Real Sociedad Española de Física - RSEF

  • Advanced LIGO Hanford, Advancer LIGO Livingstone y Advanced Virgo cerca de Pisa
  • Advanced LIGO Hanford, Advanced LIGO Livingstone y Advanced Virgo cerca de Pisa
  • Cristal de bismuto elemental, material topológico de orden superior.
  • Quiralidad fuera de la física: colonia de Paenibacillus dendritiformis.
  • Comportamiento de las bandas en un semimetal de Weyl. (Yazdani et al, Princeton University)
  • Paranal, Chile, European Southern Observatory (ESO)

Taller Internacional de Física de Plasmas en celebración del año 2011 de Rusia en España y España en Rusia

  • 07 Septiembre 2011 |

Fotografia32011 es el año de Rusia en España y de España en Rusia. Durante este año las comunidades científicas de ambos países están dando a conocer los proyectos compartidos, tanto los   actualmente en ejecución como los que están planeados para el futuro cercano. Este Taller de Física de Plasmas fue motivado por la estrecha relación entre la comunidad rusa y la española que trabajan conjuntamente en esta disciplina, fundamentalmente en dos de sus campos de aplicación: la astronomía espacial y la fusión nuclear.

La física de plasmas es una disciplina extraordinariamente atractiva. Los plasmas manifiestan la naturaleza electromagnética de la materia a gran y pequeña escala. Puesto que partículas cargadas con diferentes inercias conviven en un mismo fluido, los plasmas son complejos de modelar matemáticamente - manifiestan numerosos acoplamientos y procesos no-lineales. La física de plasmas está involucrada en un gran número de fenómenos, desde la producción de energía a la comprensión de nuestro entorno espacial o la exploración del Universo. Disciplinas aparentemente muy diferentes, comparten muchos de los procesos físicos dominantes.

El confinamiento magnético se estudia en los tokamaks (entre ellos el tokamak internacional ITER) y los stellarators (entre ellos el stellarator TJ-II en operación en CIEMAT) así como en las magnetosferas estelares y planetarias. El efecto de la radiación ultravioleta (UV) se estudia en laboratorios de materiales, en sondas espaciales y en el fotoprocesado de los disco planetarios jóvenes. Turbulencia e inestabilidades son comunes a todos los plasmas. Los plasmas granulados están presentes en numerosos entornos físicos.

La Física de plasmas está también detrás de las mayores inversiones científicas realizadas en el mundo: los prototipos de reactores de fusión nuclear, los telescopios espaciales o las misiones que exploran el Sistema Solar.

En este taller se abordó el estatus actual de la investigación en plasmas espaciales, astronómicos y de laboratorio en las comunidades rusa y española y la situación de las colaboraciones actuales entre ambos países. De todas ellas destacan dos, la colaboración en astronomía espacial en el proyecto para construir el Observatorio Espacial Mundial – Ultravioleta (World Space Observatory-Ultraviolet or WSO-UV) y la colaboración en la investigación en fusión nuclear. La reunión, que tuvo lugar los días 6-7 de junio de 2011 en el Campus de la Universidad Complutense de Madrid, congregó a 50 investigadores españoles y rusos durante día y medio para reflexionar sobre la física de plasmas que está siendo realizada en la actualidad por la comunidad. Ponencias sobre la física del Sol, del medio interplanetario, las magnetosferas estelares, o los discos protoplanetarios fueron analizadas junto con los últimos desarrollos en fusión nuclear y plasmas de laboratorio. Las ponencias están disponibles en la web del congreso: www.mat.ucm.es/plasmas2011

1. La colaboración Rusia-España en el telescopio espacial World Space Observatory-Ultraviolet

fotografia1El World Space Observatory-UltraViolet (WSO-UV) es un proyecto para construir un telescopio espacial de la escala 2-m que opere en el rango ultravioleta del espectro electromagnético. El concepto del proyecto surgió al final de la misión del International Ultraviolet Explorer (IUE), un pequeño telescopio de 40cm que sentó las bases de la espectroscopia ultravioleta en astronomía. El IUE era una misión conjunta de NASA, la Agencia Espacial Europea (ESA) y el Reino Unido. El telescopio, en órbita, se operaba desde la estación de seguimiento de Goddard (EEUU) por NASA y desde la estación de seguimiento de satélites de ESA en Villafranca del Castillo (Madrid). Alrededor de esta estación y del observatorio IUE, surgió en España la comunidad de astronomía espacial. En 1997, al terminar la misión IUE, se organizó la última reunión científica del proyecto en Sevilla.   Al término de esta reunión se formó el primer equipo de trabajo internacional para el WSO-UV en el que participaban un gran número de países de todo el mundo. Durante un periodo de cinco años, el equipo de trabajo generó una comunidad internacional alrededor del proyecto que fue presentado a las principales agencias espaciales del mundo y a las Naciones Unidas. Más allá del concepto de mantener un observatorio mundial espacial que proporcionara acceso a la comunidad científica internacional a rangos no accesibles desde la Tierra (UV, rayos X, algunas bandas del infrarrojo), el WSO-UV nació como un concepto para hacer ciencia de primera línea a través de la colaboración internacional en el que pudieran estar involucrados países con limitados recursos económicos. En 2002, Naciones Unidas hacía mención explícita del valor de este concepto inicial para promover un desarrollo armónico internacional de la ciencia espacial.

