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Autor: Leonardo Tovar

Aplicaciones de plasmas

Recordando un poco sobre la definición de plasma “es un gas ionizado a alta temperatura, en donde todas sus partículas interactúan conjuntamente lo que las hace susceptibles a la interacción con campos electromagnéticos”. El estado plasmático es el más abundante del universo, aunque su protagonismo esté por fuera de nuestro planeta no significa que no tenga aplicaciones en nuestro día a día, en la ingeniería, en la medicina y muchas ramas más [1], [2].

De las principales aplicaciones que se pueden mencionar son:

• La generación de energía eléctrica por fusión nuclear.
• Biocompatibilidad de materiales.

1. Generación de energía eléctrica por fusión nuclear

Cuando pensamos en energías renovables casi siempre a nuestra cabeza llegan las imágenes de la energía eólica, mareomotriz, biomasa y solar. Aunque sí, ellas son energías renovables diferentes entre sí, pero tienen un origen en común que es el sol. El sol es una estrella masiva en estado plasmático producto de la fusión nuclear de hidrogeno, después de esta reacción química libera grandes cantidades de energía y luz. Además, tiene como residuo la generación de helio.

Ahora bien, todos sabemos la importancia del para la vida en la tierra porque numerosas reacciones químicas indispensables para el desarrollo de vegetales, animales y como ya se mencionó anteriormente es producto de las diferentes energías alternativas en nuestro planeta producto de su luz y su calor. La cantidad de energía solar recibida por la tierra anualmente es de 4500 veces la energía que el ser humano consume [3]. Por obvias razones, es imposible trasladar el sol a la tierra, pero y si ¿hiciéramos nuestro propio sol en la tierra? 

Antes de responder a esa pregunta, necesitamos entender el ciclo básico de generación de energía eléctrica o como en termodinámica se conoce “Ciclo de potencia”. Los ciclos de potencia pueden ser de gas o vapor, generalmente el más usado es el ciclo de potencia de vapor. Básicamente, en el ciclo de vapor se caliente agua hasta evaporarse, esta pasa por una turbina en donde pierde su energía en girar el eje de la turbina y esta rotación es transmitida al rotor de un generador eléctrico y por Ley de la inducción de Faraday, se genera energía eléctrica. Este es el proceso que ocurre en las centrales eléctricas, estas son clasificadas según la fuente de energía que se use para calentar el fluido de trabajo, por ejemplo: las centrales carboeléctricas, centrales nucleares o centrales eléctricas de gas natural [4].

Imagen 1: Turbina de vapor.

Para continuar con la creación de nuestro sol artificial, debemos entender la fusión nuclear que es muy distinta a la fisión nuclear.

1.1 Fusión nuclear

La fusión nuclear consiste en la unión de dos o más núcleos atómicos, para formar un solo núcleo y un átomo más pesado. En cambio, en la fisión se divide el núcleo atómico para formar un átomo más ligero. Como se mencionó anteriormente, en el sol ocurre la fusión nuclear de hidrogeno, pero con un detalle especial, los isotopos de hidrógeno, como el tritio y deuterio, son los protagonistas. Los isotopos son átomos eléctricamente neutros, pero con la carencia o abundancia de neutros. En otras palabras, son átomos iguales, pero con diferente masa atómica. 

El tritio es un átomo de hidrogeno con 1 protón y 2 neutrones, en cambio el deuterio sería 1 protón y 1 neutrón. Para que la fusión nuclear ocurra, se debe vencer la fuerza de repulsión electrostática entre los protones (Ley de Coulomb). Debido a que la fuerza que une los núcleos atómicos es la fuerza nuclear fuerte, pero esta tiene un campo de acción de 0.0001 Å (Armstrong). Este proceso, ocurre espontáneamente en el sol, pero a niveles prácticos se requiere la aplicación de energía.

Los isotopos para la reacción nuclear en la práctica se consiguen así, el deuterio es conseguido en el agua marina, 1 litro de agua marina contiene 10^10 J de energía para fusión nuclear, este valor es 300 veces mayor que el obtenido en 1 litro de gasolina. El tritio es más complicado de conseguir, existen varios métodos para obtenerlo el más usado es bombardear placas de litio con neutrones de baja energía. Lo interesante de la fusión nuclear con isotopos de hidrógeno son los residuos, principalmente es helio y tritio lo que significa que el tritio residual es inyectado a la reacción para mantenerla [5].

Imagen 2: Fusión nuclear.

1.1.1 Ventajas de la fusión nuclear

Las ventajas de la fusión nuclear se exponen a continuación [6].

