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Scoperta materia esotica nell’atmosfera del Sole

Gli scienziati hanno utilizzato grandi radiotelescopi e telecamere ultraviolette su una sonda della NASA per comprendere meglio il “quarto stato della materia” esotico ancora poco compreso. Conosciuto come plasma, questa materia potrebbe rappresentare la chiave per lo sviluppo di generatori di energia nucleare sicuri, puliti ed efficienti sulla Terra. Gli scienziati hanno pubblicato la loro scoperta nella principale rivista internazionale Nature Communications .

La maggior parte della materia che incontriamo nella nostra vita quotidiana si presenta sotto forma di solido, liquido o gas, ma la maggior parte dell’Universo è composta da plasma un fluido altamente instabile ed elettricamente carico.  Anche il Sole è costituito da questo plasma.

plasma
Una pallina di plasma è un popolare giocattolo di novità che contiene plasma. Madmà / Getty Images

Nonostante sia la forma più comune di materia dell’universo il plasma  rimane un mistero, principalmente a causa della sua scarsità in condizioni naturali sulla Terra che rende difficile studiarlo. Speciali laboratori sulla Terra ricreano le condizioni estreme dello spazio per questo scopo, anche il Sole rappresenta un laboratorio  naturale per studiare come si comporta il plasma in condizioni che sono spesso troppo estreme per i laboratori terrestri costruiti artificialmente.

Il ricercatore presso il Trinity College di Dublino e l’Istituto di studi avanzati di Dublino (DIAS), Dr Eoin Carley, ha guidato la collaborazione internazionale. Ha detto: “L’atmosfera solare è un focolaio di attività estreme, con temperature del plasma superiori a 1 milione di gradi Celsius e particelle che viaggiano vicino alla velocità della luce. Le particelle di velocità della luce brillano a lunghezze d’onda radio, quindi siamo in grado per monitorare esattamente come si comportano i plasmi con i grandi radiotelescopi “.

“Abbiamo lavorato a stretto contatto con gli scienziati dell’Osservatorio di Parigi e realizzato osservazioni del Sole con un grande radiotelescopio situato a Nançay, nel centro della Francia e abbiamo combinato le osservazioni radio con le telecamere ultraviolette sulla sonda spaziale Solar Dynamics Observatory della NASA per dimostrare che il plasma del Sole può spesso emettere luce radio che pulsante. Si sapeva di questa attività da decenni, ma la nostra conoscenza dello spazio e delle attrezzature a terra ci ha permesso di immaginare gli impulsi radio per la prima volta e vedere esattamente come i plasmi diventano instabili nell’atmosfera solare. ”

Studiare il comportamento dei plasmi sul Sole ci consente di paragonarlo al comportano sulla Terra, dove sono in corso molti sforzi per costruire reattori a fusione di confinamento magnetico. Questi sono generatori di energia nucleare che sono molto più sicuri, puliti e più efficienti dei loro cugini reattori a fissione che attualmente utilizziamo per produrre energia.

Il Professor al DIAS e collaboratore del progetto, Peter Gallagher, ha dichiarato: “La fusione nucleare è un diverso tipo di generazione di energia nucleare che fonde insieme gli atomi di plasma, invece di romperli come fa la fissione. La fusione è più stabile e più sicura, e non richiede carburante altamente radioattivo, infatti gran parte del materiale di scarto della fusione è elio inerte. ”

“L’unico problema è che i plasmi di fusione nucleare sono altamente instabili: non appena il plasma inizia a generare energia, un processo naturale interrompe la reazione, mentre questo comportamento di spegnimento è come un interruttore di sicurezza intrinseco, i reattori a fusione non possono formare reazioni fuori controllo, significa anche che il plasma è difficile da mantenere in uno stato stabile per la generazione di energia: studiando come i plasmi diventano instabili sul Sole possiamo imparare a controllarli sulla Terra “.

Il successo di questa ricerca è stato reso possibile dagli stretti legami tra i ricercatori di Trinity, DIAS e i loro collaboratori francesi.

