El hombre y las energías alternativas

A los grandes problemas que asolan nuestros. XXI (superpoblación, inmigración, pobreza…), habría que añadir otro, quizá el gran problema del cual derivan todos los demás: el agotamiento de los recursos energéticos.

Todos dependemos de la energía. Sin ella nuestra vida no sería la misma.

Hasta los pueblos más primitivos que todavía hoy habitan el planeta, aunque no dependan tanto de las telecomunicaciones o de la tecnología, sí dependen del gran astro, el Sol, que al fin y al cabo es el origen y causa de la energía que consume el hombre moderno, desde la eólica, la solar, la hidráulica, la geotérmica o la procedente de los combustibles fósiles.

¿Qué es la energía?

Según la definición de la física, es la capacidad que tienen los cuerpos de realizar un trabajo. Según el primer principio de la termodinámica, en el universo todo se transforma, la materia -y también la energía- no se destruyen, tan sólo se transforman. El ideal sería que toda la energía que proviene del sol pudiese ser aprovechada por los seres humanos, ahí tendríamos resuelto el problema. Pero hay una pega: de todo el calor que invade nuestro planeta sólo un tercio es absorbido por la superficie. Aún con esa tercera parte de todo el calor que nos llega en forma de radiaciones electromagnéticas y térmicas tendríamos suficiente los seres humanos para mover todas nuestras máquinas, automóviles e industria con la que se nutre la sociedad occidental. La realidad es que sólo utilizamos un 10% o un 15%, es decir, la energía se disipa según ese primer principio en forma de calor, rozamiento, etc. De ahí los quebraderos de cabeza de los ingenieros para aumentar el rendimiento de las máquinas eliminando fricciones o filtraciones.

Esto dio lugar al segundo principio o principio de entropía. La entropía es una propiedad de la naturaleza de tender hacia el desorden. Pero el desorden no es anarquía, en el desorden hay leyes. El desorden hace, por ejemplo, que en un congelador esa energía disipada cree el hielo, y el hielo es una estructura perfectamente organizada, geométricamente perfecta. Y si existe esa tendencia al desorden, ¿por qué la vida se asentó como una estructura auto organizada sobre nuestro planeta Tierra? Prueba de ello son esas formas tan perfectas como el neocórtex cerebral, las sinapsis entre neuronas, los complejos ecosistemas con su flora y su fauna en un equilibrio perfecto.

La energía se transforma, se disipa, crea orden. Y el hombre, lo que quiere, es utilizar esa energía para su propia evolución como ser humano. ¿Cómo lo ha conseguido hasta ahora? Desde siempre utilizó los combustibles fósiles: el petróleo, el gas natural y el carbón.

El petróleo se acaba

El petróleo es el combustible que genera mayor rendimiento, al que le sigue el gas natural, que es uno de los principales recursos de la tierra. El problema del petróleo es que se extinguirá prácticamente hacia el 2050 si la población mundial crece hasta 9000 millones de habitantes como se prevé para esas fechas. Eso, si se siguen estrictamente los planes de control de natalidad, como se está haciendo hoy en día en China o en los países norteafricanos. Pero lo más probable es que no suceda así y que la población crezca a un ritmo mayor. Y si añadimos a esto la mayor longevidad en un mundo donde la medicina, junto a la calidad de vida, han tenido una notable mejora, los expertos nos hablan de una duración de unos 30 años para el petróleo fluido. Luego se tendrá que echar mano de arenas asfálticas y pizarras bituminosas, que son hidrocarburos sólidos. O sea, hemos cogido con una cuchara lo mejor de la sopa, y ahora tenemos que rebañar el plato. Pero rebañar el plato implicará una gran tecnología para extraer el fluido, y con ello grandes gastos. Se prevé que con ello también cambiará la política internacional de influencias. Hoy en día Canadá y Australia son los mayores productores de este tipo de combustibles.

Ante estas perspectivas los países industrializados, que son precisamente los menores productores de recursos (el Mercado Común europeo importa más del 50% de sus recursos), tienen la necesidad de buscar otro tipo de energías, las que se conocen como alternativas o renovables. En los años 70, ante la crisis del petróleo, los precios de éste se triplicaron y luego volvieron a bajar otra vez. Aquella crisis, motivada por una serie de intereses políticos, comerciales y sociales provocó el estudio de este nuevo tipo de energías, como la solar y la fotovoltaica, pero a partir de la recuperación y de la bajada de precios dejó de fomentarse.

