Come creare fulmini globulari nel microonde

Su YouTube vi sono dozzine di video casalinghi di persone che mettono un fiammifero acceso nel proprio forno a microonde, accendono il forno e aspettano di vedere l’inevitabile caos: una palla sputacchiante di fuoco bianco brillante che sembra muoversi magicamente nell’aria fino a quando galleggia verso l’alto e brucia cercando di uscire fuori dal soffitto del forno a microonde. Ma le persone hanno creato palle di fuoco nel microonde anche bruciando candele, uva, pezzi di alluminio e vetro fuso. Creare palle di fuoco, però, è una cosa; comprendere, invece, se si tratti di fulmini in miniatura è tutt’altra cosa.

Tutte queste palle di fuoco galleggiano nell’aria e vengono sostenute mentre sono irradiate con le microonde, sebbene si spengano poco dopo che l’alimentazione del forno a microonde viene interrotta, con una durata di circa 30 ms nel caso del vetro fuso. Hanno alcune delle caratteristiche dei fulmini globulari, che, secondo un modello proposto, sono causati da un fulmine ordinario che lancia dal terreno una nube di nanoparticelle che si ossidano nell’aria rilasciando calore e luce.

Alcuni affermano, perciò, di aver ricreato un misterioso fenomeno naturale noto come “fulmine globulare”, che ricorda le sfere infuocate create nel microonde e che si pensa sia il sottoprodotto dei fulmini. Ma queste sfere incandescenti create in un apparecchio normalmente usato per riscaldare gli avanzi in cucina sono la stessa cosa dei fulmini globulari? Diversi scienziati che operano nel campo, relativamente piccolo, dei fulmini globulari dicono che non sono esattamente la stessa cosa.

I report descrivono spesso il fulmine globulare naturale come una palla luminescente bianco-blu o bianco-arancio, in media delle dimensioni di un pompelmo. Può muoversi nell’aria da solo per secondi o minuti, rimbalzando sulla maggior parte delle cose che tocca fino a che non svanisce o esplode. Gli avvistamenti sono segnalati più spesso durante i temporali, quando i fulmini colpiscono attivamente il terreno. Da non prendere alla leggera, i fulmine globulari hanno persino ucciso delle persone.

Un esempio di fulmine globulare che si osserva in natura.

Ma fino a poco tempo fa gli scienziati non prendevano molto sul serio il fenomeno, e alcuni non pensavano nemmeno che esistesse. Diverse teorie sono state messe in giro per spiegare il meccanismo del fulmine globulare, ma solo una ha guadagnato terreno negli ultimi anni. È stata proposta da due professori di ingegneria chimica presso l’Università di Canterbury a Christchurch, in Nuova Zelanda. L’ispirazione per la loro teoria sono stati i globuli di silicio simili al vetro, chiamati fulguriti.

I fulguriti si trovano nel terreno dopo che il fulmine ha colpito un terreno ricco di silicati (composti contenenti silicio e ossigeno). I due hanno proposto che, oltre a formare fulguriti, anche delle particelle di silicio puro, più piccole di 100 nanometri, vengono vaporizzate ed espulse nell’aria durante un fulmine. Una volta nell’aria, queste particelle di silicio inizierebbero a condensarsi insieme ed a reagire con l’ossigeno, emettendo calore e luce e creando la sfera infuocata dei fulmini globulari.

Le palle di fuoco create dalle microonde

Vi sono cose che tutti sappiamo che non dovremmo fare, ma – sia per caso, attraverso la curiosità, o semplicemente perché sappiamo che non dovremmo farle – le facciamo comunque. Non mettere oggetti metallici in un forno a microonde è probabilmente la regola numero uno di un forno, e tutti sappiamo perché: abbiamo tutti lasciato qualche volta una forchetta sul piatto degli avanzi da riscaldare, creando archi, scintille e forse palline di plasma prima di premere velocemente il pulsante “off”.

I forni a microonde possono incendiarsi se gli si mettono dentro oggetti di metallo.

A giudicare dal numero di esperimenti stravaganti e decisamente pericolosi che puoi trovare nei video postati su YouTube, molti giovani (e non così giovani) trovano la creazione di palle di fuoco irresistibile. Scienziati dell’Università di Tel Aviv, in Israele, hanno ora deliberatamente creato palle di fuoco in una cavità a microonde per scoprire cosa c’era in esse. I loro risultati mostrano che nanoparticelle altamente ionizzate possono essere prodotte nel forno a microonde della tua scuola.

Gli scienziati in questione erano interessati all’uso delle microonde per produrre un forte riscaldamento localizzato. Infatti, stavano deliberatamente introducendo un elettrodo metallico per focalizzare le microonde su un punto di pochi millimetri (esattamente l’opposto di quello che si vuole fare quando si riscalda il cibo). Se riscaldi materiali come vetro o ceramica, la quantità di energia a microonde che assorbono aumenta man mano che diventano più caldi.

