El misterio de las centellas (1506)
Calentamiento localizado por microondas (LMH) del basalto – Eyección de lava, polvo-plasma y centellas por un “volcán en miniatura”.
Localized microwave-heating (LMH) of basalt – Lava, dusty-plasma, and ball-lightning ejection by a «miniature volcano». Jerby E, Shoshani Y.Sci Rep. 2019 Sep 10;9(1):12954. doi: 10.1038/s41598-019-49049-5.PMID: 31506477 Free PMC article.
Localized microwave-heating (LMH) of basalt – Lava, dusty-plasma, and ball-lightning ejection by a “miniature volcano”
Affiliations
PMID: 31506477
PMCID: PMC6736850
DOI: 10.1038/s41598-019-49049-5
Resumen
Este artículo presenta varios fenómenos obtenidos por calentamiento localizado por microondas (LMH) del basalto, incluyendo efectos de fusión del núcleo interno, erupción y flujo de lava (desde el núcleo fundido exterior), eyección de plasma del basalto (en formas de columna de fuego y centellas), y efusión de polvo (depositado como polvo por el plasma). Los experimentos se llevan a cabo irradiando una piedra de basalto (~30-cm3 de volumen, con forma natural o cortada en forma de ladrillo cúbico) en una cavidad de microondas, alimentada por un magnetrón adaptable (~1 kW a 2,45 GHz). Se observan los efectos del LMH y de la inestabilidad térmica en el basalto y se comparan con la teoría. Se utilizan varios diagnósticos in-situ y ex-situ para caracterizar el polvo-plasma observado y sus productos nanopartículas. Se observa la semejanza de los fenómenos experimentales obtenidos a pequeña escala de laboratorio con los gigantescos fenómenos volcánicos de la naturaleza, y se discute su relevancia potencial para futuros estudios volcánicos. En particular, mostramos que la LMH podría ser instrumental para demostraciones de laboratorio y simulaciones de efectos volcánicos en miniatura, como flujos de lava, formación de vidrio volcánico (obsidiana), erupción de polvo-plasma y ceniza volcánica, y eyección de centellas. Estos hallazgos también podrían ser importantes para diversas aplicaciones, como la perforación y la minería, la espectroscopia de descomposición inducida por microondas (MIBS), la extracción de minerales y la producción de polvo directamente a partir de basaltos.
Los autores declaran no tener intereses contrapuestos.
Figuras
Figura 1.
Ilustraciones conceptuales del proceso LMH en basalto. (A) Fusión del núcleo – La energía de microondas se irradia al núcleo de la piedra basáltica, se convierte en calor en su interior y funde el núcleo mediante un mecanismo LMH. El núcleo fundido (visto en la imagen como un magma interior a través de la superficie sólida porosa) puede mantenerse establemente en equilibrio. (B) Erupción de lava – Un ligero aumento de la potencia de las microondas puede elevar la presión en el interior de la piedra e inducir grietas de las que brota la lava y fluye hacia el exterior, sobre la superficie de basalto. La imagen muestra el núcleo fundido vertiéndose como torrentes de lava volcánica. (C) Expulsión de plasma polvoriento – Una mayor irradiación provoca una emisión de plasma desde el basalto fundido. La imagen muestra una columna de fuego de plasma expulsada hacia arriba desde el basalto fundido. (D) Bola de fuego flotante – Una bola de fuego en forma de centella se desarrolla a partir del penacho de plasma (ya sea asociada a una columna de fuego o sola). La imagen muestra una bola de fuego flotando dentro de la cavidad.
Figura 2.
Montaje experimental empleado. (A) La cavidad de microondas en la que se sitúa la piedra de basalto (o un ladrillo cúbico) y se somete a la interacción LMH. Las paredes laterales consisten en estructuras periódicas bajo corte, que evitan las fugas de microondas pero permiten un acceso abierto a la interacción (por ejemplo, para un diagnóstico en tiempo real con una línea de visión directa). Opcionalmente, un electrodo móvil (o una batería de electrodos) puede dirigir las microondas hacia el núcleo de basalto y, por tanto, acelerar la creación del punto caliente fundido en su interior. Sintonizando la potencia de las microondas, puede salir lava del núcleo fundido. Además, una columna de plasma (e incluso una bola de fuego) puede ser expulsada hacia la atmósfera y depositar nanopartículas en el colector (situado en el techo de la cámara). (B) Diagrama de bloques de la instrumentación experimental. Los diagnósticos típicos incluyen un espectrómetro óptico, cámaras térmicas y de video, medidas de dispersión de microondas y una sonda I-V.
