El Oro Solar Y Otras Fuentes De Energia

EL ORO SOLAR Y OTRAS FUENTES DE ENERGÍA Autor: JUAN TONDA COMITÉ DE SELECCIÓN EDICIONES DEDICATORIA INTRODUCCIÓN PRIMERA PARTE I. EL HILO DORADO: LA ENERGÍA SOLAR II. LO QUE EL VIENTO NO SE LLEVÓ III. MATERIA VIVA Y DESECHOS: ENERGÍA DE LA BIOMASA SEGUNDA PARTE IV. EL ORO NEGRO Y EL GAS V. LA ENERGÍA DEL CARBÓN: 300 MILLONES DE AÑOS VI. CATARATAS DE ENERGÍA VII. LA GEOTERMIA: TETERA NATURAL VIII. LA ENERGÍA DE LOS NÚCLEOS DE LOS ÁTOMOS IX. LA CUERDA DEL MOVIMIENTO: ALMACENAMIENTO .... DE ENERGÍA BIBLIOGRAFÍA GLOSARIO COLOFÓN CONTRAPORTADA

COMITÉ DE SELECCIÓN Dr. Antonio Alonso Dr. Juan Ramón de la Fuente Dr. Jorge Flores Dr. Leopoldo García-Colín Dr. Tomás Garza Dr. Gonzalo Halffter Dr. Guillermo Haro † Dr. Jaime Martuscelli Dr. Héctor Nava Jaimes Dr. Manuel Peimbert Dr. Juan José Rivaud Dr. Emilio Rosenblueth Dr. José Sarukhán Dr. Guillermo Soberón

Coordinadora Fundadora: Física Alejandra Jaidar †

Coordinadora: María del Carmen Farías

EDICIONES Primera edición, 1993 Dibujos: Alberto R. García, sobre diseños del autor La Ciencia desde México es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Subsecretaría de Educación Superior e Investigación Científica de la SEP y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. D.R. © 1993, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA, S.A. DE C.V. Carretera Picacho-Ajusco, 227; 14200 México, D.F: ISBN 968-16-4286-4 Impreso en México

DEDICATORIA A Claudia, Pablo y Adriana

INTRODUCCIÓN

1. LA ENERGÍA ES DELEITE ETERNO1 EN 1881, en la calle Pearl de la ciudad de Nueva York, Thomas Alva Edison, mejor conocido como "el mago de Menlo Park" construyó la que fue, junto con la estación Holborn Viaduct de Londres, la primera planta de potencia para generar energía eléctrica. La de Edison iluminaba parte de Nueva York mediante una instalación de alumbrado en paralelo. Antes de esa fecha, si fallaba alguna lámpara, ¡toda la ciudad se quedaba sin luz!, como sucede con las series de luces de los arbolitos de Navidad. Actualmente, ¿qué ocurriría si cuando fallara un foco toda la ciudad se quedara sin luz? Ni siquiera lo consideramos como una posibilidad. Conectar la clavija de cualquier aparato eléctrico nos parece lo más natural. Sin embargo, tener la posibilidad de hacerlo requirió de muchos años, desde que se descubrieron las leyes de la electricidad y el magnetismo hasta que se construyó la primera planta eléctrica de potencia. Pero, a su vez, la construcción de la primera planta eléctrica necesitó la invención del foco, logro que disputaron Thomas A. Edison y Joseph Wilson Swan. En el debate entre Edison y Swan, decía el primero, refiriéndose a Swan: "Ahí lo tienen. Tan pronto como alguien consigue hacer algo bueno, no faltan otros tipos que salen con la novedad de que hace años lograron lo mismo." Swan, quien permaneció callado durante mucho tiempo, escribió en la revista Nature, en enero de 1880: Hace quince años utilicé cartón y papel carbonizado en la fabricación de una lámpara eléctrica basada en el principio de la incandescencia. La hice en forma de herradura, tal como dicen ustedes que la está usando ahora el señor Edison. Entonces no logré obtener la duración que buscaba, pero desde entonces he hecho muchos experimentos y creo que durante los últimos seis meses conquisté completamente la dificultad que había causado mi anterior fracaso; ahora puedo producir una lámpara eléctrica duradera por medio de carbones incandescentes. Años después, antes de que se realizara el juicio por la primacía del invento, Swan y Edison se unieron y formaron la compañía Edison and Swan United Electric Company, Ltd. que más tarde se convertiría en la General Electric. En la época de Edison se producía energía eléctrica para iluminar las ciudades con los primeros focos eléctricos; el problema fundamental que éstos presentaban era no disponer de un filamento duradero (véase la figura 1).

Figura 1. Diagrama de un foco en el que pueden apreciarse las partes que lo componen.

Los avances tecnológicos se asimilan rápidamente. Sin embargo, olvidamos con facilidad la historia de su desarrollo y cuáles son sus principios de operación. La primera locomotora, por ejemplo, provocó serias protestas de los ingleses por las elevadas velocidades que alcanzaba. En México, la ciudadanía también protestó cuando aparecieron las primeras bicicletas que circulaban por la Alameda central; hoy, ¿cuántos ciclistas se atreven a circular por las calles de la capital? ¿Cuando prendemos un foco, sabemos que tiene un filamento de tungsteno y torio que permite que dure 750 horas encendido? A través de los años el hombre ha perfeccionado la capacidad de hacer trabajos que requieran grandes esfuerzos físicos, para dejar a las máquinas las tareas pesadas y dedicarse a labores más creativas; sin embargo, como consecuencia ha aumentado el consumo de energía por habitante, el cual es más alto en los países desarrollados. Por otro lado, las máquinas han acortado el tiempo que se requería para desempeñar muchas actividades, por lo cual es fundamental producir energía utilizable a través de las diferentes fuentes. Cuando se habla de energéticos nos referimos al aprovechamiento de dichas fuentes, así como a su óptima utilización. Los energéticos han evolucionado a lo largo de la historia. Primero se utilizó la energía mecánica de los músculos para efectuar las labores pesadas. Posteriormente, las "bestias" de carga y la tracción animal facilitaron aún más el transporte de cargas pesadas. Aquí vale la pena aclarar que los animales, incluido el hombre, necesitan de una fuente de energía fundamental para efectuar trabajo: los alimentos. De esta forma, los alimentos eran y son la fuente energética fundamental para desempeñar cualquier actividad. La madera ocupó durante muchos siglos el primer lugar como fuente energética y hoy se sigue utilizando ampliamente, sobre todo en el campo. Desde que el hombre hizo la primera fogata, hasta ahora que se calienta en una chimenea casera, han pasado miles y miles de años. Posteriormente, el empleo del carbón ocasionó que se abandonara la leña como combustible fundamental. Además, su transformación en coque y el invento de la máquina de vapor marcaron un cambio tecnológico, económico y social de gran importancia: la Revolución Industrial. Pocos años antes del inicio de la primera Guerra Mundial se empezó a emplear el petróleo y el gas. Antes de que terminara la segunda Guerra Mundial, Fermi realizó la primera reacción nuclear controlada y en la década de los años cincuenta aparecieron los primeros reactores nucleares comerciales, que aprovechan la energía calorífica producida por la fisión o rompimiento de los núcleos atómicos. En la década de los cincuenta y sesenta el petróleo y el gas desplazaron al carbón, situación que prevalece hasta nuestros días. Entre 1960 y 1985 proliferó la construcción de reactores nucleares, sobre todo en los llamados países desarrollados como EUA, Francia, la ex Unión Soviética (hoy Comunidad de Estados Independientes), Japón, la ex Alemania Federal, Inglaterra, etcétera. Posteriormente, los países en vías de desarrollo como India, Argentina, Brasil y México construyeron sus primeras centrales nucleoeléctricas. Hasta 1990 había 424 reactores nucleares en todo el mundo. Actualmente se siguen construyendo centrales nucleoeléctricas, pero en un porcentaje decreciente, entre otras razones debido a los accidentes nucleares, los desechos radiactivos y los movimientos ecologistas internacionales. Algunos países, como México, que en la década pasada tenían un ambicioso programa nucleoeléctrico, han preferido continuar con el petróleo como principal fuente de energía y diversificar el aprovechamiento de ésta con distintas fuentes energéticas (geotermia, carbón, energía hidráulica, petróleo, energía nuclear, energía solar y eólica). Pese a lo anterior, los recursos energéticos que posee cada país constituyen un factor importante para adoptar una política energética. Un país sin petróleo, carbón, geotermia y con baja insolación o soleamiento, difícilmente puede aprovechar distintas fuentes de energía. La transformación de las fuentes de energía en diversas formas de energía utilizables nos proporciona gran cantidad de beneficios: tener electricidad, agua caliente, gas para cocinar, calefacción, refrigeración, ventilación, transporte, etcétera. La energía hidráulica, la que se obtiene del petróleo, el gas, la energía eólica o de los vientos y la que se obtiene de la biomasa tienen un origen común: la energía del Sol. Por otro lado, las fuentes de energía que no tienen un origen solar son: la energía de la fisión nuclear, la geotermia y la que se obtiene de las mareas. La fusión nuclear es un caso aparte, dado que se reproducen en condiciones artificiales las reacciones termonucleares de fusión que tienen lugar en el núcleo de nuestra estrella: el Sol. La energía solar es producto de las reacciones de fusión nuclear que ocurren en el Sol; así, la energía que recibimos del Sol tiene como origen la energía nuclear.