Infatti, la costante dielettrica dipende molto dalla temperatura. Di conseguenza, le regioni più calde assorbono più microonde e si riscaldano di più. Questo effetto di feedback positivo – chiamato in gergo scientifico “fuga termica” – è potenzialmente pericoloso, soprattutto in materiali che sono cattivi conduttori termici, per i quali lo scambio di calore lento con il materiale circostante significa che è possibile ottenere dei punti davvero molto, molto caldi (oltre 1200 °C).

L’idea dei due scienziati israeliani era di sviluppare un trapano che utilizza le microonde per creare fori di 2 mm di diametro nella ceramica o nel vetro lasciando intatti i substrati metallici. Questo tipo di trapano, infatti, è silenzioso e non produce polvere. Un giorno qualcosa è andato storto: una palla di fuoco si è staccata dal materiale fuso e ha distrutto un componente del generatore di microonde. In diverse altre occasioni una palla di fuoco si è alzata da un punto caldo ed è stata spinta in aria.

L’apparato usato dai due scienziati israreliani per creare le palle di fuoco.

Ora, oltre a usare il loro trapano per creare buchi, i due ricercatori possono usarne una versione modificata per creare palle di fuoco. Ci sono alcuni video delle palle di fuoco del Professor Eli Jerby sul suo sito web, ma anche molti investigatori amatoriali di tutto il mondo hanno eseguito gli esperimenti. Il fenomeno era raro e imprevedibile. Gli anni successivi sono stati dedicati dai due israeliani al lavoro sistematico, in modo da poter generare intenzionalmente palle di fuoco da punti di vetro fuso.

Ovviamente gli scienziati israreliani volevano capire di più le loro palle di fuoco. Sembrava che stessero traendo materiale dal vetro fuso, ma se c’erano particelle incandescenti sospese nell’aria, dovevano essere veramente piccole. altrimenti non sarebbero comparse come fanno quando le microonde vengono spente: le particelle grandi un paio di micron diffonderebbero la luce visibile allo stesso modo delle gocce d’acqua in una nuvola e si vedrebbe una foschia nuvolosa di goccioline di vetro.

Alcune analisi che il gruppo ha effettuato con attrezzature sofisticate (raggi  X sparati da un sincrotrone) hanno mostrato che le palle di fuoco contengono una piccola quantità di particelle con un raggio medio di 25 nm (cioè sono nanoparticelle), che le particelle variano ampiamente nelle dimensioni (come è tipico degli aerosol) e che c’erano circa 1 miliardo di particelle per cm3. Ciò rende il rapporto tra il volume del solido e il volume totale dello spazio nella palla di fuoco intorno a 10-7 o 10-8.

Ma perché le particelle brillano? Perché formano una sfera di plasma? Mentre le particelle vengono scaldate dalle microonde, assorbono l’energia delle microonde e si riscaldano fino a circa 730 °C. Questa energia viene re-irradiata sotto forma di intensa luce visibile. A 730 °C le particelle emettono anche elettroni a causa dell’emissione termoionica, rendendo così la palla di fuoco un plasma “polveroso” (una nuvola di particelle solide che hanno perso elettroni e quindi altamente ionizzate).

Un dettaglio del “blob” ottenuto casualmente dai ricercatori israeliani che ricorda un fenomeno raro in natura: i fulmini globulari. (fonte: Eli Jerby / Università di Tel Aviv)

Usando i raggi X, gli scienziati hanno anche studiato cosa succede alle palle di fuoco quando le microonde vengono spente. Visivamente, la palla di fuoco scompare dopo circa 30 ms, ma i dati dei raggi X continuano a rilevare particelle per circa 4 s. Le particelle, cariche e stabili, erano lì, ma invisibili ai nostri occhi perché erano così piccole. Inizialmente si allontanano mentre la palla di fuoco si raffredda, dopodiché, mentre il raffreddamento continua, tendono ad aggregarsi ed a formare grandi cluster.

I due scienziati hanno esaminato le strutture delle sfere del plasma prodotte da una varietà di materiali, tra cui rame, sali, acqua e carbonio. Sembra che ora siano in grado di generare sfere di plasma da quasi tutti i materiali. Ciò significa che ora esiste un metodo per creare direttamente nanoparticelle di molte sostanze diverse. Questo è molto interessante, perché le nanoparticelle sono sempre più importanti in un’ampia varietà di applicazioni e la loro produzione non è sempre facile.

Creare palle di fuoco con l’uva nel microonde

Usando solo attrezzature economiche e prontamente disponibili, puoi creare uno spettacolare spettacolo di luci nel comfort della tua cucina, fornendo ore di divertimento ed eccitazione per la tua famiglia, i tuoi amici e gli animali domestici. Gli acini di uva ordinaria senza semi, infatti, se adeguatamente preparati e scaldati nel forno a microonde, scintillano in modo estremamente divertente quando vengono sottoposti a un’irradiazione di breve durata (5-10 secondi) da parte delle microonde.