La dottoressa Nicole Vilmer, collaboratrice principale del progetto a Parigi, ha dichiarato: “L’Osservatorio di Parigi ha una lunga storia nel fare osservazioni radio del Sole, risalente agli anni 1950. Collaborando con altri gruppi di radioastronomia in Europa siamo in grado di fare scoperte pionieristiche come questa e continuare il successo che abbiamo nell’astronomia radio solare in Francia, rafforzando ulteriormente la collaborazione scientifica tra Francia e Irlanda, che spero continui anche in futuro “.

La dott.ssa Carley ha aggiunto: “La collaborazione con scienziati francesi è in corso e stiamo già facendo progressi con i radiotelescopi di nuova costruzione in Irlanda, come l’Irish Low Frequency Array (I-LOFAR). I-LOFAR può essere utilizzato per scoprire nuovi plasma la fisica sul Sole in modo molto più dettagliato di prima, insegnandoci come si comporta la materia in entrambi i plasmi sul Sole, qui sulla Terra e in tutto l’Universo in generale. ”

Che cosa è il del Plasma

Il plasma è uno stato della materia in cui la fase gassosa viene energizzata fino a quando gli elettroni atomici non sono più associati a un particolare nucleo atomico. I plasmi sono costituiti da ioni con carica positiva e elettroni non legati. Il plasma può essere prodotto riscaldando un gas fino a ionizzarlo o sottoponendolo a un forte campo elettromagnetico.

Il termine plasma deriva da una parola greca che significa materiale gelatinoso o modellabile. La parola fu introdotta negli anni Venti dal chimico Irving Langmuir. Il plasma è considerato uno dei quattro stati fondamentali della materia, insieme a solidi, liquidi e gas. Mentre gli altri tre stati della materia si incontrano comunemente nella vita quotidiana, il plasma è relativamente raro.

Esempi: Il giocattolo con la palla al plasma è un tipico esempio di plasma e di come si comporta. Il plasma si trova anche in luci al neon, schermi al plasma, torce per saldatura ad arco e bobine di Tesla. Esempi naturali di plasma includono i fulmini dell’aurora, la ionosfera, il fuoco di Sant’Elmo e le scintille elettriche. Sebbene non venga visto spesso sulla Terra, il plasma è la forma più abbondante di materia nell’universo (escludendo forse la materia oscura). Le stelle, l’interno del Sole, il vento solare e la corona solare sono costituiti da plasma completamente ionizzato. Il mezzo interstellare e il mezzo intergalattico contengono anche plasma.

Proprietà: In un certo senso, il plasma è come un gas in quanto assume la forma e il volume del suo contenitore. Tuttavia, il plasma non è libero come il gas perché le sue particelle sono elettricamente cariche. Le cariche opposte si attraggono, spesso causando il plasma a mantenere una forma o un flusso generale. Le particelle cariche significano anche che il plasma può essere modellato o contenuto da campi elettrici e magnetici. Il plasma è generalmente a una pressione molto più bassa di un gas.

Tipi di plasma: Il plasma è il risultato della ionizzazione degli atomi. Poiché è possibile ionizzare tutto o una parte degli atomi, esistono diversi gradi di ionizzazione. Il livello di ionizzazione è principalmente controllato dalla temperatura, dove l’aumento della temperatura aumenta il grado di ionizzazione. La materia in cui solo l’1% delle particelle è ionizzato può mostrare caratteristiche di plasma, ma non essere plasma. Il plasma può essere classificato come “caldo” o “completamente ionizzato” se quasi tutte le particelle sono ionizzate, o “fredde” o “non completamente ionizzate” se una piccola frazione di molecole è ionizzata. Nota che la temperatura del plasma freddo potrebbe essere incredibilmente calda (migliaia di gradi Celsius)! Un altro modo per classificare il plasma è termico o non termico. Nel plasma termico, gli elettroni e le particelle più pesanti sono in equilibrio termico o alla stessa temperatura. Nel plasma non termico, gli elettroni hanno una temperatura molto più elevata rispetto agli ioni e alle particelle neutre (che possono essere a temperatura ambiente).

Un plasma quindi si caratterizza per alcune grandezze, fra cui alcune (temperatura e densità di particelle cariche) sono tipiche di un fluido; altre, come la lunghezza di Debye e la frequenza di plasma, sono caratteristiche del plasma come insieme di cariche in movimento.