Figura 3.
Calentamiento y fusión del basalto por LMH, flujos de lava y vitrificación a obsidiana. (A) Piedras de basalto de forma natural (de ~5-cm de longitud) bajo LMH: (a) fusión del núcleo interno; (b) erupción y flujo de lava; (c) formación de un cráter; (d) una cúpula de una fina capa de vidrio volcánico (obsidiana) creada por el burbujeo de la lava; (e) un rastro de flujo de lava solidificado a obsidiana. (B) Interacciones LMH potenciadas por electrodos con piedras de basalto cortadas en cubos de 3 cm de lado (esta geometría bien definida permite un mejor control de la repetición experimental, y una comparación más precisa con las simulaciones numéricas): (a) Una imagen del punto caliente interior captada a través de la cara exterior sólida del cubo; (b) un cubo de basalto después de una interacción LMH parcial (detenida antes de la erupción) que revela el núcleo fundido en el interior que se ha solidificado hasta convertirse en obsidiana. La superficie exterior ha permanecido en su textura original salvo algunas grietas (la esquina fue retirada para exponer el interior fundido)); (c) una cúpula de burbujas hinchada durante la erupción de lava (hecha de una fina capa, crujiente y frágil, de obsidiana); (d) la lava fluye desde el núcleo fundido del cubo hacia su exterior; (e) una imagen térmica de la erupción de lava desde el núcleo a través de múltiples puntos calientes en la superficie inferior inducidos por una guía de electrodos (la temperatura de la lava supera los 1.200 K); (f) queda un núcleo hueco después de que la lava haya entrado en erupción y fluido hacia el exterior, dejando un vacío en el interior y un rastro solidificado de obsidiana.
Figura 4.
(A) LMH de un ladrillo cúbico de basalto (sin electrodo) y el perfil de temperatura evolucionado: (a) Las dependencias de temperatura de las conductividades térmica y eléctrica, kth y ?c, respectivamente, que permiten la LMH del basalto. (b) Una simulación numérica del proceso LMH del basalto [Método 2] muestra el núcleo fundido dentro del cubo de basalto irradiado, alcanzando 1.400 K después de 70 s, sin electrodo. (c) Una imagen térmica del núcleo fundido captada a través de las caras exteriores sólidas del cubo (nótese también el perfil de temperatura en la superficie superior). (B) Comparación entre la simulación numérica y los resultados experimentales de la evolución temporal y espacial de los perfiles de temperatura en la superficie del cubo de basalto: (a) La evolución temporal de la temperatura en el centro de la cara, con y sin electrodo; (b) la evolución espacial de la temperatura a lo largo de la superficie de la cara exterior del cubo de basalto sin electrodo (los intervalos de tiempo entre las curvas corresponden a la curva sin electrodo de la Fig. 4B(a)). (C) Simulaciones numéricas de varias formas destinadas a intensificar el proceso LMH en comparación con el esquema sin electrodo simulado en la Fig. 4A(b) a la misma potencia de entrada: (a) Una forma de piedra piramidal; (b) un solo electrodo, y (c) una matriz de electrodos. La fusión superficial más rápida se obtiene con un único electrodo (0,5 MV/m en 10 s), mientras que el esquema sin electrodos proporciona una fusión del núcleo interno, como se muestra en la Fig. 4A(b,c).
Figura 5.
Eyección de plasma de basaltos fundidos en forma de columna de fuego y bola de fuego. (A) La evolución del plasma desde un punto caliente fundido en una piedra basáltica con forma natural: (a) El punto caliente se forma y evoluciona; (b) un penacho de plasma es inicialmente expulsado desde el punto caliente; (c) una columna de fuego estable es alimentada por la emisión del punto caliente; (d) una bola de fuego se separa de la columna de fuego (más allá de ella), y flota en la atmósfera. (B) Diversas observaciones de eyección de plasma desde basaltos fundidos: (a) Una imagen térmica de un punto caliente con una temperatura superior a 1.500 K, que emite plasma; (b) una columna de plasma eyectada desde una cúpula de basalto fundido, hinchada por la erupción de lava desde el núcleo; (c) un par de columnas de plasma eyectadas desde dos puntos calientes adyacentes evolucionados en la superficie del basalto; y (d) una bola de fuego autónoma flotando en la atmósfera de aire dentro de la cavidad. (C) Reflexiones de microondas durante las distintas etapas de la evolución del plasmoide: (a) El coeficiente de reflexión ? = |?| y la temperatura del punto caliente medidos en función del tiempo, mostrando una caída abrupta de las reflexiones de microondas durante el aumento de la inestabilidad por fuga térmica. (b) Representación Smith-chart del coeficiente de reflexión complejo ?, partiendo de un desajuste (|?| ~ 1) en la fase de punto caliente (como en la Fig. 5A(a)), reducido a |?| ~ 0.4 en la fase de columna de fuego (Fig. 5A(c)), y ajustado a |?| ~ 0 por la bola de fuego autoadaptada (Fig. 5A(d)). Los resultados de la simulación de cargas ficticias dieléctricas (de ? = 20, 25, 30) con una forma de columna similar en varias posiciones, se muestran para la comparación con el fin de estimar la impedancia efectiva del plasma.