Según una de las teorías más aceptadas, el petróleo, el gas y el carbón provienen de la descomposición de organismos vegetales y animales que vivieron hace 300 millones de años y que fueron sepultados bajo el suelo marino y continental. Por otro lado, en las plantas se lleva a cabo la fotosíntesis debido a la acción de los rayos solares y éstas almacenan aproximadamente el 1% de la energía solar recibida. Así, los combustibles fósiles como el petróleo, el gas y el carbón, la energía que se obtiene de las plantas, árboles, desechos orgánicos y los alimentos que consume el hombre son de origen solar. La energía que las centrales hidroeléctricas aprovechan de los ríos se debe a la evaporación del agua de los océanos, provocada por el calentamiento de los rayos solares. Posteriormente, al caer el agua desde diferentes alturas, se transforma la energía potencial de los ríos en energía eléctrica. El viento se origina por la diferencia de temperaturas en la atmósfera terrestre, provocada por la forma en que inciden los rayos solares, en combinación con la rotación de la Tierra. Sin embargo, la energía solar se origina por la fusión de los núcleos atómicos, donde se funden elementos ligeros como el hidrógeno y en el proceso se liberan grandes cantidades de energía en forma de calor, que se calculan usando la famosa fórmula de Einstein que proporciona la equivalencia entre masa y energía: E=mc² (donde E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz); parte de la masa de los núcleos atómicos se transforma en energía calorífica, que es precisamente la que el Sol nos proporciona en forma de radiación. Por ejemplo, si se unen cuatro núcleos de hidrógeno se forma helio, electrones positivos (positrones), rayos gamma y calor. Si se calcula la masa de los productos antes y después de la reacción de fusión nuclear se observará una diferencia o defecto de masa faltante después de la reacción. Debido a que la energía debe conservarse antes y después de la reacción, la masa faltante se transforma en energía calorífica. En el caso de la reacción mencionada, cuando se fusionan cuatro núcleos de hidrógeno se produce un núcleo de helio, neutrinos, positrones, rayos gamma y se liberan 25.7 MeV 2 (megaelectrón-volts) de energía calorífica. Para darse una idea de lo que representa esta cantidad, la fusión nuclear que tuviera lugar en un pequeño cuarto de dos metros por lado bastaría para producir más energía que el reactor de Laguna Verde.

2. UN ESTUDIANTE CON MUCHA ENERGÍA Y POCA POTENCIA Cuando inclinamos la cabeza y fijamos la vista para leer estas líneas nuestro cuerpo está empleando 84 kilocalorías por cada hora de lectura. Pero esas 84 kilocalorías que empleamos para leer, el cuerpo las debe recuperar mediante nuestra fuente de energía: los alimentos. Un ser humano promedio debe consumir alimentos que le proporcionen 3 000 kilocalorías diarias.3 Pero ahora surge una pregunta: ¿por qué tenemos que recuperar la energía que invertimos en la lectura? La respuesta no es sencilla; para responderla tuvieron que pasar varios siglos hasta que se descubriera entre 1830 y 1850 el principio de la conservación de la energía, que afirma que ésta no se crea ni se destruye, únicamente se transforma, o expresada esta idea en forma general: la energía del Universo se mantiene constante. Volviendo a nuestro caso, la energía que nos proporcionan los alimentos se transforma en energía utilizable para desempeñar todas nuestras actividades. Para aquellos que se estén quedando dormidos, sólo mencionaremos que se consumen 500 kilocalorías durante 8 horas de sueño (alrededor de 1/6 de la energía que necesitamos diariamente), pues el organismo humano requiere cierta cantidad de energía para que todos los órganos trabajen adecuadamente y se lleven a cabo los procesos fisiológicos del organismo (esta cantidad se denomina metabolismo basal y corresponde a más de la mitad de la energía que consumimos a través de los alimentos). Antiguamente se creía que podía existir una máquina capaz de moverse indefinidamente y se le denominó móvil o máquina de movimiento perpetuo (véase el recuadro 1). Una máquina cuyo único resultado fuera extraer calor y convertirlo íntegramente en trabajo sería un móvil perpetuo de segunda clase; es decir, una máquina que efectuara trabajo sin una fuente externa de energía. Los beneficios que nos reportarían estas máquinas serían invaluables; sin embargo, las leyes de la termodinámica se han encargado de demostrar que su construcción es imposible.

Recuadro 1

Lázaro Carnot y La Real Academia de Ciencias de París. En el año de 1775, la Academia de Ciencias de París había tomado una decisión: no examinaría ninguna solución a los problemas de la duplicación del cubo, la cuadratura del círculo, ni analizaría ninguna máquina de movimiento perpetuo. Lázaro Carnot, padre de Sadi Carnot, también había declarado: "es inútil que se les explique que toda máquina se reduce a una palanca; al parecer el símil se les hace demasiado vago y confuso. Yo puedo demostrarles no solamente que toda máquina abandonada a sí misma tiene que detenerse, sino que además, puedo señalar el instante preciso en que debe hacerlo."

