La Traca #17 Luciérnagas: Levitar en un campo magnético

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Ya está disponible el podcast #17 de La Traca (de la Ciencia), mi sección en el programa de radio Luciérnagas de Dante Cáceres. Divulgación científica en la Radiotelevisión Diocesana, en el canal de Radio Santa María de Toledo. Se emite todos los martes a las 22:40 horas (hora de Madrid), los miércoles a las 03:00 horas y los domingos a las 24:00 horas.

¿Se puede hacer levitar a un humano usando campos magnéticos? En principio, se puede hacer, pero en la práctica es muy costoso. Por ejemplo, para hacer levitar a un niño hay que lograr campos magnéticos de unos 40 T en una región del tamaño de un metro, lo requiere una inversión económica enorme (el líder de una secta religiosa británica ofreció un millón de libras a quien fabricara una máquina capaz de hacerle levitar en un escenario frente a su público, pero un millón de libras es demasiado poco dinero para lograr hacerlo gracias a la levitación magnética). ¿Son dañinos para un humano los campos magnéticos intensos? En estudios médicos se ha sometido a voluntarios a campos magnéticos de 4 T durante más de 40 horas sin que sufran ningún daño aparente. Más allá se sabe poco sobre este tema.

La fuente de esta traca es mi nota “En un campo magnético estático, todo objeto puede levitar”, LCMF, 21 Oct 2012. Los artículos que se discuten son A. K. Geim, “Everyone’s Magnetism,” Physics Today 51: 36-39 (1998), doi: 10.1063/1.882437 [copia pdf gratis]; M. V. Berry, A. K. Geim, “Of flying frogs and levitrons,” European Journal of Physics 18: 307-313 (1997), doi: 10.1088/0143-0807/18/4/012 [copia pdf gratis], A. K. Geim, M. D. Simon, M. I. Boamfa, L. O. Heflinger, “Magnet Levitation at Your Fingertips,” Nature 400: 323-324 (1999), doi: 10.1038/22444 [copia pdf gratis]; J.M. Valles, K. Lin, J.M. Denegre, K.L. Mowry, “Stable magnetic field gradient levitation of Xenopus laevis: toward low-gravity simulation,” Biophysical Journal 73: 1130-1133 (1997), doi: 10.1016/S0006-3495(97)78145-1 [copia pdf gratis], y E. Beaugnon y R. Tournier, “Levitation of organic materials,” Nature 349: 470 (1991), doi: 10.1038/349470a0; “Levitation of water and organic substances in high static magnetic fields,” Journal de Physique III 1: 1423-1428 (1991), doi: 10.1051/jp3:1991199.

“Sir André K. Geim (1958-), Premio Nobel de Física en 2010, compartió el Premio Ig Nobel de Física en 2000 con Sir Michael V. Berry (1941-) por haber logrado hacer levitar una rana (un alevín de 1 cm) en un campo magnético estático en 1997. No fueron los primeros, poco antes J. M. Valles y sus colegas hicieron levitar embriones de rana (Xenopus laevis) para demostrar que podían levitar seres vivos. Geim (Univ. Manchester) utilizó un electroimán de 20 T (teslas) e hizo levitar junto a sus colegas Jan Kees Maan (Univ. Nijmegen), Humberto Carmona y Peter Main (ambos de la Univ. Nottingham) todo los objetos pequeños que tuvieron al alcance de la mano, como saltamontes, gotas de agua, pequeñas flores, avellanas, trozos de queso e incluso trocitos de pizza”.

“La idea de Geim fue repetir los experimentos desarrollados por E. Beaugnon y R. Tournier publicados en Nature en 1991, quienes redescubrieron los experimentos de levitación magnética de materiales diamagnéticos (en concreto trozos pequeños de grafito) de W. Braunbeck en 1939. Aunque estos experimentos no se pudieron realizar hasta principios del s. XX, porque no había imanes con potencia suficiente, la teoría de la levitación de materiales diamagnéticos fue propuesta por Michael Faraday en 1846, como complemento al teorema de S. Earnshaw (1842), consecuencia de las ecuaciones de Maxwell, que afirma que es imposible la levitación de un imán (objeto paramagnético) en un campo magnético estático (solo es posible hacerlo utilizando campos dinámicos o mediante superconductores, como demostró Arkadiev en 1947). Por cierto, William Thomson (Lord Kelvin) afirmó en 1846 que la propuesta de Faraday sería imposible de verificar pues era imposible construir un imán con potencia suficiente. Obviamente, como ha pasado muchas veces en la historia, estaba equivocado”.