Después de varios avatares, típicos del nacimiento de misiones espaciales internacionales, el WSO-UV es en la actualidad una misión liderada por la Agencia Espacial de la Federación Rusa (ROSCOSMOS) con una sólida participación española y alemana. En Marzo de 2007, ROSCOSMOS y el Centro para el Desarrollo Tecnológico e Industrial (CDTI), entonces dependiente del Ministerio de Industria, firmaron el acuerdo internacional para la puesta en marcha de la colaboración en el segmento de tierra del proyecto. El WSO-UV será controlado por dos centros de operaciones, uno situado en Moscú (en el Instituto de Astronomía de la Academia de Ciencias de Rusia – INASAN) y otro situado en Madrid (en la Universidad Complutense de Madrid). La mayor parte del sistema de control está siendo desarrollado por un consorcio de empresas españolas liderado por GMV, en el que también participan TCP e INDRA. El consorcio español colabora activamente con el contratista principal ruso, Lavochkin, en el desarrollo del proyecto. Este acuerdo fue extendido en 2009, por la Secretaría de Estado de Industria del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, para incluir la provisión por parte de España de un instrumento de imagen y espectroscopia sin rendija en el ultravioleta (Imaging and Slitless Spectroscopy Instrument for Surveys – ISSIS). La construcción de un instrumento con la complejidad y las prestaciones científicas de ISSIS, es un gran reto para la industria espacial española.   ISSIS es un instrumento con dos canales: [1] el High Sensitivity Channel (HSC) para obtener imagen en el rango 1150-1750 Å de alta sensibilidad y [2] el Channel for Surveys (CfS) para obtener imagen en el rango 1150-8500 Å. El HSC usará un detector fotoeléctrico sensible a radiación UV de alta energía cuya señal será amplificada por una placa microcanal, la amplificación típica de la señal fotoeléctrica inicial es de un factor del orden de 105 lo que permitirá un conteo eficiente de fotones para fuentes débiles de las que se recibe 1 fotón cada 10 segundos. Esto permitirá estudiar las atmósferas de los planetas gigantes gaseosos en sistemas planetarios extrasolares y catalogar sus propiedades así como estudiar los halos de materia de las galaxias que actúan como lentes gravitacionales o analizar las propiedades de la envoltura de gas ionizado que circunda las galaxias y que permea el medio intergaláctico.

La colaboración hispano-rusa en el WSO-UV tiene numerosas vertientes: industrial, científica en instrumentación y científica en ciencia básica. A nivel industrial el contratista principal ruso, Lavochkin, está colaborando directamente con empresas españolas del sector espacial. El ingeniero jefe del proyecto, Alexander Moisheev, ha participado en más de veinte misiones espaciales, desde las misiones Lunar de los sesenta a esta la actualidad. La agencia espacial rusa ha desarrollado una nueva plataforma, el Navigator, que será empleada en este y otros proyectos civiles futuros por ROSCOSMOS. El WSO-UV será puesto en órbita geosíncrona a finales de 2014 desde la Estación de Baikonur. Tanto, el lanzador como el lanzamiento, serán provistos por ROSCOSMOS. Los institutos de Astronomía y de Ciencias del Espacio de la Academia de Ciencias de Rusia, INASAN e IKI, respectivamente están desarrollando el telescopio, un Ritchey-Chretien con un primario de 1.7m y razón focal f/10 y la instrumentación del WSO-UV para espectroscopia de resolución intermedia (R~1500) de rendija y espectroscopia de alta resolución (R~55.000) de tipo Echelle. El equipo de proyecto tiene que coordinarse en las interfaces electromecánicas, en los sistemas ópticos y en la transferencia de datos. INASAN, no sólo lidera el desarrollo de la instrumentación rusa para el WSO-UV sino que también acogerá al centro de operaciones científicas del proyecto. Las operaciones científicas y misión serán compartidas entre Rusia y España de manera similar a como en su día se operó el IUE entre NASA y ESA. Esto dará lugar a la creación de un equipo único hispano-ruso que por primera vez en la historia, manejará conjuntamente un telescopio espacial de prestaciones y capacidades similares al telescopio espacial Hubble de la NASA. La dirección científica del proyecto en la Federación Rusa recae en el Dr. Boris Shustov, director de INASAN, y el gestor general del proyecto es Mikhail Sachkov, también perteneciente a INASAN. Por parte española la directora científica del proyecto es la Prof. Ana Inés Gómez de Castro de la Universidad Complutense de Madrid.