Figura 6.
Mediciones y análisis de espectroscopia óptica de plasmoides de basalto: (A) Un espectro típico de líneas de emisión atómicas detectadas en el plasma del basalto. (B) El espectro observado en el rango de longitud de onda corta. (C) Un diagrama de Boltzmann de las líneas de Fe y Ti mostradas en la Fig. 6B anterior. (D) La emisión radical OH comparada (por ajuste) con la simulación LifBase, ambas resultan en estimaciones de temperatura en el rango Texc ~ Trot ~ 0.3-0.6 eV.
Figura 7.
(A) Medidas de la curva I-V característica: (a) La configuración eléctrica de una sonda tipo Langmuir alimentada por un voltaje alterno de 50-Hz, 100-V, y (b) una curva I-V típica medida con esta sonda. Las diferentes trayectorias de subida y bajada de tensión (marcadas con flechas) se atribuyen a la capacitancia adicional creada por la deposición de polvo por el plasma en la sonda. La temperatura de electrones estimada es de ~0,3-0,6 eV, de forma similar a las mediciones ópticas anteriores. Estas curvas I-V sólo se obtienen cuando la masa fundida fluye hacia abajo, como se ilustra en la Fig. 7A(a), y cierra el bucle de corriente eléctrica hacia el suelo de aluminio conectado a tierra (nótese que el polvo depositado por el plasma aísla la placa colectora superior). (B) Análisis de dispersión del plasma mediante un barrido adicional de sondeo-señal en el rango de frecuencias 0.8-1.5 GHz: (a) El coeficiente de transmisión S21, medido con y sin plasma, muestra un incremento > 20 dB en el acoplamiento debido al acortamiento por plasma de los brazos acopladores 1 y 2 (mostrado en el recuadro). Una simulación de carga equivalente da como resultado ?r ~ 0,3 – j50 para este efecto. (b) La variación espectral de S21 frente al tiempo durante la evolución del plasma, y (c) la variación de la transmisión de S21 frente al tiempo en la frecuencia del anti-nódulo (~1,245 GHz), con respecto a la variación de la temperatura del punto caliente. El aumento abrupto del coeficiente de transmisión está asociado a la disminución de la temperatura medida del punto caliente, que se produce en la eyección del plasma.
Figura 8.
Observaciones SEM ex-situ de los productos de polvo depositados por el plasma. (A) Observaciones SEM del colector: (a) Agregados de formas florales uniformemente esparcidos por la superficie del colector. El recuadro muestra una partícula típica de ~5-?m de diámetro; (b) un ejemplo de una esfera más grande observada, de ~ 0,2 mm de diámetro; (c) una región en forma de isla, compuesta en su mayor parte de aluminio (posiblemente debido al grabado con plasma del colector); (d) cráteres y agujeros de tamaños comparables de ~ 0. 1-mm de diámetro; (e) partículas esféricas residen en los cráteres, lo que podría atribuirse a un bombardeo de partículas o a un efecto de localización por plasma; (f) la superficie del colector cubierta por agregados de formas parecidas a flores esparcidos sobre ella como una capa, con varias trazas de estructuras más grandes (~20-?m de diámetro) inmersas en ella. (B) (a) Una imagen óptica del polvo blanco acumulado sobre el colector, observándose partículas esféricas relativamente grandes. El grosor de la capa de polvo depositado medido por SEM es de 10-30 ?m de grosor (el arañazo marcado en rojo se hizo para evaluar el grosor de la capa). (b) Una imagen SEM del vidrio volcánico obtenido muestra estructuras más oscuras similares a corrientes en la obsidiana vitrificada, y zonas más brillantes similares a islas entre ellas. Los análisis EDS de estos productos brillantes dan como resultado la composición elemental presentada para la obsidiana en la Tabla 1.
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