Por ejemplo, si tomamos una rueda y le damos un impulso inicial para que gire, al cabo de un tiempo la fricción provocará que parte de la energía que se utilizó para moverla por un lado se transforme en energía calorífica del aire que la rodea y por el otro ocasione el calentamiento de la rueda. Así, la fricción provocará que la rueda se detenga. La ley de la conservación de la energía se formuló entre 1830 y 1850, gracias al trabajo de muchos científicos, entre los que podemos mencionar a Herman von Helmholtz, James Prescott Joule, Julius Robert Mayer y Ludvig Colding. Esta ley afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, de manera que la energía total de un sistema permanecerá constante. La primera ley de la termodinámica no es otra cosa que la ley de conservación de la energía para los sistemas termodinámicos, es decir, aquellos en los que interviene el calor. Expresada matemáticamente, ésta señala que el cambio de energía interna de un sistema es igual a la energía recibida en forma de trabajo externo hecho sobre el sistema más la energía en forma de calor que absorbe dicho sistema (∆U +W=Q, donde ∆U es el cambio de energía interna, W es el trabajo y Q la energía calorífica). A partir de la formulación de la ley de la conservación de la energía quedó establecido que es imposible construir una máquina capaz de crear energía, a la cual se le denominó máquina de movimiento perpetuo de primera clase. La ley de conservación de la energía para los sistemas termodinámicos permite transformar energía calorífica en trabajo y trabajo en energía calorífica. Pero en los procesos naturales se observó que el trabajo que realiza una máquina sí se puede transformar totalmente en calor, aunque la energía calorífica no se puede transformar totalmente en trabajo. Fue así como surgió la segunda ley de la termodinámica, la cual señala que es imposible que exista una máquina o proceso cuyo único resultado final sea transformar calor en trabajo de una fuente calorífica que esté a la misma temperatura. Dicha forma de la segunda ley se conoce como postulado de Lord Kelvin. A su vez, Rudolph Clausius formuló un postulado equivalente en el que afirma que es imposible la transferencia de calor de un cuerpo frío a uno caliente. En otras palabras, en todos los procesos que ocurren en la naturaleza el calor fluye de los cuerpos calientes a los fríos y no al revés. Decir "voy a enfriar mi café" no es lo mismo que "voy a calentar el aire con mi café". Afortunadamente, no somos puristas en el uso del lenguaje, aunque en física la situación es distinta. El postulado de Kelvin dice que es imposible que exista una máquina cuyo único resultado final sea transformar energía calorífica en trabajo con una fuente de calor a la misma temperatura, como lo habíamos señalado anteriormente. En otras palabras, afirma que es imposible que exista una máquina de movimiento perpetuo de segunda clase. Con una máquina de este tipo aprovecharíamos la energía calorífica del aire que nos rodea para transformarla en energía mecánica de un motor de coche, con lo cual tendríamos una fuente de energía prácticamente ilimitada, o moveríamos la turbina de un turbogenerador con el calor del agua de los ríos. Una de las consecuencias más importantes de la segunda ley de la termodinámica es que en los procesos en donde se transforma calor en trabajo útil para, por ejemplo, mover un motor, siempre existirán pérdidas de calor que no se pueden transformar en trabajo útil, o puesto en términos de eficiencia, que cuando se trate de obtener trabajo de una máquina térmica la eficiencia teórica nunca podrá ser del 100 por ciento. La eficiencia real de cualquier motor es todavía inferior al valor teórico.

Sin embargo, si tenemos cuando menos dos fuentes de calor a diferentes temperaturas sí es posible transformar calor en trabajo a través de un proceso cíclico que se denomina ciclo de Carnot. Es a través de este proceso cíclico como funcionan todos los motores de combustión interna, en particular los de los automóviles. Hoy se sabe, gracias a la primera ley de la termodinámica, que es imposible que exista una máquina de movimiento perpetuo (véase la figura 2). En el caso del cuerpo humano, el equivalente de la máquina perpetua del primer tipo sería creer que nuestro organismo es capaz de realizar cualquier actividad sin ingerir nunca un solo alimento.

Figura 2. Cadena de Stevinus de Brujas. En esta figura se observa un plano inclinado que tiene una cadena con balines. Como de A a B hay cuatro balines y de B a C hay dos, se podrían pensar que los cuatro balines del lado izquierdo jalaran a los dos que hay en el lado derecho, por simple diferencia de pesos. Si a esto añadimos que la cadena es continua, entonces se moverá indefinidamente; con ello se tendría una máquina de movimiento perpetuo. Afortunadamente, Simon Stevinus descartó dicha posibilidad y señaló que la cadena quedaría en equilibrio. Sin embargo, existe otro problema: los alimentos que consumimos proporcionan más energía de la que empleamos para desempeñar nuestras actividades. ¿Dónde queda la energía sobrante que nos proporcionan los alimentos? ¿No habíamos señalado que la energía se conserva? Efectivamente, pero cuando efectuamos un trabajo muscular, parte de la energía se pierde en forma de calor y si los alimentos tienen grasa, una parte se acumula en las llantitas de nuestro cuerpo (véase el cuadro I que muestra la energía de algunos alimentos). CUADRO I. Energía de los alimentos (en kilojoules). kJ(por cada 100 g del alimento) Arroz blanco Espaguetis crudos Harina de maíz (sin germen) Harina de trigo suave Maíz de grano Palomitas Pan blanco de trigo Pan de centeno Pan integral de trigo Papas Plátano Garbanzo Chícharo

1,522.9 1,543.8 1,518.7 1,522.9 1,510.4 1,615.0 1,284.4 1,092.0 1,196.6 313.8 510.4 1,522.9 1,410.0

Lentejas Cacahuates tostados Coco Nuez de acajú Pistaches Ajo Apio Calabaza Cebolla Col Coliflor Espárrago Espinaca Haba Frijol Lechuga Pepino Perejil Pimiento Rábano Betabel Tomate Zanahoria Aceituna Aguacate Ciruela Fresa Limón Mango Manzana Melón Naranja Papaya Pera Sandía Toronja Uva Azúcar Chocolate Miel de abeja Huevo Jamón Embutidos Pollo Cerdo Ternera

1,422.5 2,368.1 1,238.4 2,330.0 2,502.0 560.6 79.4 125.5 188.2 117.1 138.0 96.0 125.5 493.7 150.6 62.7 62.7 179.9 129.7 96.2 184.0 87.8 171.5 485.3 384.9 196.6 150.6 121.3 246.8 242.6 184.0 175.7 133.8 234.3 92.0 158.9 284.5 1,606.6 2,209.1 1,280.3 619.2 1,267.7 1,707.0 711.2 903.7 794.9

Vaca Pavo Tocino Atún Camarón Ostión Filete de Pescado

1,020.8 1,121.3 2,604.9 1,204.9 359.8 184.0 376.5

Fuente: OMS, 1987.

El interior del cuerpo debe tener una temperatura constante de aproximadamente 37ºC. Para ello, el sudor actúa como un termostato, es decir, controla la temperatura del cuerpo para que ésta permanezca sin cambio; prueba de esto es el sudor que acompaña a la fiebre. Los alimentos que ingerimos se transforman en energía química utilizable por reacciones de oxidación; es decir, el oxígeno que respiramos se emplea para transformar los alimentos en energía química. La energía química, a su vez, se transforma en energía mecánica cuando movemos algún músculo, pero parte de la energía química se pierde inevitablemente en forma de calor. Los músculos esqueléticos tienen cuando mucho una eficiencia del 20%, lo cual quiere decir que el 80% restante se pierde en el ambiente. Debe mencionarse también que los desechos que producimos contienen energía almacenada que no aprovechó el cuerpo, lo cual no significa que otros organismos no la puedan aprovechar (incluido el hombre). De hecho, el abono es un excelente nutriente para el crecimiento de las plantas y también de éste se puede obtener gas metano para cocinar. Por lo tanto, la energía que consumimos en los alimentos sí se conserva. Únicamente tenemos que considerar la energía química que no se transforma en movimiento de nuestros músculos y que se pierde irreversiblemente en el ambiente que nos rodea (véase el cuadro II). CUADRO II. Consumo de energía en diversas actividades cotidianas. kJ (Kilojoules) Dormir Sentarse Pararse Caminar Trabajar sentado en la oficina Cocinar Limpieza moderada

4.52 5.82 7.32 15.50 7.5 8.8 18.0

Fuente: OMS, 1987

Muchas actividades humanas requieren grandes esfuerzos corporales; por esto, es deseable que las máquinas realicen el trabajo pesado, para dejar al hombre las tareas más creativas. Sin embargo, la conservación de la energía nuevamente hace su aparición. Para que las máquinas realicen trabajo se requiere una fuente de energía, un combustible que, al igual que los alimentos, provea la energía necesaria para realizarlo. El desgaste físico y el tiempo que se necesita para ir caminando de la ciudad de México a Cuernavaca es enorme si se compara con lo que se consume cuando se hace el viaje en camión (aunque lo que pagamos por el camión hubiera alcanzado para invitarle un refresco a cada pasajero en Tres Marías si hiciéramos el viaje a pie). La gran ventaja del camión es que el motor realiza el trabajo, en lugar de nuestro cuerpo; además, la potencia que desarrolla el camión, es decir, la energía por unidad de tiempo, es mayor que la de nuestro cuerpo.