La fuerte inversión que implica el desarrollo del WSO-UV está motivada por la necesidad de obtener datos para el estudio de algunos de los problemas fundamentales de la astrofísica y de la exploración espacial. La máxima prioridad está centrada en los siguientes objetivos:

  • 1. Determinar la fracción de materia oscura en el universo cercano (redshift < 2) que se encuentra en forma de gas difuso caliente en el medio intergaláctico. Estimaciones actuales basadas en simulaciones numéricas indican que hasta un 50% de la masa del Universo puede estar en esta forma.
    La gran sensibilidad del UV a la materia difusa permitirá detectar la absorción del gas del medio intergaláctico sobre el fondo de galaxias y cuásares
  • 2. En el año 1998, basado en observaciones realizadas con el Hubble de explosiones de supernova en galaxias lejanas se propuso la existencia de la energía oscura que acelera la expansión del Universo a partir del parámetro (z) de desplazamiento al rojo z≾ 2.8. Las supernovas utilizadas como calibradores son supernovas Tipo Ia. El WSO-UV estudiará las propiedades de estas supernovas/calibradores en el intervalo z<2.
  • 3. Vacíos de dimensiones 300 millones de años-luz contienen en su interior material con abundancias metálicas que implican un enriquecimiento posterior al Big-Bang. Se cree que este enriquecimiento se pudo producir en la primera generación de estrellas en el Universo pero todavía no está claro cómo material enriquecido se puede localizar dentro de estas grandes estructuras. El periodo de la historia del Universo correspondiente a z<2 (el observable en el UV) constituye un 80% del total de la vida del Universo y de la historia de la formación estelar y el enriquecimiento químico.
  • 4. Los motores gravitacionales de plasma son capaces de acelerar a velocidades cercanas a la de la luz, material equivalente a la masa del Sol cada año. Estos motores transporten la energía gravitacional almacenada en los discos de acrecimiento y la transforman en energía mecánica con una eficiencia aproximada del 10%. El mediador fundamental en este proceso es el campo magnético. Los agujeros negros son motores gravitacionales al igual que las protoestrellas. El WSO-UV obtendrá información fundamental para caracterizar los discos que orbitan alrededor de agujeros negros, medir la masa de los agujeros negros y estudiar los procesos disipativos en estos motores cuando trabajan en protoestrellas. La fuerte radiación UV que producen los motores acelera y condiciona la química del material protoplanetario y de los planetas en formación.
  • 5. El WSO-UV permitirá observar de manera sistemática y caracterizar las atmósferas de los planetas gigantes gaseosos detectados en tránsito alrededor de otras estrellas. La fotoevaporación de la atmósfera planetaria y los efectos de las fuerzas de marea podrán ser estudiados por primera vez de manera sistemática. Además se obtendrá información fundamental sobre la formación de las magnetosferas planetarias y su evolución.
  • 6. La astrofísica proporciona una oportunidad única para medir parámetros atómicos y transiciones en especies que no se pueden reproducir en el laboratorio. En particular, las transiciones por debajo de 2000 Angstroms (el UV de vacío) requieren equipos extraordinariamente sofisticados (y costosos) que no siempre son viables para la medida de parámetros atómicos de todas las especies. El WSO-UV permitirá obtener valores observados susceptibles de ser comparados con los cálculos mecano-cuánticos.

En la página web del proyecto en España: www.wso-uv.es se puede encontrar información detallada del proyecto, de sus objetivos científicos y abundante material gráfico tanto en inglés como en español.

2. La colaboración Rusia-España en plasmas de Fusión Nuclear

Fotografia2La interacción entre el Laboratorio Nacional de Fusión (LNF-CIEMAT) y la comunidad rusa es un ejemplo de cómo una colaboración científica sostenida a lo largo de más 20 años ha generado un gran impulso en el desarrollo de la ciencia y tecnología de plasmas. Los lazos científicos y personales establecidos han permitido una exitosa colaboración en el desarrollo de diagnósticos, teoría y calentamiento de plasmas que ha dado lugar a múltiples publicaciones científicas y a la gestación de grupos estables de investigación ruso – españoles con proyección de futuro en la temática de plasmas de fusión nuclear.