Actualmente nos encontramos en un momento tecnológico en el que sí tiene cabida un gran progreso en el estudio de estas nuevas fuentes energéticas. Hoy, por ejemplo, se construyen coches que funcionan sólo con aire comprimido, que se extrae de la atmósfera. Con una carga (que se calcula costará un euro) uno de estos coches tendrá autonomía para unas 10 horas, y podrá alcanzar velocidades de 130 K/h En países como Alemania, Dinamarca o Suecia (de alto sentimiento ecológico), se utilizan el aceite de colza o de girasol para sustituir el gasoil, o a partir de caña de azúcar o de la remolacha se refinan derivados de la gasolina. El almidón de la caña se fermenta a través de microorganismos y bacterias para obtener etanol, que mezclado con la gasolina sustituye a ésta, siendo menos contaminante. También se dejan descomponer los residuos urbanos para obtener gas metano que sustituye en algunas empresas al gas natural.

El futuro: ¿energía nuclear?

La energía mayor de la que dispone hoy el hombre no es la solar ni la de los combustibles fósiles, sino la proveniente de lo más pequeño del universo: el átomo. En su interior se desarrollan las fuerzas más poderosas de la naturaleza. La gravedad, que actúa en los cuerpos más masivos, es la fuerza más débil que se conoce. Por encima de ella están las fuerzas electromagnéticas, que unen los electrones al núcleo. Pero la más poderosa de todas es la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unidos los protones del núcleo, que al ser de la misma carga deberían repelerse y hacerle estallar. Entre los protones existe una especie de argamasa que son los neutrones.

A principios de 1900 Pierre y Marie Curie, destilando toneladas y toneladas de pechblenda extraída de minas de carbón, en un trabajo ciclópeo que les llevó más de 20 años, obtuvieron un nuevo elemento químico, el polonio, y posteriormente el famoso radio. Estos elementos químicos tienen la propiedad de que son inestables. En la naturaleza pasamos desde el átomo más simple -el hidrógeno- hasta una gran gama diferente a base de ir añadiendo un protón al núcleo, (así, el H tiene un protón, el He tiene dos, etc.). Los elementos inestables de la tabla periódica son aquellos que tienen muchos protones (elementos pesados). Los elementos pesados, o no existen en la naturaleza y hay que crearlos en laboratorio, o son muy escasos. Por ejemplo el uranio radiactivo que se utiliza en una central nuclear es tan sólo 1/40 parte del uranio que se extrae de las minas, y se prevé una duración del mismo -al ritmo actual de extracción- de unos 60 años.

Los Curie encontraron una noche un cuenco que emitía luz propia; era el resultado de lo que habían destilado. Es decir, había un elemento en la naturaleza que emitía tanta energía que se convertía en luz visible. A partir de ahí comienza una serie de estudios sobre el átomo, porque si hay átomos que emiten energía que se convierten en luz, eso quiere decir que en la naturaleza existe una energía que la podemos destilar a partir de ese átomo. Si interpretamos la famosa ecuación E=m·c2, cualquier objeto de pequeña masa multiplicado por esa enorme magnitud, como es la velocidad de la luz al cuadrado, nos va a dar una energía enorme. Los físicos se dieron cuenta que en el átomo estaba encerrado el secreto de la gran energía que el hombre podría utilizar en el futuro. El problema era cómo disociar el núcleo del átomo, pero estaba la ventaja de que se sabía que sólo los núcleos de los elementos pesados, que son inestables, eran los candidatos a las pruebas. Con el proyecto Manhattan en EEUU para construir la bomba atómica se adelantó mucho en este terreno. Fue el italiano Fermi el que diseñó el primer reactor nuclear.

Si cogemos un núcleo de un átomo inestable, como el uranio, y lo bombardeamos con un neutrón de gran velocidad se produce una escisión y rompemos el núcleo del átomo en dos partes. ¿Qué ocurre entonces? Que si volviésemos a sumar la masa de esos dos núcleos en que ha sido escindido el núcleo original vemos que es inferior. Ha habido un defecto de masa que traducido a la famosa ecuación E=m·c2 se transforma en una enorme energía. Con un gramo de uranio, donde hay miles y miles de millones de núcleos, obtendríamos tanta energía como con tres toneladas de carbón. Cuando se escinde el núcleo del átomo radiactivo se desprenden tres neutrones más, que salen disparados a enormes velocidades. Imaginemos, en un gramo de uranio, la gran cantidad de neutrones sueltos que quedarán, ahí tenemos lo que se conoce como una reacción en cadena.

Pros y contras de la energía nuclear

Una reacción en cadena descontrolada produce una energía enorme, como ocurrió en Chernobyl, donde murieron más de 100.000 personas, no sólo por la explosión sino por lo que es más nocivo, la nube radiactiva que se originó.