Por otro lado, ni nuestro cuerpo, ni un motor de camión transforman toda la energía en trabajo mecánico, inevitablemente una parte se transforma en calor y es irrecuperable. Sadi Carnot se encargó de demostrar en su libro Reflexiones sobre la potencia motriz de fuego (véase el recuadro 2), de 1824, que la eficiencia teórica máxima a la que opera cualquier máquina térmica es:

donde Tmax. es la temperatura máxima y Tmin. es la mínima. Otra forma equivalente de expresar la eficiencia es considerando que la temperatura máxima es la de entrada y la mínima es la de salida. Entonces la fórmula sería:

Recuadro 2 Sadi Carnot y la eficiencia de las máquinas térmicas. "La potencia motriz del calor es independiente del agente empleado para realizarla, su magnitud está fijada únicamente por la temperatura de los cuerpos entre los que se efectúa, a fin de cuentas, su transferencia."

Por ejemplo, una máquina de vapor tiene una temperatura máxima de 200 grados Celsius, es decir, que el agua que entra a la caldera tiene esa temperatura máxima, y la temperatura mínima es de 100 grados, que es la temperatura a la cual se elimina el vapor a la atmósfera. Por lo tanto, la eficiencia (si se convierten los grados Celsius a Kelvin, para lo cual bastará sumar 273.16 a cada temperatura) será de 21%. Aunque en la práctica, como existen pérdidas de calor de otro tipo (fricción, turbulencia, conducción de calor, mezcla de diferentes sustancias, etcétera), la eficiencia real de estas máquinas es de 15%. La eficiencia real de un motor de automóvil común es de 22%. La temperatura máxima que alcanza la gasolina mezclada con el aire en el interior del motor es de alrededor de 120ºC, mientras que la temperatura a la que salen expulsados los gases es de 50ºC aproximadamente, que sería la temperatura mínima. En el caso de los motores diesel la eficiencia es de 40%. En todas las máquinas térmicas existe un fluido o gas que alcanza tanto la temperatura máxima como la mínima. En una caldera es el vapor de agua y en un automóvil es la gasolina o el diesel. En todas las máquinas térmicas a las que se refiere Carnot, la eficiencia teórica máxima es de poco menos del 60%; es decir, que no puede existir una máquina térmica con una eficiencia superior a este valor (véase el recuadro 3).

Recuadro 3

Denis Papin y la olla express. Cuando el físico francés Denis Papin presentó su invento de la olla express ante la Real Sociedad de Londres, la olla estalló frente a los distinguidos miembros. Posteriormente, solicitó otra demostración, dado que ahora la olla poseía una válvula de seguridad; sin embargo, todos los miembros se opusieron a la nueva demostración, temerosos de salir sin vida, dado el peligro potencial que representaba el invento. La única excepción fue la del presidente, el físico Robert Boyle, quien permitió la demostración, siempre y cuando se efectuara ante un número razonable de personas.

Ahora, si se trata de una máquina que transforma combustible en calor o que evita el uso de calor, la máquina puede ser 100% eficiente. En la turbina de una presa, la eficiencia puede llegar a 90%, al igual que la de una caldera grande de una central termoeléctrica; la eficiencia de un generador eléctrico puede ser de 98% y la eficiencia de una estufa de cocina es de 85% aproximadamente. Supongamos que un estudiante con mucha energía dedica 8 400 kilocalorías a leer este libro. A primera vista nos sorprendería toda la energía que le ha dedicado; sin embargo, es necesario saber cuánto tiempo le dedicó a esta tarea. Cuando nos enteramos que leyó todo en 840 horas, es decir, un poco mas de un mes, resulta que sólo empleó 10 kilocalorías diarias, en promedio, para leer. Si comparamos esta cantidad con las 84 kilocalorías que se necesitan para leer durante una hora, el estudiante leyó alrededor de siete minutos diarios. Éste es precisamente el caso de un estudiante con mucha energía y poca potencia. Un buen lector podría leer cinco horas diarias, y así leería todo el libro en dos días y utilizaría tan sólo 840 kilocalorías. Así podría leer 10 libros como éste y emplear las mismas 8 400 kilocalorías. Por lo tanto, cuando se habla de energéticos, y en particular de las centrales de energía, es muy importante conocer no sólo cuánta energía se produce, sino la rapidez con la que se produce dicha energía; la energía por unidad de tiempo. Lo mejor, por lo tanto, es desarrollar mucha potencia. Si ahora regresamos al ejemplo de la energía empleada en la lectura, se había dicho que se utilizan 84 kilocalorías por cada hora de lectura, pero ¿no sería deseable que fueran 84 kilocalorías por cada dos horas? Así podríamos leer más y comer menos. Desgraciadamente, un hombre no puede hacer esto... pero una máquina sí. Aunque la máquina no entiende lo que lee. El tiempo es fundamental en el trabajo que realiza una máquina y por esto se introdujo el concepto de potencia, que se define como la rapidez con la que se realiza un trabajo o como la energía por unidad de tiempo. Si en una casa empleamos un foco de 100 watts de potencia, la compañía de luz nos cobra la energía, que es igual a la potencia multiplicada por el tiempo; es decir, tendremos que pagar determinada cantidad por 100 watts-hora = 0.1 kilowattshora (kWh) por cada hora que prendamos el foco. Si lo usamos dos horas cobrará 0.2 kWh. Si en lugar de un foco de 100 watts usamos uno de 60 watts, la cuenta será de 0.06 kWh por cada hora que esté prendido. Al de dos horas la compañía de luz nos cobrará 0.12 kWh. Por lo tanto, cuanto menor sea la potencia de los aparatos que se utilicen, o menor el tiempo que permanezcan encendidos, menor será la cuenta de luz. Los medidores de luz que se encuentran instalados en todas las casas-habitación miden el consumo diario de energía en kilowatts-hora. Por ejemplo, un departamento amplio consume diariamente alrededor de 5 kWh. Las plantas o centrales de energía eléctrica deben ser de mucha potencia para poder satisfacer en todo momento las necesidades de todas las casas. Así, la producción de electricidad depende de la demanda de la población que tiene que satisfacerse. En el Sistema Internacional de Unidades la energía se mide en joules; sin embargo, como es una unidad muy

pequeña, para medir el consumo de energía doméstica se emplea otra unidad, tal vez más conocida: el kilowatthora, abreviado kWh (1 kilowatt-hora =3 600 000 joules). Otra unidad que se mencionó anteriormente es la kilocaloría; 1 kilocaloría = 4 186.8 joules. También se utiliza frecuentemente el BTU (British Thermal Units) con la siguiente equivalencia: 1 BTU =1/9.478X10-4 joules. La unidad de potencia es el watt (véase el recuadro 4) y sus múltiplos: el kilowatt, el megawatt, el gigawatt y el terawatt, abreviados W, kW, MW, GW y TW, respectivamente. Un watt equivale a un joule/segundo, o en forma abreviada 1W = 1J/s. En el cuadro III aparecen las unidades de energía y potencia, cómo se abrevian y su equivalencia. Y en el cuadro IV están los múltiplos y submúltiplos que se utilizan como prefijos en todas las unidades.

Recuadro 4 Sociedad inglesa de lunáticos. Durante la segunda mitad del siglo XVIII existía en Birmingham, Inglaterra, una sociedad llamada Sociedad Lunar, porque sus miembros se reunían el primer lunes posterior a la Luna llena. A la asociación de lunáticos, como se les llamó, pertenecían: James Watt, Erasmus Darwin, Matthew Boulton, John Wilkinson y William Small, entre otros.

