante. Entonces, no se produce ruptura dieléctrica del aislante, sino del aire que está entre los dos electrodos. Se forma una descarga gaseosa y el aire que está entre los electrodos pasa al estado de plasma. Esa descarga puede ser de varias maneras, dependiendo de la concentración de electrodos y de las fuentes. Las descargas tipo corona se producen al aplicar tensiones suficientemente grandes en configuraciones de conductores que admiten fuertes gradientes de campo eléctrico. Es una descarga que se produce en un electrodo que tiene forma de punta o algún borde muy filoso. Si uno aplica grandes campos eléctricos en esa zona, se intensifica el campo eléctrico y se produce ruptura dieléctrica del gas. En este tipo de descargas, se genera un plasma no térmico, la energía eléctrica es transferida a los electrones mientras que las especies pesadas permanecen frías, por lo tanto, estas descargas ofrecen la posibilidad de tratar superficies sensibles al calor, como tejidos vivos”, agrega Grondona.

Diana Grondona (de rojo), Leandro Giuliani, Fernando Minotti, Jorge Gallego, Magalí Xaubet.

El trabajo de los investigadores tiene aplicaciones tecnológicas cuya utilidad es fácilmente apreciable. Entre ellas, la posibilidad de convertir gases tóxicos en sustancias inocuas. “En el grupo trabajamos con una descarga que combina una descarga DBD con una descarga corona. Con esta descarga montamos un reactor de plasma para el tratamiento de gases tóxicos. El gas que se va a tratar fluye a través de la descarga, y se generan reacciones químicas que convierten sustancias tóxicas en sustancias no peligrosas. Específicamente, trabajamos en la reducción de monóxido de nitrógeno (NO), que es uno de los contaminantes típicos en los gases de escape de los motores”, relata Grondona.

Otro tipo de descargas con las cuales trabaja el grupo son las descargas tipo plasma jet de baja corriente empleando diferentes gases, como argón, helio y aire. “El esquema básico consiste en una descarga eléctrica generada en una región cerrada, mientras que un flujo de gas sopla el plasma y se genera una pluma de plasma que contiene iones, electrones y especies reactivas, las cuales son arrastradas de la zona de la descarga hacia el exterior donde pueden ser utilizadas de varias maneras”, explica la investigadora. Esta especie de pluma de plasma tiene muchísimas aplicaciones que se están estudiando, entre ellas, sus propiedades bactericidas.

Los investigadores trabajan en el laboratorio montando la descarga eléctrica para la generación del plasma. La estudian experimentalmente mediante pruebas diagnósticas eléctricas y ópticas y hacen modelos teóricos de la misma. Estos modelos son validados a partir de los resultados experimentales y a su vez son empleados para determinar en forma indirecta parámetros de interés de la descarga. “Como estas descargas tienen múltiples aplicaciones tecnológicas, estudiamos algunas de ellas, como el ya mencionado empleo del plasma generado para la eliminación de agentes tóxicos presentes en un gas, sus aplicaciones biológicas o en el tratamiento de superficies”, afirma Grondona.