Microonde dispositivi

 

 

 

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Microonde dispositivi

Nell'immaginario collettivo il vocabolo "MICROONDE" richiama immediatamente ed esclusivamente i noti vantaggi e le ignote pericolosità di queste radiazioni elettromagnetiche nel semplice riscaldamento e nelle cotture superveloci di cibi e bevande in ambito domestico e nella telefonia mobile.

Il riscaldamento di solidi e liquidi mediante irraggiamento di potenza a microonde, noto anche come riscaldamento dielettrico o elettromagnetico a microonde, si è in realtà ormai affacciato da più di due decenni, e si sta progressivamente imponendo, su scenari tecnologici, scientifici e medici di straordinaria vastità.
Ciò consente di considerare il riscaldamento a microonde nel novero di quei promettenti strumenti non convenzionali di promozione di processi di sintesi o trasformazione chimica a cui viene dedicata da oltre un decennio un'attenzione crescente, tra i quali citiamo:

1. ultrasuoni in sistemi reagenti liquidi o in soluzione,
2. la conduzione di reazioni in sistemi condensati sotto alte pressioni
3. l'impiego di fluidi supercritici come mezzi di reazione
4. la conduzione di reazioni chimiche in plasmi gassosi.

Il riscaldamento per mezzo di microonde sfrutta la capacità che talune sostanze chimiche possiedono di assorbire l’energia veicolata da onde elettromagnetiche e di trasformarla in energia di tipo termico.

Si tratta di un riscaldamento estremamente peculiare, che non prevede l’utilizzo di alcun fluido trasportatore di calore, l’energia trasportata dal campo elettromagnetico inoltre viene ceduta in maniera decisamente particolare con diversa intensità da sostanza a sostanza, e con tempi sorprendentemente brevi. La possibilità di cedere energia selettivamente ad alcune molecole rispetto ad altre, possibilità legata sostanzialmente alle caratteristiche della  molecola stessa, si presenta come una via di  straordinario interesse per accelerare tutta una serie di reazioni, nonché per incrementarne la selettività verso i prodotti di maggiore interesse.

Un po’ di storia delle microonde

La predizione dell'esistenza delle onde elettromagnetiche, di cui le microonde fanno parte, è dovuta a James Clerk Maxwell con le sue famose equazioni del 1864. La dimostrazione dell'esistenza avvenne nel 1888 ad opera di Heinrich Rudolf Hertz che studiò le onde radio.

Alcuni nomi di personaggi che con le loro ricerche hanno contribuito allo sviluppo delle moderne applicazioni delle microonde sono: Nikola Tesla, Guglielmo Marconi, Samuel Morse, Sir William Thomson noto come Lord Kelvin, Oliver Heaviside, Lord Rayleigh, Oliver Lodge.

Da un punto di vista puramente storico il primo dispositivo per generare microonde fu sviluppato durante la seconda guerra mondiale all’Università di BIRMINGHAM, nell’ambito delle ricerche belliche sul RADAR.

Anche se la possibilità dell’utilizzo delle microonde per la cottura di alimenti fosse già stato intuito nei primi anni cinquanta, si dovranno aspettare gli anni SETTANTA ed OTTANTA per l’effettivo debutto commerciale di dispositivi domestici per la cottura basati sull’utilizzo di tale tecnologia. Ciò fu in gran parte dovuto agli sforzi in tale direzione dell’industria elettronica giapponese. È da questo periodo che si rendono disponibili i primi forni a basso costo e facilmente accessibili a laboratori chimici. Si dovrà tuttavia attendere, come già detto, oltre un decennio prima che le potenzialità nel campo della chimica cominciassero ad essere indagate.

Alla  fine degli  anni  Settanta sono state effettuate  le prime ricerche sull'azione delle  microonde    in
processi chimici, anche se limitate a processi industriali molto particolari:

la polimerizzazione di resine epossidiche,

la vulcanizzazione di gomme uretaniche

la devulcanizzazione di elastomeri allo zolfo.

Queste  ricerche  hanno  originato  una  serie  di  brevetti  e,  nel  caso  specifico  della  vulcanizzazi4one,
l'impiego delle microonde ha in parte sostituito i processi tradizionali.