I seguenti materiali sono necessari per effettuare questa esperienza:

  • Uva verde
  • Piastra per microonde
  • Coltello
  • Bicchiere
  • Forno a microonde

Sgombrate innanzitutto il vostro laboratorio domestico da quelle persone che potrebbero tentare di interrompere l’esperimento. Successivamente, l’uva va accuratamente preparata per un corretto effetto teatrale. Il coltello viene usato per affettare accuratamente uno o più acini di uva quasi a metà, lasciando le due metà dell’acino stesso attaccate dalla pelle sul fondo. Dopodiché, le metà degli acini d’uva sono state poste a faccia in su nel mezzo della piastra del microonde.

La preparazione dell’acino d’uva (a destra) e la sua collocazione nel forno a microonde.

Successivamente, la piastra con l’uva preparata è stata posta al centro del forno a microonde, ed un bicchiere pieno d’acqua viene aggiunto lateralmente per evitare che il forno possa danneggiarsi. La porta del forno è stata accuratamente chiusa. Il forno a microonde è stato impostato per cuocere a piena potenza per 15 secondi. Alla fine, dopo che i vari eventuali dispositivi di misurazione del tempo e di registrazione video sono a posto, il pulsante di avvio sul microonde può venire attivato.

Come si può vedere dalla figura, l’effetto delle microonde sugli acini d’uva fatti a fette (e asciugati con un tovagliolo) produce un bagliore estremamente soddisfacente e scintille associate. Le scintille iniziano circa 5 secondi dopo l’avvio del microonde. Approssimativamente 3-4 secondi dopo, la forza delle scintille separa le metà dell’uva di circa 1,5 cm, ponendo fine agli effetti teatrali. A quel punto la sessione del microonde va interrotta per prevenire ulteriori danni al forno a microonde e/o all’uva.

La sfera di plasma luminoso che si solleva dall’acino d’uva se sei fortunato.

Le scariche fra i mezzi acini vaporizzano gli zuccheri nell’uva e poi li fanno bruciare. I prodotti della combustione, se diventano abbastanza caldi a causa del continuo arco elettrico, formano un plasma (gas in cui i nuclei e gli elettroni sono stati strappati l’uno dall’altro). Questo plasma è elettricamente conduttivo, quindi assorbe le microonde mantenendosi caldo e facendo brillare la nuvola. Poiché la nuvola è calda, sale verso l’alto del forno, tuttavia sembra rimanere notevolmente coerente.

Il progetto sperimentale originale prevede che gli acini d’uva siano posti sul piatto con il lato affettato rivolto verso l’alto, ma in un altro esperimento potete provare con i lati affettati rivolti verso il basso per vedere la differenza. Ulteriori ricerche vi saranno necessarie per determinare se il posizionamento degli acini d’uva, la loro quantità (per ottenere un maggior effetto teatrale) e la distanza dal bicchiere d’acqua uve influiscono in modo significativo sulla spettacolarità dei risultati.

Per ottimizzare la resa, trova i “punti caldi” del tuo forno a microonde. Prendi un tovagliolo di carta umido e mettilo sopra altri 5-10 tovaglioli sul fondo del microonde. Sopra, posiziona un foglio di carta per fax sensibile. Anche la carta degli scontrini funziona, ma ne occorrerà parecchia per coprire il fondo del forno a microonde. I tovagliolini extra nella parte inferiore forniscono un po’ di isolamento. Accendi il microonde per un po’. Le prime aree sulla carta a diventare scure sono i punti caldi.

Un forno a microonde ha delle zone in cui riscalda di più (hot-spot) e altre di meno sia quando il piatto è fermo (a sinistra) sia quando gira (a destra).

Mettere gli acini d’uva tagliati nel punto caldo del microonde. Normalmente, per mantenere l’uva nel punto caldo, è necessario rimuovere il piatto girevole, ma se non si ottiene uno spettacolo, provate a inserire nuovamente il piatto girevole ed a lasciare che l’uva esplori il forno a microonde facendolo girare normalmente. Assicurati che le estremità degli acini siano asciutte, poiché se sono bagnati tendono a cortocircuitare attraverso le estremità e non si scaricano elettricamente.

Per coloro che desiderano andare avanti su questa ricerca, l’autore suggerisce di separare ciascuna metà di un acino d’uva di 1,5 cm o più. Si noti che l’autore non si assume alcuna responsabilità per eventuali incidenti derivanti dall’errata applicazione di queste informazioni. Se il tuo forno a microonde prende fuoco (non succederà, ma potrebbe in teoria danneggiarsi), chiama i vigili del fuoco, non me! I miei forni a microonde sembrano essere in buone condizioni dopo ripetuti esperimenti.

Creare una palla luminosa di plasma nel microonde con l’uva può essere un buon punto di partenza per vari esperimenti con il microonde. Per favore, però, usa un vecchio forno o uno economico, oppure assicurati di poter comprare un nuovo forno a microonde prima di provare questi esperimenti. Se hai meno di 18 anni, per favore cerca la supervisione di un genitore. Non accetto alcuna responsabilità nel caso in cui questo tipo di esperimenti causino danni o lesioni a persone od a cose.

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