“Geim nos contó su hazaña en 1998 en Physics Today. Utilizó un electroimán de 20 T, aunque en la región en la que se encontraba la rana solo se alcanzaban los 16 T. Esto es mucho, pero no tanto. Hay imanes permanentes de neodimio que alcanzan 1,5 T y cualquier imán para el frigorífico suele tener unos 0,01 T. La idea de la levitación de cualquier objeto que no sea un imán (un objeto diamagnético) aparece en todos los libros de texto sobre magnetismo, pero la mayoría de los físicos, hasta el famoso trabajo de Geim, pensaban, como Lord Kelvin, que se requerían campos magnéticos demasiado intensos para demostrar el efecto en un laboratorio. Pero cuando se hacen los números salen valores bastante razonables para la tecnología actual. El cociente entre la susceptibilidad magnética y la densidad de la mayoría de los materiales diamagnéticos ronda 10-5 por gramo y por centímetro cúbico, por lo que la levitación requiere un campo vertical del orden de 30 T2/cm. Con un solenoide de 10 cm de diámetro basta un campo de unos 10 T para hacer levitar objetos de menos de 2 centímetros, pues este es el tamaño de la región geométrica donde el campo magnético puede compensar al campo gravitatorio”.

“La gran ventaja de la levitación de objetos diamagnéticos en electroimanes a temperatura ambiente, respecto a la levitación de objetos paramagnéticos utilizando imanes superconductores a temperaturas criogénicas, es el bajo coste de los electroimanes de gran potencia (bastan unas decenas de miles de euros). En aplicaciones como la simulación de entornos de microgravedad (como los que se logra en la Estación Espacial Internacional, ISS) no hay comparación posible en el coste. Estudios como los del crecimiento de cristales en microgravedad, o los efectos biológicos de la microgravedad en el crecimiento y desarrollo de plantas y animales, son posibles en un laboratorio en tierra firme gracias a la levitación magnética”.


2 Comentarios

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Hola Francis, como siempre gracias por tu esfuerzo de divulgación y por mantenernos a los aficionados a la ciencia informados de los ultimos avances. Una pregunta que puede surgir por una falsa deduccion intuitiva…Si se quiere realizar un experimento de crecimiento de cristales en microgravedad, ¿no sería la única opcion posible LEO?, es decir, si se hace levitar el experimento unos cm anulando la Fg vertical con una fuerza de igual módulo y sentido opuesto, aplicada en el mismo centro de gravedad o en una distribucion exacta de puntos del sólido, ¿la Fg sigue actuando solo que unos cm más arriba? osea, como si la suspension fuera obtenida por ultrasonidos como nos has contado en otras entradas, o simplemente sopando hacia arriba….vaya, doy por hecho que estoy en un error ya que dices que se utiiza para simular microgravedad a nivel del mar. La otra opción es que efectivamente en una región volumetrica del espacio de las lineas de campo magnético donde este tiene un valor 20T la F de campo magnetico es igual a la de la gravedad, volumetricamente… (adelanto mis disculpas por si he dicho una tontería, y aprovecho para pedirte una entrada sobre avance en “musculos artificiales” en soft robotics, concretamente la solución HASEL de la universidad de Colorado) gracias!

Francisco R. Villatoro

Por supuesto, para un “experimento de crecimiento de cristales en microgravedad” lo ideal es recurrir a la ISS o cualquier satélite en órbita LEO; el problema es que el coste es enorme. Para muchos grupos de investigación hay que buscar una alternativa en superficie y fácil de implementar en un laboratorio; en la superficie de la Tierra la superficie de la gravedad se dirige a su centro, pero su valor es prácticamente constante en el volumen de un cristal en crecimiento; por ello se puede simular el entorno de microgravedad a nivel del mar y usarlo para estudiar este problema. No siempre es posible elegir el camino más fácil, aunque más costoso, para resolver un problema.

En cuanto a los “músculos artificiales” publicados en Science y Science Robotis en enero de 2018 me lo apunto, a ver si saco tiempo.

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