Tra il 1984 ed il 1986 si è sviluppata un'ampia ricerca sull'applicazione delle microonde alla chimica analitica, che ha portato alla messa a punto di diversi sistemi rapidi e a resa elevata di disgregazione chimica di composti inorganici, di campioni geologici come sedimenti, rocce, terreni, etc. e di incenerimento di prodotti biologici come sangue, cibo, tessuti animali e vegetali.
IL FORTE INCREMENTO DELLA VELOCITÀ (DA 5 A 100 VOLTE) dei processi chimici
sotto l'effetto delle microonde ha suggerito di esplorare l'utilità dell'impiego delle microonde anche in processi come la SINTESI DI COMPOSTI ORGANICI, METALLORGANICI, COMPOSTI DI COORDINAZIONE E LA PREPARAZIONE VELOCE DI RADIOFARMACI

ad altri tipi di reazioni per le quali può risultare importante la riduzione dei tempi di reazione.

La vera svolta nell'applicazione delle microonde alle reazioni organiche si ha nel 1986 con la pubblicazione dei lavori di Giguere e di Gedye. Si osservava per le reazioni studiate, come ossidazioni, esterificazioni, benzilazioni, addizioni e sostituzioni nucleofile, etc. venissero accelerate fino a 500 volte con l’impiego delle microonde.

Produzione delle microonde

Le microonde possono essere prodotte in vari modi, classificabili in due categorie: a stato solido e con tubi a vuoto.

I dispositivi a stato solido sono basati su semiconduttori (silicio o arseniuro di gallio)

I tubi a vuoto si basano sul movimento balistico degli elettroni nel vuoto sotto l'influenza di campi elettrici o magnetici di controllo. Includono: magnetron, klystron, travelling wave tube (TWT) e gyrotron.

Sicurezza

Nonostante le microonde siano largamente impiegate dalla metà del XX secolo, la loro pericolosità è ancora in discussione. Al di là di questo, un rischio è ben documentato relativamente all'uso del magnetron.

La cornea dell'occhio non è percorsa da vasi sanguigni che possano raffreddarla e corre il rischio di surriscaldarsi se colpita da microonde, anche perché non è trasparente a queste lunghezze d'onda. Per questo motivo l'esposizione cronica alle microonde, esattamente come alla luce solare, può aumentare l'incidenza della cataratta in età avanzata. Se dalla luce solare ci si può difendere con occhiali da sole, non esistono protezioni simili contro le microonde.

Un forno a microonde con il portello difettoso può essere fonte di rischi. È opportuno quindi evitare di usare apparecchi danneggiati e controllare eventualmente il campo disperso con appositi strumenti. Per lo stesso motivo è bene evitare di trovarsi nel lobo di emissione dell'antenna dei potenti radar aeronautici, così come guardare direttamente e da vicino i sensori di antifurto a tecnologia radar.

L'esposizione diretta alle microonde sembra possa inoltre generare interazioni con il cervello, provocando irritabilità e mal di testa. Ricerche effettuate dalla NASA nel 1970 hanno mostrato che questo può essere causato dall'espansione termica di parti dell'orecchio interno.

Riassumendo i più importanti impieghi del riscaldamento a microonde:

1. PREPARAZIONE ULTRARAPIDA DI CAMPIONI ANALITICI.
2. MINERALIZZAZIONE DEI PRODOTTI ORGANICI SINTETICI E NATURALI demolizione idrolitica di proteine, disgregazione (o digestione) acida di minerali e leghe metalliche.
3. EFFETTI BIOCHIMICI E BIOFISICI COMPLESSI (terapia di ipertermia medica in traumatologia ed oncologia)
4. PROCESSING DELLE RESINE TERMOINDURENTI sintetiche e delle

GOMME

1. SINTESI ORGANICA
2. MATERIALI CERAMICI
3. PLASMI GASSOSI

1. Le microonde sono radiazioni non ionizzanti che si posizionano nella regione dello spettro compresa tra le radiazioni infrarosse e quelle che usualmente vengono chiamate radiofrequenze.
2. Le lunghezze d’onda caratteristiche delle microonde sono comprese tra 1 cm ed 1 metro, e ad esse corrispondono rispettivamente frequenze di 30 GHz e 300 MHz.

