Cañón de plasma: segunda parte.

Imaginemos dos conductores coaxiales dentro de una cámara en la que se encuentra un gas enrarecido a una presión de unas 50 militorrs, como la representada en la figura siguiente.




Un condensador de 10 microfaradios cargado a unos 10Kv se encuentra conectado a cada uno de los dos conductores mediante un interruptor. Al cerrar el interruptor, inmediatamente, se establece una descarga entre los dos conductores comenzando en la parte mas próxima a las conexiones al condensador. Con los voltajes mencionados el gas ionizado a baja presión ofrece una resistencia muy baja de manera que la descarga puede llevar involucradas corrientes del orden de 10.000 amperios aunque sea por tiempos muy cortos.

El plasma se comporta como si fuese un conductor, es decir es el proyectil como en el caso anterior, con la diferencia de que su masa es muchísimo menor y no tenemos el problema de que se pueda vaporizar y se interrumpa la conducción eléctrica.

Entonces el arco formado, en forma de corona entre los dos conductores coaxiales, será acelerado hacia la derecha alcanzando altísimas velocidades y abandonara el cañón hasta alcanzar un blanco que lo pare donde se disipara toda su energía.

¿Que velocidades puede alcanzar el plasma?

Un calculo preciso seria muy complicado, vamos ha hacer una simulación que nos puede dar un cierto orden de magnitud empleando algunas dimensiones contractivas practicas.

Para ello supongamos que el diámetro exterior del cilindro es de 5 cm y el del cilindro central de 1 cm. La longitud del tubo es de 15 cm y la presión en el interior de la cámara de 50 militorr. Supongamos que el gas interior es nitrógeno (peso molecular 28) y que la el arco se establece en una corona en el extremo izquierdo del tubo de 1 cm longitud. El volumen de esta corona es de aproximadamente 20 cc.

A priori es muy difícil calcular cual va a ser la intensidad que circule por el circuito, ya que va a estar limitada por las inductancias y resistencias parásitas del circuito. Por ello para obtener una aproximación vamos a basarnos en la energía almacenada en el condensador.

La energía almacenada en un condensador de 10 microfaradios cargado a 10 kV es de ½ CV2 = 500 julios.

Supongamos que al menos el 20 % de esta energía se va a transferir al plasma, perdiéndose el resto en radiación electromagnética, calor etc. En total se transfieren 100 julios al plasma como energía cinética.

Consideramos que el plasma inicial ocupa un volumen de 20 cm3 lo que la presión mencionada constituye una masa de 1,6 . 10-9 kg.

Si los 100 julios se transforman en energía cinética de una masa de 1,6 . 10-9 kg, esta deberá adquirir una velocidad de 360.000 m/s, una velocidad considerable, ya que es 1000 veces mayor que la del sonido y solo mil veces menor que la de la luz. No es suficientemente alta para tener que aplicar correcciones relativisticas pero es una velocidad considerable. Si el gas que llena la cámara es hidrógeno en vez de nitrógeno y suponemos un condensador 10 veces mayor la velocidad mencionada se elevaría a 3.600.000 m/s el 1% de la velocidad de la luz.

Aunque todas las suposiciones realizadas anteriormente son aproximadas, nos permiten situarnos acerca de las energías que se pueden conseguir con este tipo de dispositivos. No obstante los parámetros de construcción del cañón, la geometría del cañón las características de los condensadores y los valores de voltaje y capacidad del mismo pueden hacer variar estos parámetros en un par de ordenes de magnitud.

Obtención de una descarga abrupta.

Básicamente hay dos procedimientos, emplear un descargador de chispa (spark gap), dos electrodos con puntas redondeadas con separación ajustable. En el tubo se mantiene una presión de gas suficiente para que pueda ionizarse y formar plasma (mayor de 10 micras de mercurio). Cuando el voltaje en el condensador supera un valor se ioniza el gas en los extremos del descargador y pasa de ser un aislante a un cortocircuito. El condensador se descarga a través del gas de tubo. Cuando la tensión en el condensador baja de un valor la corriente desaparece y de nuevo el descargador es un circuito abierto con lo que el condensador se carga de nuevo.




