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Un laser per controllare la levitazione magnetica: eureka!

Controllare la levitazione magnetica con una luce laser o solare, e convertire una fonte di energia esterna in puro movimento. È quanto sono riusciti a fare il dottor Masayuki Kobayashi e il professor Jiro Abe della Aoyama Gakuin University di Kanagawa, in Giappone.

Uno studio pubblicato sul Journal of the American Chemical Society spiega come si può controllare grazie a una luce – laser o solare – il movimento di una grafite "maglev", cioè sospesa grazie alla levitazione magnetica, oggi usata dall'uomo per alcune applicazioni, come quello ferroviario ad alta velocità. Il problema è che finora questa tecnologia si è dimostrata estremamente costosa e per questo non è diffusa su larga scala e in altri settori. Con lo studio dei due professori giapponesi questo stato di cose però potrebbe cambiare.

"L'aspetto più importante di questo lavoro è il raggiungimento di una tecnica di controllo in tempo reale del movimento grazie alla quale, per la prima volta al mondo, si può far muovere un materiale diamagnetico sospeso magneticamente senza alcun tipo di contatto", ha dichiarato Abe a Phys.org. "Poiché questa tecnica è davvero semplice e fondamentale, ci aspettiamo di applicarla a vari ambiti giornalieri, quali i sistemi di trasporto e di divertimento, nonché fotoattuatori e sistemi di conversione dell'energia".

Configurazione del sistema e rappresentazione del laser che sposta il disco in base al puntamento laser  – clicca per ingrandire

I ricercatori spiegano che la levitazione magnetica si presenta solo a causa del diamagnetismo di un oggetto, il quale respinge i campi magnetici. Tutti i materiali mostrano un po' di diamagnetismo, ma solitamente è troppo debole per consentire la levitazione magnetica. Questa si presenta solo quando le proprietà diamagnetiche del materiale sono più forti di quelle ferromagnetiche e paramagnetiche – che attraggono i campi magnetici. Uno dei materiali con la proprietà diamagnetica più forte è la grafite.

Per levitare magneticamente, la forza magnetica totale di un oggetto non deve solo essere repulsiva, ma la repulsione deve anche essere più forte della forza di gravità. L'altezza alla quale il materiale diamagnetico levita può essere controllata da due fattori: il campo magnetico applicato e le proprietà diamagnetiche del materiale stesso.

In passato la posizione della levitazione magnetica è stata controllata modificando il campo magnetico applicato, ma finora nessuno aveva usato il secondo fattore per controllare il movimento del materiale sospeso. Questo è stato possibile cambiando le proprietà diamagnetiche del materiale grazie a uno stimolo esterno come la temperatura, la luce o il suono.

I ricercatori hanno usato un laser per controllare la temperatura di un disco di grafite levitante su un blocco di magneti permanenti. Hanno dimostrato che, quando la temperatura della grafite aumenta, l'altezza della levitazione decresce e viceversa.

A. Il laser fa ruotare il disco levitato magneticamente. B. Rappresentazione del cambiamento della temperature della grafite in base all'irradiamento del laser – clicca per ingrandire 

Secondo i due professori il cambiamento della temperatura modifica la suscettibilità magnetica della grafite, o il grado al quale la sua magnetizzazione reagisce a un campo magnetico applicato. "A livello atomico, il laser aumenta il numero di elettroni eccitati termicamente nella grafite a causa dell'effetto fototermico. Maggiori sono questi elettroni, più deboli sono le proprietà diamagnetiche della grafite e minore è l'altezza della sua levitazione", si legge su Phys.org.

Oltre a controllare l'altezza, i ricercatori sono anche riusciti a far muovere la grafite in qualsiasi direzione e ruotarla cambiando il sito di irradiamento. Il laser è puntato al centro del disco di grafite quando si controlla l'altezza, mentre puntandolo sul bordo cambia la ripartizione della temperatura, e quindi la distribuzione della suscettibilità magnetica, in modo tale che la forza di repulsione è sbilanciata e la grafite si muove nella stessa direzione del fascio luminoso.

Per ruotare il disco di grafite levitante, i ricercatori hanno rimpiazzato i magneti rettangolari a forma di prisma sotto il disco con una pila di magneti a forma cilindrica, e puntato nuovamente il laser sul bordo del disco. La distribuzione distorta della temperatura porta il disco di grafite a ruotare con direzione e velocità che dipendono dal sito di irradiamento. La rotazione si verifica anche quando il tutto è esposto alla luce solare.

Convertendo l'energia del sole in energia di rotazione, il disco può raggiungere una velocità di rotazione di oltre 200 RPM, utile ad esempio per realizzare turbine guidate otticamente. I professori pensano che la possibilità di controllare il movimento maglev con un laser permetterà lo sviluppo di attuatori maglev e sistemi fototermici di conversione dell'energia solare.

Tra le applicazioni potrebbero esserci un sistema di generazione dell'energia rispettoso dell'ambiente e un nuovo tipo di sistema di trasporto umano – in futuro e i dovuti incrementi di scala – guidato dalla luce.