CUADRO III. Unidades de energía: conversión. 1 joule = 1 watt·segundo = 1 newton·metro = 1 kilogramo·metro2 / segundo2 1 J = 1 W·s = 1 N·m = 1 kg·m2/s2 = 6.242 x 1018 eV (electrón-volt) = 6.242 x 1012 MeV (megaelectrón-volt) = 107 ergs = 0.2388 cal (calorías) = 2.778 x 10-7 kW·h (kilowatts-hora) = 9.478 x 10-4 BTU (British Thermal Units) = 3.725 x 10-7 hp·h (horse power-hora) = 0.7376 ft·lbf (pies·libras fuerza) Unidades de Potencia: Conversión 1 watt = 1 joule/segundo = 1 kilogramo·metro2/segundo3 1 W = 1 J/s = 1 kg·m2/s3 = 0.001 kW (kilowatts) = 6.242 x 1018 eV/s (electrón-volt/segundo) = 0.001341 hp (Horse Power) = 3413 BTU/h (British Thermal Units/hora)

CUADRO IV. Múltiplos y submúltiplos.

Prefijo Símbolo Potencia Cantidad exa

E

1018

1 000 000 000 000 000 000

peta

P

1015

1 000 000 000 000 000

tera

T

1012

1 000 000 000 000

G

109

1 000 000 000

mega M

106

1 000 000

kilo

103

1 000

100

1

m

10-3

0. 001

micro M

10-6

0. 000 001

nano

n

10-9

0.000 000 001

pico

P

10-12

0.000 000 000 001

femto f

10-15

0.000 000 000 000 001

atto

10-18

0.000 000 000 000 000 001

giga

mili

k

a

3. FORMAS DE ENERGÍA La energía del Universo se manifiesta en diversas formas físicas y químicas: energía cinética y potencial, que en conjunto constituyen la energía mecánica, energía calorífica, electromagnética (eléctrica y magnética), nuclear y química. Cuando hablamos de las formas de energía no nos estamos refiriendo al origen de ésta, sino únicamente al tipo de energía; en cambio, cuando aludimos a las fuentes de energía sí nos referimos a su origen, es decir, de dónde se obtiene. Una fuente de energía como el petróleo produce una forma de energía: calorífica, mecánica, química o eléctrica. También, cuando hablamos de fuentes estamos diciendo implícitamente que se trata de energía aprovechable, es decir, energía que el ser humano puede utilizar para realizar todo tipo de actividades. Existen los siguientes tipos de fuentes de energía según su origen y aprovechamiento: 1) Energía del petróleo, gas y carbón. La energía química se convierte en calor para posteriormente transformarse en electricidad u otras formas de energía. Cuando la energía que proporcionan el petróleo, el gas o el carbón se obtiene en grandes cantidades, se transforma en energía eléctrica a través de las centrales termoeléctricas o carboeléctricas. En el caso de los transportes la energía se transforma en cinética o mecánica (pasando por la energía calorífica o térmica) o bien en energía calorífica cuando se trata de un calentador o una estufa. 2) Energía hidráulica. En ésta se aprovechan las caídas de agua que se originan por la diferencia de altura en un terreno, por lo tanto se trata de energía potencial. La energía hidráulica es energía mecánica, primero potencial, cuando el agua de un río es detenida por la cortina de una presa y se establece una diferencia de altura, y después cinética, cuando se deja caer el agua de la presa. Dicha energía cinética es la que se utiliza para mover un turbogenerador y producir energía eléctrica en las centrales hidroeléctricas. 3) Energía geotérmica. Es la energía calorífica del interior de la Tierra, la cual se transforma en energía mecánica y eléctrica a través de un turbogenerador. 4) Energía nuclear. En ésta, la energía que une a los núcleos de los átomos se transforma en energía calorífica, y ésta, a su vez, en mecánica y eléctrica. 5) Energía solar. En ésta se aprovecha directamente la radiación solar para producir calor o electricidad.

6) Energía eólica. Es la que utiliza la energía cinética de los vientos, que puede aprovecharse como tal o, a su vez, convertirse en electricidad. 7) Energía de la biomasa. Es el aprovechamiento de la materia viva y los desechos orgánicos como combustibles, por lo tanto se trata de energía química, que se pueden transformar en cualquier forma de energía. El caso de la madera es un ejemplo. Existe también una clasificación de las fuentes de energía de acuerdo con su duración. Las fuentes no renovables son aquellas que después de cierto tiempo de explotación acabarán por agotarse. Éste es el caso de los combustibles fósiles, la fisión nuclear y la energía geotérmica. Por otro lado están las fuentes de energía renovables, entre las que se encuentran la solar y la eólica, dado que son fuentes que para todo fin práctico nunca se agotarán.

[Nota 1] 1. De un poema de William Blake.

[Nota 2] 2. 1 MeV = 1.6022 x 10-13

[Nota 3] 3. Comúnmente se menciona en las dietas que se requieren 3 000 calorías, aunque lo correcto es 3 000 kilocalorías; es decir, 3 millones de calorías. Una caloría es la cantidad de calor que se necesita para elevar de 14 a 15 grados Celsius un gramo de agua a la presión atmosférica. 1 caloría = 4.185 joules.

PRIMERA PARTE

I. EL HILO DORADO: LA ENERGÍA SOLAR II. LO QUE EL VIENTO NO SE LLEVÓ III. MATERIA VIVA Y DESECHOS: ENERGÍA DE LA BIOMASA

I. EL HILO DORADO: LA ENERGÍA SOLAR

Al golpe del oro solar, estalla en astillas, el vidrio del mar. J.J. Tablada

I. 1. INTRODUCCIÓN DURANTE siglos, tanto el hombre como los demás seres vivos han aprovechado la energía solar, no sólo como una opción energética sino como fuente de vida, pues sin esa estrella no habría vida en la Tierra. El cuerpo humano produce vitamina D cuando los rayos ultravioleta provenientes del Sol llegan a la piel. La vitamina D es esencial para el crecimiento de los huesos. Nuestro organismo, como necesita alimentos, depende indirectamente de la energía solar, pues ésta es indispensable para que se lleven a cabo las reacciones de la fotosíntesis. De hecho, las plantas pueden almacenar 1% de la radiación solar que les llega. Debido a que todos los seres vivos se alimentan unos de otros, formando una gran cadena alimenticia, toda la flora y la fauna terrestre vive gracias al aprovechamiento directo o indirecto de la energía solar. Prueba de esto es que más de 90% del material orgánico que permite la vida marina, llamado fitoplancton, se halla precisamente en aquellas capas del océano donde llega la luz del Sol. Sin embargo, tal parece que no sabemos aprovechar las ventajas que nos brinda la naturaleza. ¿Cómo sería la vida sin el Sol? La respuesta inmediata es: no habría vida. El invierno nuclear sería poca cosa comparado con un planeta que no recibiera la energía solar. Si queremos mantener las condiciones naturales de vida es necesario que no alteremos mucho el medio, pues dichos cambios pueden volverse en nuestra contra. Entre los casos más conocidos se encuentran los daños provocados por las explosiones nucleares, los materiales no degradables, los contaminantes químicos, los desechos industriales, los cambios en la capa de ozono de nuestra atmósfera, etcétera. Pero esos daños, de los cuales nos mantiene al tanto la ecología, no preocupaban a los hombres del pasado. ¿Hasta qué punto el avance tecnológico se convierte, en algunos casos, en retroceso? La respuesta a esta pregunta depende de muchos factores y mejor la dejaremos abierta, pues aunque por un lado los avances tecnológicos han permitido mejorar las condiciones de vida de la población en general, también han acentuado la pobreza de algunos países. La dependencia tecnológica y la imposición de modelos técnicos importados ocasionan saltos tecnológicos con grandes huecos y deficiencias. Si se quiere satisfacer la demanda de energía que requiere cada habitante del planeta es indispensable buscar fuentes de energía que se puedan mantener a largo plazo. Esa necesidad existe y debe satisfacerse; es necesario solucionar problemas como el pronóstico sobre el agotamiento del petróleo, que comenzara a sentirse a mediados del siglo XXI, cuando las reservas de crudo serán insuficientes para satisfacer la demanda mundial. La acción de una fuente de energía prácticamente inagotable como el Sol se aprecia en muchos fenómenos cotidianos. Si dejamos una manguera expuesta a los rayos solares, al abrir la llave, el agua saldrá en un principio caliente. De hecho, éste es el sistema que emplean los australianos para facilitar el trabajo de lavar los platos después de comer. Otro ejemplo muy conocido es cuando intentamos sentarnos en los asientos de plástico negro de un automóvil que ha estado expuesto a la luz del Sol. ¿Cuántas veces se ha quemado usted? Un experimento sencillo pero ilustrativo para observar el aprovechamiento de la energía solar consiste en concentrar los rayos del Sol en un punto para producir fuego. Esto lo podemos hacer con una lupa, cuando no tengamos a mano cerillos. El punto donde se concentran los rayos de luz se llama foco de la lupa. Pero el experimento podría hacerse más interesante si utilizáramos una lupa de hielo; de esta forma estaríamos produciendo fuego a partir del agua.