Estos dispositivos son muy sencillos de construir y son muy robustos pero a cambio son poco precisos. Como soportan chispas de bastante energía se calientan con lo que el voltaje de descarga baja, pueden llegar calentarse tanto que se quedan permanentemente en condiciones de ionización. Además con el voltaje es sensible a las condiciones del aire este puede variar con la presión atmosférica, la humedad incluso con la iluminación del lugar donde se opera.


Detalle del primer descargador.

Esto es una curiosidad que me sorprendió curiosamente. Trabajando con un dispositivo de estos observé que cada vez que encendía el mechero se disparaba y comprobé que la luz del mechero, mas bien de la chispa disparaba el descargador. Un resultado similar obtuve con una lámpara de ultravioleta.

Una variante de este circuito emplea un descargador con un electrodo auxiliar de disparo. De esta manera se elige el momento del disparo y se asegura la estabilidad del mismo.

El circuito siguiente es una variante del anterior. El Condensador se conecta directamente al electrodo central o se dispone de un descargador de tensión baja ( la mitad del máximo de HV). El tubo se conecta a la bomba de vacío y se realiza siempre un vacío lo suficientemente bajo para que no haya conducción y por lo tanto plasma ( por debajo de 10 micras de mercurio). Cuándo la electro válvula ( los inyectores de coche funciona muy bien) se abre, durante unos milisegundos penetra en el tubo una pequeña cantidad de gas que se ioniza inmediatamente y se inicia la descarga.




Si se tiene en cuenta que para conseguir rendimientos eficaces hay que trabajar con tensiones de entre 4 kV y 25 kV y energías que pueden alcanzar los 2000 julios, hay que descartar la pretensión de controlar el circuito electrónicamente salvo que sea con componentes muy especializados como tiratrones, kytrones y similares.

Mi primer cañón de plasma.

Mas abajo hay una fotografia de mi primer cañón de plasma. Empleaba un tubo de pirex de 45 mm de diámetro exterior y una longitud de 220 mm. Como electrodos empleaba un tubo de acero inoxidable de 40 mm diámetro por 150 de longitud, y como electrodo interior una tubo de cobre de 12 mm de diámetro.




Mi primer cañón de plasma construido.

Se alimentaba con cuatro condensadores de 1 microfaradio 4000 V que llegue a sobrevoltar hasta 5000 voltios. Como se puede ver la realización mecánica quedo muy compacta y profesional, procurando sobretodo minimizar las conexiones entre el condensador y los electrodos del descargador. Como aislante del conductor interior emplee la cerámica de una bujía de coche.

Resultados de este diseño.

Este cañón dentro de sus limitaciones funciono bien, pero no sirvió de mucho. Según Baldo esto seria un fracaso. Para mi fue un éxito porque aprendí como hacer el siguiente. Como ya he comentado el descargador de chispa no era muy estable, y después de unas decenas de disparos su funcionamiento era impredecible. Mecánicamente era bastante robusto, pero adolecía de dos defectos grandes, imposibilidad de realizar mediciones sobre los BLANCOS y la dificultad para cambiar estos. Sin embargo la mayor deficiencia fue la energética.

Fácilmente podemos calcular que ½ CV2 con c = 4 microfaradios y V a 5 kV que la energía de disparo es de solo 50 julios (equivalente a que sobre el pie te caiga desde un metro una piedra de 5 kg.)

Además de aprender muchas cosas de esta realización si comprobé lo que la teoría dice de los cañones de plasma que justamente en el centro a pocos centímetros del conductor interior se produce una elevada concentración de plasma . Esto se puede apreciar en la siguiente fotografía.




Las conclusiones que saque de esta experiencia me animaron a preparar otro cañón de plasma mejorado que tuviese al menos:

10 veces mas energía de pulso.

Inyector de gas por electro válvula.

Facilidad de sustitución de blancos.

Posibilidad de medición de la energía recibida por el blanco.

Segunda versión del cañón de plasma.