La colaboración entre Rusia y España en plasmas de fusión comienza en 1990 con la visita al LNF -CIEMAT de un grupo de investigadores del Instituto de Física General (General Physics Institute-GPI) de Moscú, incluyendo en la delegación a destacados investigadores tales como Lev Kovrizhnykh (Director del Grupo de Teoría de Plasmas GPI) y expertos en distintas tecnologías de plasmas tales como Dina Akulina (micro-ondas), Oleg Fedyanin (diagnósticos magnéticos y bolometría), Stanislav Grebenshchikov (intercambio de carga) y Karen Sarksian (calentamiento de plasmas). Pocos años más tarde se fortalece la colaboración entre LNF – CIEMAT y el Instituto Kurchatov de Moscú y el Laboratorio de Kharkov (Ucrania) durante la Conferencia Internacional de Plasmas que tiene lugar en Kharkov en junio de 1993, con el objetivo de impulsar el estudio de campos eléctricos en dispositivo de fusión. La colaboración con el Instituto Ioffe de San Petersburgo se centró desde mediados de los años noventa en el desarrollo de diagnósticos de intercambio de carga para la medida de la temperatura iónica. Mas recientemente se ha iniciado una intensa colaboración con el grupo `Red Star' (Moscú) para desarrollar limitadores líquidos en el stellarator TJ-II. Es difícil resumir en un breve texto la exitosa colaboración ruso-española en plasmas de fusión desde principios de los años noventa y que, al menos en parte, se describe a continuación.

En colaboración con el grupo GIP-Moscú hay que destacar el desarrollo de radiómetros de emisión electrón-ciclotrón en el torsatrón TJ-IU en 1994, con un papel muy destacado de Dina Akulina, el impulso de diagnósticos de dispersión de microondas, inicialmente en el torsatrón TJ-IU en 1994 y posteriormente en el stellarator TJ-II en 2000, con la participación de Kostantin Likin, Nina Skvortsova, Irina Sbitnikova, Alexander Petrov y Karen Sarksian en colaboración con investigadores del grupo LNF-CIEMAT (Joaquín Sánchez, Elena de la Luna, Beatriz Brañas y Teresa Estrada) y la participación en la mejora de sistema de bolometría en colaboración con Marian Ochando del LNF-CIEMAT. La colaboración con el grupo GPI en la física y tecnología de calentamiento de plasmas, mediante mecanismos resonantes a la frecuencia ciclotrónica electrónica (ECRH), se enmarca en un acuerdo general suscrito en Octubre de 1990 en el cual se sentaban las bases de la cooperación entre España y Rusia en el campo de la fusión nuclear, con la participación de Karen Sarksian, Nikolay Kharchev, Alexander Petrov, Yuri Bondar, Dimitriy Malakhov, Evgeny Bolshakov, Anna Dorofeyuk en colaboración por parte del LNF-CIEMAT de Álvaro Cappa, Angela Fernandez-Curto, Romualdo Martín, Francisco Castejón, José Martínez, Alexander Tolkachev, Alfonso Ros y Gregorio Catalán. Más recientemente se está colaborando en un nuevo método de calentamiento basado también en microondas, pero de carácter cuasi-electrostático, conocidas como ondas de Bernstein. Estas tienen la ventaja de poder ser absorbidas sin límite de densidad, y los estudios teóricos liderados por Francisco Castejón, a la espera de ser validados experimentalmente, muestran buenas perspectivas en el dispositivo TJ-II. Desde el principio, la colaboración ha estado ligada a la investigación en temas relacionados con los generadores de microondas de alta potencia (0.5-1 MW) y frecuencia (28-170 GHz) que se usan en fusión nuclear. Estos aparatos, llamados girotrones, son un tipo de Máser de Resonancia ciclotrónica que se utilizan en las investigaciones en fusión mediante confinamiento magnético para calentar los electrones del plasma inyectando un haz de ondas electromagnéticas a una frecuencia igual a la frecuencia de giro de los electrones en el campo magnético del dispositivo. Los campos específicos de colaboración con GPI en calentamiento de plasmas incluyen: 1) Colaboración en la puesta en marcha y manejo de los tres girotrones del sistema ECRH del stellarator TJ-II actualmente en operación en LNF-CIEMAT. 2) Investigación en el comportamiento electrodinámico de los girotrones frente a pequeñas porciones de potencia ECRH reflejada por el propio plasma. 3) Sistemas de medida de calorimetría por agua para determinar experimentalmente la energía y por tanto la potencia del pulso de microondas.