En las últimas décadas, la energía solar ha cobrado importancia como fuente energética, puesto que las reservas de combustibles fósiles no son eternas. Esto ha ocasionado que, por ejemplo, sean parecidos los precios de un calentador solar y de uno de gas, lo que no sucedía hace 60 años. Así, con respecto a los costos, los sistemas solares son cada vez más baratos, con la gran ventaja de que el combustible, la luz del Sol, aparece todas las mañanas sin cobrar. Debe quedar claro que la energía solar no constituye ninguna panacea universal de la cual los hombres obtendrán todo lo que necesitan. La energía solar contribuye modestamente como otra posibilidad energética y no se trata de defenderla a ultranza como la única fuente de energía. Un planteamiento realista sería considerarla seriamente como una opción energética con sus deficiencias tecnológicas, sus desventajas económicas actuales y sus ventajas a largo plazo. En nuestro país, que posee regiones con el promedio mundial de insolación o soleamiento anual más alto, el aprovechamiento de la energía solar constituye, sin lugar a dudas, una buena opción. El que esta fuente de energía sea rentable depende de las investigaciones que se realicen, de los recursos económicos destinados a su estudio y del interés que se preste a su desarrollo. Por lo pronto, ya satisface las necesidades energéticas de muchas viviendas, se ha empleado en algunas comunidades que carecen de electricidad y también se han construido algunas plantas de prueba. Pese a lo anterior, actualmente la energía solar no contribuye con ningún porcentaje al consumo energético nacional, aunque ya empieza a contar y es deseable impulsarla.

I.2. UN FOCO CELESTE El Sol es una estrella común y corriente. Esto quiere decir que en el Universo existen millones de estrellas como ésta. Sin embargo, aquéllas se localizan a miles de millones de kilómetros de nuestro planeta y por esta razón, para nosotros no son más que débiles puntos de luz en el firmamento. La estrella más cercana a la Tierra es el Sol, que se encuentra a 149 450 000 km de distancia; nuestra estrella tiene un diámetro de 1 391 000 km, aunque para nosotros no es más que un plato amarillo de unos cuantos centímetros de diámetro. Tiene una masa de 2 X 1030 kilogramos (un dos con treinta ceros), cifra difícil de imaginar para nosotros, que estamos acostumbrados a las masas de los objetos terrestres, pero es 333 veces más pesado que la Tierra. El núcleo del Sol tiene una temperatura de 15 millones de grados Celsius y ésta va disminuyendo hasta llegar a la superficie solar, donde la temperatura promedio es de 5 770ºC, más que suficiente para derretir un automóvil. En el interior del Sol, como en todas las estrellas, se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear. En este tipo de reacciones se unen los núcleos de átomos ligeros, como el hidrógeno y el helio, para formar átomos más pesados y en el proceso se liberan grandes cantidades de energía; la energía que nos envía el Sol es, por lo tanto, de origen nuclear. Dos núcleos de deuterio (isótopo del hidrógeno) se fusionan y transforman en helio; los núcleos de helio, en carbono, y así sucesivamente hasta constituir elementos cada vez más pesados. Actualmente, el Sol está compuesto de 73.46% de hidrógeno y 24.85% de helio (el resto son elementos más pesados). Durante las reacciones nucleares, parte de la masa de las partículas que intervienen se convierte en energía, la cual se puede calcular empleando la fórmula de Einstein E=mc&178; (donde E equivale a la energía, m a la masa y c a la velocidad de la luz, que es igual a 300 000 km/s). De esta forma, el Sol irradia la energía proveniente de la fusión de los núcleos atómicos que lo componen y como lo hace en todas direcciones, una parte nos llega a la Tierra. El Sol existe desde hace 4 600 millones de años y se cree que seguirá viviendo durante un periodo similar; por lo tanto, para cualquier fin práctico, el Sol es una fuente inagotable de energía. La radiación que emite el Sol en todas direcciones, producto de las reacciones nucleares, corresponde a una parte del llamado espectro electromagnético. Cada cuerpo, según sus características intrínsecas, emite un patrón de radiación electromagnética (una forma de radiación característica) que puede identificarse en el espectro electromagnético. En la figura 8 pueden apreciarse las diferentes formas de radiación electromagnética, que dependen de la cantidad de energía que ésta posea. Para nosotros la más común es la luz visible, pero también los rayos X o los rayos infrarrojos constituyen otras formas de radiación electromagnética.

Figura 3. Espectro electromagnético. La radiación electromagnética no es otra cosa que el tipo de partículas o de ondas (en el sentido físico) que nos llega de un cuerpo, en este caso del Sol. Los rayos del Sol están compuestos por diminutas partículas, llamadas fotones que viajan a la velocidad de la luz. En 1905 Albert Einstein propuso una teoría corpuscular en la que señalaba que la luz estaba compuesta de paquetes de energía radiante llamados fotones, término acuñado por G. N. Lewis en 1926. Posteriormente, varios experimentos demostraron que las partículas atómicas, incluidos los fotones, podían presentar patrones de interferencia y difracción, características que corresponden a una onda y no a una partícula. Sin embargo, ¿la luz está compuesta de ondas o de partículas? A finales de la década de los veinte la respuesta la dio la mecánica cuántica, teoría que señala que la luz tiene manifestaciones de partícula y de onda, es decir, tiene una naturaleza dual, de dos; no se pueden excluir ambos conceptos. La luz se comporta como onda o como partícula, según el instrumento que se use para analizarla. En la figura 4 pueden apreciarse las características físicas de una onda de luz. Un ejemplo cotidiano de una onda lo podemos observar en el movimiento que se produce en el agua de un estanque cuando se tira una piedra al centro de éste; se formarán una serie de anillos concéntricos que se harán cada vez más grandes, hasta llegar al borde del estanque. Aquí debe señalarse que las ondas de luz, a diferencia de las de un estanque, se pueden propagar en el vacío, cosa que no sucede con las ondas de un estanque, porque requieren de un medio para propagarse. La luz se comporta como una serie de partículas en movimiento o como una onda transversal que se propaga en diferentes materiales o en el vacío.

