NASADesde hace cinco años, el físico alemán Hans Herrmann intercala su trabajo habitual en la famosa Escuela Politécnica de Zúrich (ETH) con viajes constantes al nordeste brasileño, en donde es profesor visitante de la Universidad Federal de Ceará (UFC). En una de esas visitas, el investigador observó el hermoso espectáculo nocturno producido por destellos y rayos durante las tempestades de arena en las dunas de Jericoacoara, norte de Ceará. Intrigado ante la inesperada presencia de esa actividad eléctrica en un ambiente extremadamente seco y aparentemente pésimo conductor de la corriente eléctrica, se volvió a casa y se puso a pensar en un fenómeno que hace un siglo y medio atrás intrigaba al gran científico inglés Michael Faraday: ¿por qué el choque continuo de granos de arena o de cenizas volcánicas, materiales comúnmente tenidos como neutros, puede generar espontáneamente grandes descargas Con la ayuda de dos colegas de la ETH, Herrmann acaba de formular una respuesta a este enigma y la ha publicado en un artículo que del día 11 de abril en el sitio de la revista científica británica Nature Physics.
La explicación da cuenta de una antigua contradicción, que con todo es poco conocida entre los legos en el tema. Cuando colisionan, dos partículas con cargas eléctricas tienden a neutralizarse. El polo negativo de una atrae y anula al polo positivo de la otra. Hasta allí, lo normal. Pero en circunstancias especiales, como en las tempestades de arena de los desiertos y en las erupciones de los volcanes, el choque de dos partículas con ciertas características compuestas de un mismo material y eléctricamente neutras (con la misma cantidad de carga positiva y negativa) produce, paradójicamente, el efecto contrario. En lugar de neutralizarse, al chocarse en el aire bajo el efecto de un campo eléctrico externo, desencadenan un crecimiento de las cargas eléctricas presentes en el sistema, que hasta ese momento parecía estar en equilibrio. Con cada colisión, una partícula acumula más carga positiva y pierde toda la carga negativa, mientras lo opuesto sucede con la otra partícula, que aumenta progresivamente su carga negativa y pierde la positiva. Por ende, en condiciones específicas, sucesivos choques entre granos pueden provocar una escalada de energía en el sistema, transformando partículas que anteriormente se comportaban como aislantes eléctricos en un medio conductor de grandes descargas. De allí a la ocurrencia de una descarga es un paso. Los choques en el aire aumentan la polarización de los granos, explica Herrmann. Las cargas negativas se almacenan en la cima de las partículas y las positivas en su base.
De acuerdo con simulaciones realizadas en computadora y experimentos reales con partículas granulares realizados en laboratorio, los físicos de la ETH montaron un escenario esquemático simplificado tendiente a explicar el proceso de surgimiento de las descargas eléctricas en nubes de polvo. Imagínese una nube hipotética con tan sólo dos granos de arena. Cuando se aplica un campo eléctrico de fondo al sistema, se produce la polarización de cargas en las partículas. En cada grano de arena, la carga positiva se concentra en el hemisferio sur y la misma cantidad de carga negativa migra hacia el hemisferio norte. Cabe acotar que en ese momento, antes de que se produzca cualquier colisión, ambas partículas, pese a estar divididas en dos mitades con signo eléctrico opuesto, son eléctricamente neutras. Por cuestiones didácticas, los investigadores dijeron que cada grano lleva una unidad de carga positiva en su base y una de carga negativa en la cima. Cuando se produce el choque de las partículas, el hemisferio sur de un grano (de carga positiva) tropieza con el hemisferio norte (negativo) del otro. Este contacto hace que estas mitades se anulen eléctricamente: sus cargas caen a cero. Pero sobra carga en los extremos de los granos que no colisionaron. Una partícula permanece con una unidad de carga positiva en su base (y cero de carga negativa en el tope) mientras la otra aparece con una carga negativa en el tope (y cero positiva en la base).
Explosiones en silos – En otras palabras, el encontronazo produce un grano eléctricamente positivo y otro negativo. Este proceso, repetido innumerables veces en una nube de polvo, con miles de partículas, resulta en un desequilibrio energético que puede culminar en un rayo o una centella. Nuestro modelo explica la formación de descargas eléctricas en nubes compuestas por partículas idénticas, afirma Herrmann. Si las partículas fuesen distintas, este principio también se aplicaría, pero los cálculos serían más complicados. Está también la cuestión (no respondida) acerca de cómo surge un campo eléctrico de fondo en una tormenta de arena. Las colisiones únicamente energizarán los granos de arena si existe previamente un campo actuando en el sistema.
Por ironía de la naturaleza, pocos días después de que Herrmann y sus colegas publicaron el artículo en Nature Physics, el mundo pudo ver descargas eléctricas ocasionadas por colisiones de partículas granulares. A mediados de abril, el glaciar volcánico Eyjafjallajoekull, en Islandia, entró en erupción. Además de detener el tráfico aéreo de buena parte de Europa durante seis días, la enorme estela de cenizas expelidas por la boca humeante de la montaña desencadenó potentes rayos. Las cenizas de un volcán también pueden cargarse eléctricamente, pero eso solamente sucede en el momento de la erupción, cuando están muy agitadas y la densidad de partículas es alta, explica Herrmann. Los granos de arena y las cenizas volcánicas no son las únicas partículas que pueden cargarse eléctricamente en razón de colisiones repetidas. Este fenómeno puede repetirse e incluso causar explosiones en silos con granos, en empresas farmacéuticas que procesan componentes de medicamentos y en la industria del carbón. En los desiertos, el desplazamiento de arena ocasionado por los rotores de un helicóptero que vuela a baja puede ocasionar peligrosas chispas. La polvareda cargada eléctricamente también es apuntada como la responsable por la pérdida de eficiencia de las baterías solares usadas en Marte y en la Luna, y al adherirse a éstos, por los daños en los trajes espaciales.
Artículo científico
PÄHTZ, T. et al. Why do particle clouds generate electric charges. Nature Physics, Publicado on-line en 11/04/2010.