I plasmi presenti in natura e in laboratorio si caratterizzano per una grande varietà nella grandezza di questi parametri. Nella tabella che segue sono riportati gli ordini di grandezza per una serie di plasmi: si ricordi che una temperatura di 1 eV corrisponde a circa 11 600 kelvin, e che la densità dell’aria è di circa 1025 particelle per metro cubo. Si riconosce subito che la maggior parte dei plasmi sono caratterizzati da alte temperature elettroniche: si va dai quasi 30 000 gradi di un fulmine, fino ai milioni di gradi della corona solare e degli esperimenti di fusione termonucleare. I plasmi interstellari sono invece caratterizzati da densità molto basse (e quindi, relativamente grandi lunghezze di Debye).

Dato che nella espressione della lunghezza di Debye compare un rapporto di temperatura e densità, ciò non impedisce che si possano produrre plasmi a temperatura ambiente: sono i cosiddetti plasmi freddi, per i quali gli ioni sono effettivamente a temperatura ambiente, ma gli elettroni hanno una temperatura di qualche elettronvolt.

Plasma densità
(m−3)
temperatura
(eV)
dimensione
(m)
lunghezza
di Debye
(m)
frequenza
di plasma
(Hz)
gas
interstellare
106 0,01 1019 0,7 104
vento
solare
107 10 1011 7 3 ×104
corona
solare
1012 102 107 0,07 107
interno
del Sole
1032 103 7 ×108 2 ×10−11 1017
plasma
termonucleare
1020 104 10 7 ×10−5 1011
scarica
ad arco
1020 1 0,1 7 ×10−7 1011
fulmine 1024 2 103 10−8 1012
ionosfera 1012 0,1 104 2 ×10−3 107

Scoperta: La prima descrizione scientifica del plasma fu fatta da Sir William Crookes nel 1879, in riferimento a quella che chiamò “materia radiante” in un tubo a raggi catodici di Crookes . Gli esperimenti del fisico britannico Sir JJ Thomson con un tubo a raggi catodici lo portarono a proporre un modello atomico in cui gli atomi consistevano di particelle subatomiche positivamente (protoni) e caricate negativamente. Nel 1928, Langmuir diede un nome alla forma della materia.

Gli studi sui plasmi rimasero però più che altro una curiosità: fanno eccezione gli studi approfonditi di Nikola Tesla sulle scariche di plasma RF, sulle lampade al plasma, sul plasma freddo per la produzione di ozono e sui plasmoni, e di Irving Langmuir, che studiò in particolare (negli anni successivi al 1920) l’interazione dei plasmi con le pareti del contenitore nei quali i plasmi stessi venivano formati: proprio per questi studi egli vinse il premio Nobel nel 1932. L’interesse sistematico per lo studio dei plasmi inizia invece alla fine degli anni cinquanta, quando la Conferenza di Ginevra Atoms for peace sancisce l’inizio degli studi su uno sfruttamento pacifico della Fusione nucleare.

Più o meno nello stesso periodo cominciano i primi studi sugli effetti di un campo magnetico sui gas ionizzati (per es. della ionosfera) compiuti dal fisico svedese Hannes Alfvén, che lo porteranno a vincere il premio Nobel nel 1970. Questi studi porteranno alla spiegazione del meccanismo delle fasce di van Allen in termini di moti di ioni ed elettroni.

Oggi la fisica del plasma è un settore in piena espansione, non solo per quanto riguarda la Fusione nucleare, ma anche le applicazioni industriali (trattamento di superfici, il taglio al plasma, gli schermi al plasma) e la propulsione spaziale.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Eoin P. Carley, Laura A. Hayes, Sophie A. Murray, Diana E. Morosan, Warren Shelley, Nicole Vilmer, Peter T. Gallagher. Loss-cone instability modulation due to a magnetohydrodynamic sausage mode oscillation in the solar corona. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-10204-1
  2.  R.B. White, The theory of toroidally confined plasmas, 2ª ed., Imperial College Press, 30 aprile 2006, ISBN 1-86094-639-9.
  3. J.P. Freidberg, Ideal Magnetohydrodynamics, New York, Plenum Press, 1987.
  4. Dieter Biskamp, Nonlinear Magnetohydrodynamics, Cambridge, Cambridge University Press, 1997, ISBN 0-521-59918-0.
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