T - periodo = tiempo en que la onda completa un ciclo v-

frecuencia =

= número de ciclos por segundo

λ - longitud de onda =

distancia que hay al completar un ciclo o entre cresta y cresta o entre valle y valle

C - λv C - Velocidad de la luz = 300 000 km/s. λ - longitud de la onda de luz v - frecuencia de la onda de luz

Figura 4. Características físicas de una onda de luz. El tipo de radiación electromagnética dependerá de las características físicas que posean los fotones. La energía contenida en los rayos del Sol se calcula a partir de la fórmula de Planck, E= hv, donde E es la energía de los fotones, h es la constante de Planck, que equivale a 6.625 x 10-34 Js, y la letra griega v es la frecuencia a la que oscilan los fotones o la frecuencia de las ondas de luz. De esta fórmula se desprende que hay fotones que poseen gran cantidad de energía (como los rayos gamma) y otros que son menos energéticos (los rayos infrarrojos, por ejemplo). Esto se traduce en que hay fotones que ni siquiera pueden atravesar la atmósfera terrestre, mientras que otros cruzan los tejidos blandos del cuerpo y chocan únicamente con los huesos: estos últimos constituyen los rayos X, que se utilizan para tomar radiografías. Una característica común que comparten todos los fotones es que viajan a una velocidad constante en el vacío: a la velocidad de la luz, que es la más alta que existe en el Universo. Una propiedad curiosa de estas partículas es que un fotón en reposo tiene una masa igual a cero. A pesar de que la velocidad de la luz es muy grande, un rayo del Sol tarda aproximadamente ocho minutos en llegar a la Tierra. En la vida cotidiana, sin embargo, la luz de un foco parece que nos llega instantáneamente. (Por ejemplo, la luz de un foco colocado a 1 m de distancia, tarda 0.33X10-8 s.) Los rayos que provienen del Sol traen consigo fotones de características diferentes (rayos gamma, rayos ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos y ondas de radio) y estos constituyen el espectro del Sol. En la figura 5 puede apreciarse cómo gran parte de la radiación solar (el 90% aproximadamente) está constituida por rayos infrarrojos y luz visible.

Figura 5. Espectro del Sol. Fuera de la atmósfera, la radiación solar está constituida por 7% de rayos ultravioleta, 47% de radicación visible y 46% de rayos infrarrojos. En la superficie, en condiciones ideales (cielo despejado y a nivel del mar) los porcentajes son: 4% de ultravioleta, 46% de visible y 50% de infrarroja. La curva corresponde a la radiación de cuerpo negro a aproximadamente 6 000º K.

1.3. DE LOS ESPEJOS DE ARQUÍMEDES A LOS HORNOS SOLARES Según narran los antiguos historiadores, en el año 212 a. C., a petición del rey Herón, Arquímedes quemó las naves romanas que sitiaban la ciudad de Siracusa. Para llevar a cabo tal hazaña, Arquímedes utilizó varios espejos planos o tal vez escudos reflejantes que en conjunto formaban un gran espejo cóncavo, pues en esa época ya se utilizaban espejos pulidos de plata y cobre para concentrar la luz del Sol. Un espejo cóncavo sería, por ejemplo, el que tiene el faro de un automóvil. Este tipo de espejo, cuando posee la forma de un paraboloide de revolución, tiene la propiedad de que todos los rayos luminosos que inciden sobre él desde cualquier dirección se concentran en un punto: el foco del espejo. De esta forma, mediante la concentración de la energía de los rayos solares se logra alcanzar altas temperaturas y, quizá, como Arquímedes, incendiar grandes objetos. También Euclides, en sus trabajos de óptica, menciona que es posible obtener temperaturas elevadas mediante un espejo cóncavo, y Filón de Bizancio aprovechó el calor del Sol en un termoscopio (antecedente del termómetro), que consiste en un termómetro rudimentario, que indica la diferencia de temperatura sin precisar su magnitud. Durante el Renacimiento, el ingeniero francés Salomón de Caus construyó una bomba de agua con un motor inventado por él, cuya fuerza motriz provenía de vapor calentado por los rayos solares. En un texto, escrito en 1615, describe dos sistemas que funcionaban con energía solar: una fuente y una estatua sonora. Esta última estaba hueca y contenía dos tubos de órgano; cuando el aire se expandía debido al calor solar, la estatua empezaba a cantar. En los siglos XVII y XVIII se construyeron los primeros hornos solares; aproximadamente en 1690, en Dresde, Alemania, E.W. von Tschirnhausen construyó un horno solar con un espejo cóncavo parabólico de 1.6 m de diámetro para cocer el barro utilizado en la producción de objetos de cerámica. También construyeron hornos solares Jorge Luis Leclerc, conde de Buffon, escritor y naturalista francés, y los ópticos franceses A. J. Fresnell y Villette. En 1774, el científico inglés Joseph Priestley descubrió nada menos que el oxígeno (aunque no le dio ese nombre), concentrando los rayos solares sobre lo que llamaba cal de mercurio (hoy óxido de mercurio), con una lente de 0.30 m de diámetro; al gas desprendido lo llamó aire desflogisticado. Posteriormente, A. L. de Lavoisier, a partir de este hallazgo dio el nombre de oxígeno a ese gas y formuló la teoría de la combustión, demostrando que el oxígeno es un componente del aire. Además, construyó un horno solar con una lente de más de 1 m de diámetro que alcanzaba temperaturas de 1 700º C, en el que se podía fundir platino. El primer diseño de un colector plano para aprovechar el calor solar fue concebido en la segunda mitad del siglo