La colaboración con el grupo Kurchatov se ha focalizado en el estudio y la caracterización de la estructura de campos eléctricos y desarrollo de diagnósticos de microondas. Desde el año 1992 se está colaborando con el Instituto Kurchatov de Moscú en el desarrollo de un diagnóstico basado en un haz de iones pesados para plasmas de fusión (Heavy Ion Beam Probe, HIBP). Los desarrollos iniciales puestos en operación en el tokamak TJ-I, que finalizó su operación científica a principios de los años noventa, fueron la semilla de un ambicioso programa de investigación para estudiar los mecanismos de regulación de transporte mediante campos eléctricos y su relación con la estructura de la turbulencia. La colaboración continúa con el objetivo de la instalar un segundo diagnóstico del mismo tipo (HIBP) que debe suministrar los primeros resultados en 2012, con el ambicioso objetivo de clarificar la importancia de los flujos zonales y su relación con la topología magnética en el interior del plasmas de TJ-II. El grupo de trabajo incluye investigadores del Instituto Kurchatov (Alexander Melnikov, Leoniv Eliseev, Stas Perfilov, Victor Mavrin, S. Lysenko) colaborando estrechamente con el Grupo Ucraniano de Instituto Tecnológico de Kharkov liderado por Ludmila Krupnik e investigadores del LNF-CIEMAT (José Luis de Pablos, Arturo Alonso, Justo López y Carlos Hidalgo). La colaboración con el Instituto Kurchatov en microondas, con la participación de Vladimir Zhuravlev e investigadores del grupo LNF-CIEMAT (Teresa Estrada, Elena de la Luna, Beatriz Brañas y Joaquín Sánchez), se inició con el desarrollo de reflectómetros de frecuencia modulada en los tokamaks TJ-I (CIEMAT) y PBX-M (Princeton, EEUU) y en una fase posterior en el dispositivo stellarator W7-AS (Alemania). Los trabajos del grupo demostraron cómo esta técnica de diagnóstico permite la medida de perfiles de densidad sin verse afectada por la presencia de fenómenos turbulentos.

Aunque los plasmas de fusión nuclear se encuentran casi totalmente ionizados, hay sin embargo una pequeña concentración de átomos que dado su carácter neutro pueden escapar del plasma suministrando una información esencial sobre la temperatura de los iones del plasmas. Con la participación de Sergei Petrov (IOFFE) en colaboración con investigadores del grupo LNF-CIEMAT (Rosa Balbín, José Maria Fontdecaba, Juan Arévalo y Kieran McCarthy) se ha instalado un sistema multicanal de espectroscopía de átomos neutros resultantes de procesos de intercambio de carga para la caracterización de perfiles de temperatura iónica en el stellarator TJ-II. Los resultados obtenidos muestran cómo el confinamiento de los iones depende de la potencia y método de calentamiento.

El recubrimiento de la pared interna del TJ-II con capas de litio metálico, formadas por deposición a vacío, ha dado lugar a unas mejoras espectaculares en los parámetros del plasma TJ-II y la reproducibilidad de los mismos, en especial en las condiciones de máximo calentamiento por inyección de haces de neutros. Sin embargo, la inserción de limitadores que contengan el litio en forma liquida en el plasma puede todavía mejorar su efectividad. Por otra parte, el litio liquido podría representar el material óptimo a exponer en el plasma de un Reactor de Fusión. El grupo de científicos de “Red Start”, liderado por Igor Lyublinski y Alexey Vertkov, es experto en diseñar este tipo de limitadores, basados en el concepto de Sistema Capilar Poroso, de forma que el litio liquido permanezca en su lugar a pesar de las fuerzas electromagnéticas que sufre en presencia de los campos magnéticos necesarios para el confinamiento del plasma. En esta colaboración del grupo LNF-CIEMAT, en la que participan Francisco Tabarés, Enrique Ascasíbar, David Tafalla y José Antonio Ferreira, los campos específicos de investigación son: 1) Fabricación e instalación en TJ-II de dos limitadores de litio líquido móviles e instrumentados. 2) Investigación del comportamiento del litio líquido expuesto a altos flujos de energía y partículas en el TJ-II y su influencia en el propio plasma. 3) Desarrollo de un método para la regeneración in situ de los limitadores y extracción del hidrógeno atrapado, de utilidad para el control de inventario de tritio en un Reactor de Fusión. El sistema estará finalmente instalado en TJ-II en 2012.

Ana Inés Gómez de Castro
Universidad Complutense de Madrid

Carlos Hidalgo
CIEMAT, Madrid

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