Investigadores de la Unidad de Máquinas Cuánticas del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), en Japón, estudian materiales levitantes: sustancias que pueden permanecer suspendidas en una posición estable sin ningún contacto físico o soporte mecánico mediante la levitación magnética.
Esta tecnología es un fenómeno en el que un objeto es suspendido en el aire sin contacto físico mediante el uso de campos magnéticos con base en los principios de la repulsión magnética y la estabilización del objeto en una posición deseada.
A través de la interacción entre imanes o electroimanes y objetos específicos se puede lograr que un objeto flote en el aire contrarrestando la fuerza de la gravedad.
Mejora
Bajo esta tecnología, científicos del OIST se propusieron diseñar una plataforma que pueda flotar y oscilar sin perder energía, lo que significa que una vez puesta en movimiento continuará oscilando durante un periodo prolongado, incluso sin aporte de energía adicional. Este tipo de plataforma “sin fricción” podría tener muchas aplicaciones, incluidos nuevos tipos de sensores para medir la fuerza, la aceleración y la gravedad.
El profesor Jason Twamley, líder del experimento, y su equipo de investigadores de la OIST y colaboradores internacionales lograron avances significativos al hacer levitar un fragmento de grafito que permaneció en un estado de ingravidez casi absoluta sobre un conjunto de imanes.
Sorprendentemente, esta plataforma levitante funciona sin depender de fuentes de energía externas como en otros casos y puede ayudar en el desarrollo de sensores ultrasensibles para mediciones altamente precisas y eficientes.
Y es que el grafito, la forma cristalina del carbono, es fuertemente repelido por los imanes altamente diamagnéticos.
Lograr este nivel de precisión requiere una ingeniería rigurosa para aislar la plataforma de perturbaciones externas como vibraciones, campos magnéticos y ruido eléctrico.
“Nuestro trabajo continuo se centra en perfeccionar estos sistemas para desbloquear todo el potencial de esta tecnología”, indicó el profesor Twamley.
La base principal de este experimento se centra en el uso de materiales levitantes para construir osciladores mecánicos, sistemas que tienen movimientos repetitivos o periódicos alrededor de un punto central. Estas oscilaciones ocurren en diversos contextos, como péndulos, masas conectadas a resortes y sistemas acústicos. La investigación abre posibilidades interesantes para sensores ultrasensibles y para lograr un control preciso sobre plataformas oscilantes.
Retos
Crear una plataforma flotante que no requiera energía externa presenta varios desafíos. El mayor factor limitante es la “amortiguación de Foucault”, también conocida como “amortiguación de remolinos”, que se produce cuando un sistema oscilante pierde energía con el tiempo debido a fuerzas externas.
Esto es, cuando un conductor eléctrico, como el grafito, atraviesa un potente campo magnético, experimenta una pérdida de energía debido al flujo de corrientes eléctricas. Esta pérdida de energía ha desalentado el uso de la levitación magnética para desarrollar sensores avanzados.
Además, existía otro problema: minimizar la energía de movimiento (cinética) de la plataforma oscilante. Reducir este nivel de energía es importante por dos razones. En primer lugar, hace que la plataforma sea más sensible para su uso como sensor. En segundo término, enfriar su movimiento hacia el régimen cuántico —donde dominan los efectos cuánticos— podría abrir nuevas posibilidades para mediciones de precisión. Por lo tanto, para lograr una plataforma flotante verdaderamente autosuficiente y sin fricción fue necesario resolver tanto los desafíos de la “amortiguación de Foucault” como la energía motriz.
El grafito, al ser diamagnético, repele los campos magnéticos, lo que permite crear una plataforma de levitación sin necesidad de conexión externa.
Para enfrentar retos como la “amortiguación de Foucault”, que genera pérdida de energía en el sistema oscilante, los científicos recubrieron microesferas de grafito con sílice y cera, convirtiéndolas en aislantes eléctricos y creando un nuevo material. Por otra parte, mediante un control continuo del movimiento y la aplicación de una fuerza magnética de retroalimentación, lograron reducir efectivamente el calor y el movimiento del sistema minimizando la energía cinética.
En su configuración experimental, los científicos monitorearon continuamente el movimiento de la plataforma. Utilizando esta información en tiempo real aplicaron una fuerza magnética de retroalimentación para amortiguar el movimiento de la plataforma; esencialmente, enfriando su movimiento y ralentizándolo significativamente.
“El calor provoca movimiento, pero al monitorear continuamente y proporcionar retroalimentación en tiempo real al sistema en forma de acciones correctivas, podemos disminuir este movimiento. La retroalimentación ajusta la tasa de amortiguación del sistema, que es la rapidez con la que pierde energía, por lo que, al controlar activamente la amortiguación, reducimos la energía cinética del sistema, enfriándolo efectivamente”, explicó Twamley.
“Si se enfría lo suficiente, nuestra plataforma levitante podría superar incluso a los gravímetros atómicos más sensibles desarrollados hasta la fecha. Se trata de instrumentos de última generación que utilizan el comportamiento de los átomos para medir con precisión la gravedad. Lograr este nivel de precisión requiere una ingeniería rigurosa para aislar la plataforma de perturbaciones externas como vibraciones, campos magnéticos y ruido eléctrico. Nuestro trabajo continuo se centra en perfeccionar estos sistemas para desbloquear todo el potencial de esta tecnología”.
Esta investigación abre posibilidades interesantes para sensores ultrasensibles y para lograr un control preciso sobre plataformas oscilantes.
Al combinar levitación, aislamiento y retroalimentación en tiempo real, el equipo de Twamley supera los límites de lo que se puede lograr en ciencia de materiales y tecnología de sensores.
Sistemas más comunes
La levitación magnética, también conocida como maglev, es una técnica que utiliza campos magnéticos para levantar y mover objetos sin contacto físico. Esta innovadora tecnología se ha utilizado en varias aplicaciones, desde trenes de alta velocidad hasta dispositivos de almacenamiento de datos.
Los sistemas de levitación magnética más comunes son los siguientes:
Levitación electrostática Se basa en la repulsión entre dos objetos con cargas similares. Cuando dos objetos están cargados con el mismo tipo de carga, ya sea positiva o negativa, se repelen entre sí. Este principio se utiliza en los sistemas de levitación electrostática, donde un objeto se carga a través de una fuente de alimentación, y la repulsión entre este objeto y un conductor cercano —también cargado— causa la levitación.
Superconductora Se fundamenta en las propiedades de los superconductores, materiales que pueden conducir la electricidad sin resistencia cuando se enfrían a temperaturas extremadamente bajas. Cuando se coloca un imán encima de un superconductor enfriado, el superconductor genera un campo magnético que repulsa al imán, causando la levitación. Este fenómeno, conocido como efecto Meissner, es la base de la levitación superconductora.
Electromagnética Esta tecnología utiliza electromagnetos, que son imanes que se activan y desactivan electrónicamente. Estos sistemas de levitación requieren un control muy preciso, ya que la fuerza de repulsión debe ajustarse continuamente para mantener el objeto en el aire. Los sistemas de levitación electromagnética son comunes en los trenes de levitación magnética, donde la levitación reduce la fricción y permite velocidades muy altas.
Fuente: electricity-magnetism.org