plasma

Cuando la electricidad de alto voltaje se desata en el aire libre, atraviesa la atmósfera, formando dedos caóticos y ramificados de plasma eléctrico. Estos arcos eléctricos son difíciles de controlar, ramificándose en direcciones aparentemente aleatorias, siguiendo caminos impredecibles dictados por sutiles cambios en la densidad del aire, la carga eléctrica y la atracción de superficies conductoras cercanas.

Ahora, un equipo internacional de científicos ha descubierto cómo domar estas descargas erráticas utilizando sonido de alta frecuencia. Al proyectar campos ultrasónicos dinámicos, los investigadores pueden atrapar el aire caliente y de baja densidad generado por una chispa y forzarlo a entrar en canales acústicos precisos, con una exactitud de milímetros.

Debido a que la corriente eléctrica naturalmente prefiere viajar a través de este aire menos denso, el plasma sigue obedientemente la guía acústica. El nivel de control es asombroso. Los investigadores pudieron doblar chispas de alto voltaje alrededor de obstáculos sólidos y dirigirlas a objetivos específicos con tiempos de respuesta de milisegundos.

Este avance podría abrir la puerta a un extraño nuevo mundo de aplicaciones, desde cableado invisible para electrónica de alto voltaje hasta la eliminación de bacterias y la creación de retroalimentación háptica en el aire que se puede sentir sobre la piel desnuda.

Dominando el Caos del Plasma

Investigadores de la Universidad Pública de Navarra, la Universidad de Helsinki y la Universidad de Waterloo experimentaron con campos acústicos para ver si el sonido podía influir en la descarga eléctrica.

“Observamos este fenómeno hace más de un año, luego nos tomó meses controlarlo, e incluso más tiempo encontrar una explicación”, dice el Dr. Asier Marzo de la Universidad Pública de Navarra, investigador principal del trabajo.

Para lograr esto, el equipo construyó una arena de pruebas especializada. Colocaron una bobina de Tesla dentro de dos anillos concéntricos compuestos por emisores ultrasónicos de 360 grados. La bobina de Tesla generó una chispa de corriente alterna, que inicialmente estalló en una forma caótica, similar a un árbol. Pero cuando encendieron los anillos ultrasónicos, las ramas caóticas colapsaron instantáneamente en una sola línea enfocada de plasma.

Al ajustar electrónicamente la fuerza y la fase de los emisores individuales, los investigadores pudieron inclinar el punto focal del sonido. A medida que el sonido se movía, la chispa lo seguía obedientemente, bloqueándose en electrodos específicos en una cuadrícula.

El Embudo Acústico Invisible

Entonces, ¿cómo exactamente el sonido le dice a la electricidad dónde ir?

Podría suponerse que las ondas de sonido están empujando físicamente los electrones, pero la física es mucho más elegante. El ultrasonido está remodelando la atmósfera misma, creando un túnel invisible de baja resistencia para que viaje la electricidad.

Cuando una chispa se enciende, calienta violentamente el aire que la rodea inmediatamente, elevando la temperatura a unos 70 grados Celsius. El aire caliente se expande naturalmente, lo que provoca una disminución de su densidad. Debido a que la electricidad siempre busca el camino más fácil, prefiere viajar a través de este aire menos denso, que ofrece un voltaje de ruptura más bajo.

Aquí es donde entra en juego el ultrasonido. Los pulsos de sonido de alta frecuencia ejercen una fuerza de radiación acústica que realmente atrapa y mueve este aire más caliente y menos denso. Las ondas de sonido empujan el aire caliente hacia “antinodos” específicos, que son áreas de alta amplitud acústica.

El plasma eléctrico simplemente sigue este túnel artificial de aire caliente.

Ondas de Sonido Sobre Láseres de Alta Potencia

Antes de este descubrimiento, la única forma confiable de guiar el plasma en el aire era usar láseres. Estos sistemas, conocidos como Electroláseres, disparan pulsos ópticos de alta potencia para calentar el aire y crear un canal de plasma para que siga la chispa.

Pero el uso de láseres tiene importantes inconvenientes. Son caros y requieren equipos voluminosos y engorrosos. Exigen una sincronización microsegundos increíblemente precisa para sincronizar el pulso láser con la descarga eléctrica. Los láseres también pueden introducir importantes riesgos para la seguridad, pudiendo cegar a los espectadores o dañar los materiales que golpean.

El ultrasonido evita estos obstáculos por completo. El equipo acústico es compacto, asequible y seguro para los ojos y la piel humanos. Además, los campos ultrasónicos pueden operar continuamente sin necesidad de una sincronización perfecta con la chispa eléctrica.

“El control preciso de las chispas permite su utilización en una amplia variedad de aplicaciones, como las ciencias atmosféricas, los procedimientos biológicos y la alimentación selectiva de circuitos”, comenta el Prof. Ari Salmi de la Universidad de Helsinki.

El método acústico es altamente receptivo, tardando solo entre 15 y 35 milisegundos en capturar una chispa y estabilizar su nueva trayectoria. Los investigadores incluso pueden intersectar dos puntos focales acústicos para crear un campo curvo, lo que permite que la chispa de plasma se doble con gracia alrededor de un obstáculo físico, como un grano de palomitas de maíz, para alcanzar su objetivo.

Tocando lo Intocable

Uno de los resultados más sorprendentes de esta investigación es cómo cambia las reglas de lo que la electricidad puede golpear.

Normalmente, una chispa prefiere fuertemente los metales conductores. Pero con la guía acústica, los investigadores pudieron inducir al plasma a golpear materiales no conductores como láminas planas de acrílico y papel en puntos fijos y específicos.

Este control sin precedentes allana el camino para fascinantes usos en el mundo real. Los ingenieros podrían usar plasma guiado por ultrasonido para conmutar circuitos de alto voltaje de forma inalámbrica sin relés físicos. Podría usarse para grabar materiales, soldar con alta precisión o atacar con precisión colonias de bacterias en una placa de Petri.

Existe una limitación actual: la técnica actualmente solo funciona con chispas de corriente alterna (CA). Cuando el equipo intentó guiar chispas de corriente continua (CC), el intento fracasó, probablemente porque la CC crea un “viento iónico” entre los electrodos que interrumpe el campo acústico.

A pesar de esto, el potencial de manipulación de chispas de CA es vasto, particularmente en la interacción hombre-computadora. Debido a que el ultrasonido puede apuntar con precisión a pulsos de plasma de baja potencia directamente sobre la piel humana, podría crear tipos de interfaces completamente nuevos.

“Estoy entusiasmado con la posibilidad de usar chispas muy débiles para crear estímulos táctiles controlados en la mano, quizás creando el primer sistema Braille sin contacto”, dice Josu Irisarri, primer autor de la publicación de la Universidad Pública de Navarra.

Los hallazgos aparecieron en la revista Science Advances.