• La regione dello spettro compresa tra 1 cm e 25 cm viene usualmente impiegata nei RADAR civili e militari. E’ essenzialmente per non interferire con questi dunque che i forni domestici e industriali operano a frequenze ben precise di 2,450 GHZ e 900MHz (frequenze denominate ISM, lunghezze d’onda di 12.2 cm e 33.3 cm rispettivamente).
• Le microonde sono caratterizzate da livelli di energia del fotone (hn=1.10-6  - 1.10-3

eV) inferiori di diversi ordini di grandezza alle energie di dissociazione dei legami chimici covalenti, ionici e a idrogeno (1 - 15 eV), e persino delle pur deboli interazioni intra- e inter-molecolari come quelle dipolari e di Van der Waals (1x10-2  – 1 eV).

1. ASSORBITORI E RIFLETTORI DELLE MICROONDE
2.  
3. I MATERIALI METALLICI NON MAGNETICI sono RIFLETTORI delle microonde (il principio su cui è basata la rilevazione radar degli oggetti metallici in generale), mentre sono TRASPARENTI alle MW materiali come QUARZO, PARAFFINE, POLIETILENE E PERFLUORO-POLIMERI.
4. Svariate classi di composti chimici e materiali si comportano come ASSORBITORI più o meno "AVIDI" di queste radiazioni elettromagnetiche, risultando pertanto da esse più o meno fortemente e rapidamente riscaldabili: I DIELETTRICI POLARI (comprendenti innumerevoli COMPOSTI ORGANICI LIQUIDI E SOLIDI, RESINE TERMOINDURENTI, MATERIE PLASTICHE E MOLTISSIME GOMME), I SEMICONDUTTORI, i MATERIALI MAGNETICI, i MATERIALI FERROELETTRICI. Ciò dà una misura delle estese opportunità applicative di questa efficientissima tecnica di riscaldamento, per molti aspetti analoga al più datato e consolidato riscaldamento a induzione dei materiali metallici

MECCANISMO DI AZIONE DELLE MICROONDE:
 PROPRIETA’ DIELETTRICHE E MAGNETICHE

1. L’effetto di un campo elettrico sulla materia può dare luogo a diversi fenomeni a seconda della natura del materiale e della mobilità delle cariche in esso presenti. Se le cariche elettriche hanno una mobilità a lungo raggio, all’interno del materiale si crea una corrente elettrica: in questo caso il materiale si comporta da conduttore.
2. Se invece la mobilità delle cariche dovuta ad un campo elettrico esterno è limitata all’intorno del punto di equilibrio, il materiale è isolante ed è detto dielettrico. In quest’ultimo caso, il fenomeno principale è l’accumulo di energia che si ha nel materiale a causa della creazione di un momento elettrico complessivo attraverso il fenomeno della polarizzazione.
3. Quando si applica un campo magnetico si può avere solamente la creazione di un momento magnetico complessivo nel campione, dato che l’unità magnetica elementare è il dipolo e non esistono cariche magnetiche singole. In questo caso l’accumulo di energia nel materiale avviene attraverso il fenomeno della magnetizzazione.
4. Il materiale dielettrico è qualcosa che contiene un dipolo permanente, il quale quando è sottoposto ad un campo elettrico esterno agisce come un condensatore, ossia permette alla carica (e perciò all’energia) di essere conservata senza osservare conducibilità tra i piatti. La polarizzazione dei materiali dielettrici deriva dal limitato dislocamento delle cariche e dalla rotazione dei dipoli nel campo elettrico e non va confuso con la conduzione, che è invece un movimento traslazionale delle cariche sotto l’effetto del campo.
5. il RISCALDAMENTO nella MATERIA IRRAGGIATA DA MICROONDE. è legato ALLA POSSIBILITÀ DEL CAMPO ELETTRICO DI POLARIZZARE LE CARICHE PRESENTI NEL MATERIALE E ALL’IMPOSSIBILITÀ DELLA POLARIZZAZIONE DI SEGUIRE I REPENTINI CAMBIAMENTI DI VERSO DEL CAMPO ELETTRICO.

Fonte: http://www.chimica.uniba.it/didattica/pubblicazioni/download/file?fid=102.441

Sito web da visitare: http://www.chimica.uniba.it

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

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