La energía nuclear tiene sus pros y sus contras. Es sumamente eficaz,
pero tiene como inconveniente las radiaciones nocivas para el ser humano,
como la radiación gamma que penetra en nuestras células
y produce cambios y alteraciones en nuestros genes.

El genio humano sigue estudiando la energía nuclear porque la considera como una de las energías del futuro.

El U-235 es el que se puede fisionar para obtener energía, y es el que normalmente se utiliza en las centrales nucleares. Pero hoy se buscan nuevos métodos para fisionar cualquier isótopo de uranio; ¿cómo?, bombardeando con neutrones de origen externo que no forman parte de los neutrones originados por esa reacción en cadena. Las ventajas de este nuevo método serían una energía nuclear limpia y controlable que no produciría residuos, pues de estos se podría a su vez obtener otra reacción, y más energía. Eso se está estudiando hoy en día en Suiza, en el CERN, ese gran acelerador de partículas subvencionado por la Comunidad Económica Europea.

Pero el súmmum de las energías sería la fusión nuclear, o sea, recrear el proceso que se produce continuamente en el Sol. La fusión es la unión de dos átomos simples, por ejemplo hidrógeno, para formar otro más complejo, como el helio. El defecto de masa que se produce es todavía mayor que en la fisión, por lo que la conversión energética es también mayor.

En el Sol, donde continuamente se envían satélites para su estudio, existe un estado de la materia diferente al sólido, al líquido o al gaseoso: el plasma, una especie de unión de los tres estados anteriores, pero sometido a millones y millones de grados centígrados y a presiones de millones y millones de atmósferas. En este entorno es donde se producen los fenómenos de fusión de dos átomos de hidrógeno en uno de helio. Comparando esta energía con la producida por los fenómenos de escisión o fisión, es cuatro veces superior. Evidencia de esta reacción es la obtención de una constante lluvia de neutrinos solares que invaden nuestro planeta.

Se está intentando encontrar la solución para la energía del futuro a través de la fusión nuclear. La dificultad estriba en conseguir ese estado que tiene el Sol, las presiones y las temperaturas desorbitadas. ¿Cómo conseguir esas temperaturas en la Tierra? Es difícil, pero se ha conseguido a través de una bomba de hidrógeno, aunque no podemos provocar una explosión de tal magnitud para obtener la fusión y lograr energía. Por tanto se estudian otras maneras. El confinamiento magnético del hidrógeno proyectando haces láser concentrados en un punto para aumentar la temperatura es un posible método. Hoy se cree que ésta será la energía del futuro, porque el hidrógeno es el elemento más común de los mares.

Maremotriz

El mar es un buen productor de energía. En Terranova, Nueva Zelanda, el Canal de la Mancha en Francia, se extrae energía de la fuerza de los mares. En estos lugares a mar abierto hay dos mareas al día con desfases de más de 15 metros. Se aprovechan las ensenadas naturales. Se construyen unas compuertas para que toda el agua que entra en la ensenada en pleamar quede encerrada. Cuando baja la marea, se abren las compuertas y el agua mueve una turbina.

En Japón se estudia la energía que producen las olas del mar. Se instalan boyas flotantes, las olas mueven un pistón, éste una dinamo y se genera corriente eléctrica.

Otra modalidad son los ciclos de convección, producidos por los desfases de temperaturas entre el fondo y la superficie marina. En el fondo las temperaturas son cercanas a 0º, en la superficie de los mares tropicales puede alcanzar los 20 ºC. Este desfase para el agua no supone un gran cambio, pero para el elemento químico como los gases nobles, éstos, encerrados en un circuito cerrado, pueden pasar del estado líquido al gaseoso. Este gas produciría, al igual que en una máquina de vapor, el movimiento de una turbina y la generación de corriente eléctrica.

Solar

El sol es el gran recurso en el que más se trabaja hoy en día como fuente alternativa. Se explota a través de dos modalidades.

Paneles. El artefacto utilizado son colectores o paneles solares que se colocan en los tejados de las casas o en terrenos despejados. Contienen un líquido que se calienta al recibir los rayos del sol y cuya temperatura se puede elevar hasta 100 ºC. Esta temperatura no es suficiente para producir energía eléctrica de forma rentable, así que se utiliza para calefacción o agua caliente doméstica… En Dinamarca o Suecia todos los nuevos edificios que se construyen son edificios inteligentes. En todas las fachadas se colocan placas solares que aíslan del exterior y recogen el calor durante todo el día y lo conservan por la noche, permitiendo un ahorro de energía en calefacción. También este sistema puede realizar el proceso contrario, el calor produce frío a través de unos absorbentes secos, así que en realidad se tiene un aclimatador.