1. Energía abundante: La fusión nuclear posee 4 millones de veces más energía que las reacciones químicas convencionales, la quema de carbón, petróleo o gas y 4 veces más que la fisión nuclear.
2. Sustentabilidad: Los isotopos de la fusión nuclear son prácticamente inagotables. El deuterio se encuentra en los océanos y el tritio es producido en la misma reacción.
3. No hay emisión de CO2: La fusión no emite gases de efecto invernadero en la atmosfera. La mayoría de los residuos es helio, un gas inerte y no tóxico.
4. No hay riesgo de fuga: Si existe una perturbación en las condiciones del plasma, el plasma se enfriará en cuestión de segundos y la reacción se detendrá.

1.2 Tokamaks

Los tokamaks son reactores nucleares usados para la fusión nuclear. Poseen forma de toroide, para el confinamiento estable del plasma a través de campos electromagnéticos.

Imagen 3: Reactor Tokamaks.

1.3 El proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)

ITER es un proyecto internacional con la colaboración de 35 países del mundo, ubicado en Cadarachez, al sur de Francia. El objetivo es construir el Tokamak más grande del mundo, para demostrar la viabilidad de la fusión nuclear como fuente de energía a gran escala y libre de emisiones de carbono. La meta principal del proyecto es generar 500 MW de potencia con una frecuencia de generación de 400s a 600s, con una potencia de entrada de 50 MW. Es decir, obtener 10 veces la energía invertida [7].

Imagen 4: ITER, en Caradache, Francia.

2. Biocompatibilidad de materiales

La biocompatibilidad de los materiales se refiere a la capacidad de un material que interactúa directamente con un ser vivo de realizar su función deseada, sin provocar ningún efecto indeseable en este ser vivo. Algunos ejemplos, se muestran a continuación.

2.1 Aumento de la biocompatibilidad de metacrilato de poliuretano (PUMA) y polímero de tiol-eno fuera de estequiometría (OSTE).

En el estudio del cultivo de baterías es muy común el uso de polímeros, especialmente en los dispositivos de microfluidos, que son pequeños laboratorios en un chip. Estos dispositivos son hechos mayoritariamente de polímeros por la facilidad de fabricación, bajo costo y alta transparencia óptica. Sin embargo, los polímeros presentan ciertos inconvenientes con la compatibilidad de la actividad celular. Por ejemplo, en la adhesión y proliferación celular.

Los dispositivos de microfluidos son usados para estudiar la actividad celular, como, por ejemplo, análisis de células renales y cultivo de células cancerígenas. Ahora bien, por los problemas de la biocompatibilidad de los polímeros con las células, habría un sesgo con los resultados y la interpretación de los datos. En un estudio realizado en [8], el uso de plasmas de argón (Ar) y nitrógeno (N2) es usado para alterar las propiedades superficiales de los polímeros PUMA y OSTE. Mostrando positivos resultados en el aumento de la biocompatibilidad de las superficies, en términos de hidrofilia y funcionalidades químicas para la adhesión y proliferación celular.

Imagen 5: Dispositivo microfluido.

Imagen 6: Comparación de la proliferación celular con superficies no tratadas, tratadas con plasma de N2 y tratadas con plasma de Ar. 

2.2 Biocompatibilidad en superficies de titanio oxidado y nitrurado por plasma para la vida de células endoteliales.

Las células endoteliales son las que cubren el interior de los sanguíneos y sobre todo de los capilares, formando parte de su pared. Cuando se obstruyen las arterias del corazón, es necesario un procedimiento de intervención llamado angioplastia coronaria, en donde un pequeño catéter es introducido en los vasos sanguíneos bloqueados para ensancharlo y así mejorar el flujo sanguíneo al corazón [9]. El problema de este procedimiento es que existe el riesgo de restenosis, lo cual los vasos sanguíneos vuelven a cerrarse después de un tiempo de haber realizado el procedimiento [10].

El titanio es uno de los biomateriales más recomendados para aplicaciones biomédicas, ejemplos dispositivos cardiacos. Sin embargo, la biocompatibilidad del titanio no es suficiente para la correcta proliferación de las células endoteliales que es fundamental en la reparación de los vasos sanguíneos y la integridad ósea. Las células endoteliales, son susceptibles a alteraciones ambientales, interacciones intracelulares, entre otras.  El reto del plasma tratado con plasmas consiste en mejorar su compatibilidad con las células endoteliales y permitir estudiar su comportamiento y microbiología [11].

Imagen 7: Angioplastia coronaria con catéteres de titanio.

Conclusión

Como hemos podido comprobar, el plasma tiene muchas aplicaciones en distintas áreas de nuestra vida, que puede mejorar sustancialmente nuestra sociedad. Con la fusión nuclear, las necesidades y problemas energéticos de la humanidad serán solventados para siempre y con las mejoras de los biomateriales podremos mejorar la calidad de vida de muchas personas. Lo interesante de todo esto, hace que las aplicaciones de plasmas sea una especialidad multidisciplinaria, en donde muchas carreras pueden confluir en su estudio.