Centrales solares

Disponen de un conjunto numeroso de espejos que permiten dirigir los rayos hacia un punto concreto y producir en él la temperatura necesaria para convertir agua en vapor a presión que puede mover los generadores y producir electricidad.

Centrales Fotovoltaicas

Se basan en la propiedad de dos elementos: el boro y el fósforo, son dos placas muy finas dispuestas paralelamente; cuando la placa de boro recibe un haz de luz infrarrojo, hay una transmisión de electrones de la placa de boro a la de fósforo. El salto de electrones produce corriente eléctrica. Por eso estos paneles están constituidos por múltiples células solares, para que la corriente sea mayor. España es hoy en día una potencia en la fabricación de células, pero a pesar de tener la mayor cantidad de horas de sol diarias de Europa, su utilización en la península todavía está en pañales.

Eólica

Utilizan la fuerza del viento para mover turbinas y producir electricidad. Como dependen de las condiciones meteorológicas, su rendimiento es muy variable, por lo que es necesario buscar sistemas de acumulación de esa electricidad producida con el fin de utilizarla cuando la fuerza del viento es menor. Esas torres tienen unas hélices aerodinámicas que al girar mueven unos imanes que inducen la corriente eléctrica. En España la riqueza de sus corrientes de aire permite que los parques eólicos produzcan hoy en día el 16% de su consumo total.

Hidráulica

El salto de agua no ha de ser necesariamente desde gran altura; desde pequeñas alturas se obtiene hoy en día un buen rendimiento gracias a una nueva modalidad de turbinas (turbinas Pelton). Es la principal alternativa a los combustibles fósiles. Muy eficaz y no contaminante. Por ejemplo en el lago Nasser en Egipto, sólo se usa una turbina de las varias que hay para abastecer de energía a todo el país.

Pilas de hidrógeno

Es el proceso contrario a la electrólisis, o sea, si aplicamos corriente eléctrica en el agua, ésta se disocia en H2 y O2, pues produciendo una combustión de H2, uno de los elementos más comunes del planeta, obtendremos energía eléctrica y vapor de agua. Es una de las energías de futuro, pues sólo se necesitará el elemento H2 en estado puro, que hoy lo podemos transportar en estado líquido.

Nitinol

Forma parte del complejo estudio de resortes que hoy realizan organismos tan vanguardistas como la NASA. El Nitinol es una aleación de níquel y titanio. Este material tiene unas propiedades fabulosas: a temperatura ambiente es duro como el acero, sumergido en agua se vuelve blando, al volverlo a poner en agua caliente salta con enorme violencia y se vuelve duro con fuerzas de varias toneladas por cm2, o sea, con un mínimo de gradiente de temperatura tiene grandes contracciones y dilataciones, y además sus propiedades no se deterioran con el tiempo. Se puede usar para impulsar pistones y accionar émbolos, sustituyendo al motor de combustión como hoy se ha hecho con un coche piloto.

De Biomasa

La biomasa es la energía que se extrae de los residuos biodegradables, es decir, de los residuos orgánicos. Hoy se emplea esta energía en muchos países, como la India o USA. Un método es la combustión directa de los vertidos de fábricas (por ejemplo de cerveza), de la combustión del estiércol, o de la maleza resultante de la limpia de montes, o también de los residuos de industrias cárnicas, etc.

Hoy se potencian cultivos energéticos como las plantaciones de colza o girasol de donde se extraen aceites para motores diesel. También este aceite debidamente tratado con alcohol se convierte en un éter que hoy en día ya se está utilizando mezclándolo con gasóleo para sustituir a la gasolina, pues es menos contaminante.

Otras formas se consiguen mediante la fermentación anaerobia de los residuos gracias a bacterias y microorganismos que transforman los residuos orgánicos en un gas, mezcla de metano y C02. Este gas se utiliza hoy en día para mover motores de combustión interna o turbinas o se lleva a la red de gaseoductos para calefacción, cocinas u hornos cerámicos. En países como China o India hay millones de estas pequeñas instalaciones anaerobias para consumo doméstico de los campesinos.

También a través de plantaciones de remolacha o caña se obtienen azúcares que fermentados producen etanol, un buen aditivo para la gasolina que elimina el plomo contaminante.

Geotérmica

Es más difícil de obtener porque no todos los países del mundo pueden acceder a las aguas termales o zonas volcánicas. Italia, Islandia, Noruega o Estados Unidos en Yellowstone tienen acceso al vapor de agua generado por la misma tierra. Ese vapor de agua mueve las turbinas, luego se condensa y lo vuelven a introducir de nuevo en esas fuentes de agua caliente, haciendo del proceso un ciclo autosuficiente.