XVII por el naturalista suizo Horace de Saussure. Éste consistía en una caja perfectamente sellada con varias capas de vidrio. Los astrónomos J. Herschel y J. Langley, así como el ingeniero C. Tellier también fabricaron varios colectores, en los cuales trataron de perfeccionar el diseño de Saussure. En el siglo XIX, el clérigo escocés Robert Stirling construyó un motor de aire caliente con un pistón que, acoplado a un espejo parabólico, empezaba a girar cuando los rayos solares se concentraban en el extremo exterior del pistón y se alcanzaba una temperatura adecuada. Otro gran pionero de la energía solar fue el inventor sueco John Ericsson, quien también construyó un motor de aire caliente. El interés de Ericsson por la energía solar lo llevó a instalar un laboratorio dedicado a la investigación solar en la ciudad de Nueva York. En 1868 diseñó un espejo rectangular de 2X3.5 m de sección parabólica y sobre la línea focal de la parábola colocó un tubo por el que circulaba aire; al concentrar los rayos solares en la línea focal, el aire se calentaba y proporcionaba el calor necesario para que trabajara una máquina de vapor. Ericsson había construido un motor solar. Además, diseñó varios instrumentos para medir la radiación y otras propiedades físicas del Sol, útiles para el aprovechamiento de este tipo de energía. Un detalle curioso es que Ericsson no quiso patentar ni comercializar sus motores solares hasta que no se hubieran perfeccionado, por lo cual dejó muchos inventos sin patente. En 1860, con el apoyo de Napoleón III, Augusto Mouchot construyó un colector solar en forma de cono truncado de 2.2 m de diámetro, que se utilizó primero en una caldera y posteriormente en una planta para bombear agua. En la Exposición Mundial de París, celebrada en 1878, Mouchot exhibió una estufa solar y un motor solar que empleaba su colector. También en la Exposición Mundial que se realizó en el Palacio de las Tullerías, Mouchot y Abel Pifre llevaron un motor solar integrado a la prensa de una imprenta. Más tarde, en esta imprenta se editaría la revista Le Journal du Soleil. Hasta entonces se había probado que cualquier máquina térmica podía funcionar mediante la energía solar; sin embargo, ¿podía convertirse directamente esta energía en electricidad? En 1839, Edmund Becquerel (abuelo de Henry Becquerel, el descubridor de la radiactividad natural) mientras trabajaba con celdas electrolíticas observó que al iluminar uno de los electrodos se producía un voltaje y así descubrió el efecto fotovoltaico, es decir, la conversión directa de luz en electricidad. Cincuenta años después, W. Smith encontró que el selenio (elemento derivado del mineral de cobre) tenía propiedades fotovoltaicas; Charles Fritts construyó las primeras celdas solares de selenio, y en 1878 G. W. Adams y R. E. Day observaron el efecto fotovoltaico en un semiconductor de selenio. En 1905, Albert Einstein, partiendo del concepto de cuanto, propuesto en 1900 por Max Planck, propuso que la luz está compuesta de cuantos o paquetes de energía y explicó satisfactoriamente otro efecto, llamado fotoeléctrico, que se presenta en los metales. Con esto, se daban las bases que llevarían a Niels Bohr, Max Born, Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Edwin Schrödinger, P.A.M. Dirac y Wolfang Pauli, entre otros, a establecer alrededor de 1930 la mecánica cuántica. En el efecto fotoeléctrico, cuando la luz llega a metales como el platino o el cesio, los electrones pueden empezar a moverse, y si los fotones de los rayos de luz tienen frecuencias y energía apropiadas, hacen saltar a los electrones de la superficie iluminada y se genera una corriente eléctrica. Sin embargo, durante muchos años nadie se ocupó de mejorar las celdas solares. Tuvieron que pasar casi ochenta años para que Gordon Pearson, Darryl Chapin y Calvin Fuller, investigadores de los Laboratorios Telefónicos Bell, utilizaran silicio con impurezas en lugar de selenio para fabricar las celdas solares como una solución para tener una fuente de energía en las instalaciones telefónicas de las áreas rurales. Así surgieron las primeras celdas solares que tenían una eficiencia de 15%. Una de las desventajas era su costo, que las hacía inaccesibles. Por esto, cuando se empezaban a olvidar las celdas solares, a la NASA se le ocurrió que la fuente más indicada para los satélites espaciales serían las celdas solares y dedicó mucho tiempo y dinero para perfeccionarlas y producirlas. Las celdas solares están constituidas de una unión de materiales semiconductores tipo n y tipo p, en las que se presenta el efecto fotovoltaico. La primera aplicación a mediana escala de la energía solar se dio en una planta desalinizadora, construida en el desierto de Atacama, en Las Salinas, Chile. Ésta tenía un área de captación de media hectárea; proporcionaba 20 mil litros de agua potable al día para una mina de nitrato de sodio y funcionó ininterrumpidamente de 1872 a 1912. A principios de este siglo se construyeron varias plantas solares de baja potencia. En 1913, Franck Shuman y C. V. Boys hicieron una máquina termosolar de 50 caballos de vapor, que se usaba en la planta de El Cairo, para extraer agua del río Nilo e irrigar la zona.

A pesar de estas contribuciones, durante la primera mitad del siglo XX, el aprovechamiento de la energía solar permaneció en el desván del olvido debido a que, entre otras razones, los dispositivos solares no podían competir con las máquinas que empleaban combustibles fósiles como el petróleo, el gas y el carbón. En 1949 las actividades en torno al aprovechamiento de la energía solar empezaron nuevamente a prosperar. Se construyó el primer gran horno solar en Mont Louis, cerca de Odeillo, Francia, bajo la dirección de Félix Trombe y en la década de los años sesenta se fabricó el famoso horno solar de Odeillo, que aprovechaba la fachada de un edificio para formar un gran espejo parabólico para concentrar los rayos solares en otra construcción cercana. En el foco de esta original construcción se alcanzan temperaturas de 4 000º C. En Natick, Massachusetts se construyó en la década de los cincuenta un espejo de grandes dimensiones que concentra los rayos solares en el foco de la parábola y que alcanza temperaturas de 4 400º C, suficiente para derretir acero. En este espejo se hacen pruebas de calor para conocer las resistencias de diversos materiales destinados a proteger al ejército estadounidense. En Baristow, California, se tiene una planta con 1 800 espejos que concentran el calor del Sol en una torre central de 90 m de altura. Ahí, un fluido como el agua, el aceite o las sales fundidas se emplea para producir vapor de agua y mover un turbogenerador. La central solar de Baristow produce 10 MW (megawatts). En Francia se encuentra la central electrosolar Themis, que genera 2.5 MW. Esta planta tiene 201 heliostatos o espejos de 53 m² orientados a una torre de 101 m que en la parte superior posee una caldera en la que se funden sales, mismas que se aprovechan para generar vapor, como se había mencionado anteriormente, y producir energía eléctrica. Las sales tienen la ventaja de que almacenan el calor. Finalmente, el Instituto de Ingeniería de la UNAM tiene una pequeña planta solar con colectores cilíndrico-parabólicos que siguen el movimiento del Sol, con una capacidad de 10 a 15 kilowatts; en esta planta se emplea aceite como fluido de trabajo para calentar agua y producir vapor.

I.4 ¡O SOLE MIO! Antes de tratar lo referente al aprovechamiento de la energía solar se deben entender algunos conceptos fundamentales; en primer lugar, ¿qué se entiende por energía? La energía puede definirse como la capacidad que tiene un cuerpo o sistema de realizar trabajo; entendido este último como producto de la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo, multiplicada por la distancia que se recorre aplicando dicha fuerza. Esta relación se expresa matemáticamente de la siguiente manera: W = F·d (donde W = trabajo, F = fuerza y d = distancia). Dicha definición de trabajo sólo es válida cuando la fuerza aplicada y la distancia recorrida están en la misma dirección; cuando no es así, el trabajo es igual al producto de la componente o proyección de la fuerza sobre la dirección en la que se mueve el objeto por la distancia recorrida. Matemáticamente esto equivale a W = F·d·cos θ (donde θ es el ángulo que forman la fuerza con la dirección de movimiento del objeto). Si elevamos a una persona que pesa 60 kg en condiciones ideales (esto es, sin fricción) a una altura de 10 m, y aplicamos la fuerza en la misma dirección en la que movemos a la persona, el trabajo realizado será: W F·d = m·g·d = (60) (9.8) (10)= 5 800 joules (donde m es la masa y g la aceleración de la gravedad, que en nuestro planeta es igual a 9.8 m/s²). Por tanto, para elevar a una persona con una masa de 60 kg a una altura de 10 m se necesita una energía de 5 880 joules. Pero si quisiéramos elevarla a una altura de 20 m se necesitaría el doble de energía para realizar ese trabajo. En nuestro ejemplo, el trabajo lo realiza una persona; sin embargo, el desarrollo de la tecnología ha permitido que sea una máquina la que lo lleve a cabo. Primero fue una carreta y un caballo, después el ferrocarril, el automóvil, el camión, el avión, etcétera. El desarrollo tecnológico ha permitido que el hombre descargue cada vez más trabajo en las máquinas; sin embargo, al igual que el hombre, las máquinas requieren de una fuente que proporcione la energía necesaria para realizar cualquier tipo de trabajo. En el ser humano, la fuente de energía son los alimentos; en el caso de las máquinas existen diferentes fuentes de energía, entre las que se encuentra el Sol. Está claro que el hombre y cualquier máquina requieren de una fuente de energía para realizar cualquier trabajo. Sin embargo, la eficiencia con la que se realiza éste nunca podrá ser de 100%, dado que la naturaleza ha impuesto su ley: todo sistema que realice un trabajo siempre tendrá pérdidas de energía calorífica, que se manifiestan de diversas formas: por ejemplo, la fricción de las ruedas en el pavimento, el rozamiento de un pistón en un motor, la

transpiración del cuerpo humano, etcétera. Por lo tanto, una parte de la energía empleada para realizar un trabajo se transforma inevitablemente en energía calorífica y por ello la eficiencia de cualquier máquina térmica nunca será de 100 por ciento. En los sistemas de conversión de energía, por ejemplo en una presa, la eficiencia se define como el cociente de la energía útil que se extrae del sistema, dividida entre la energía que entra al mismo. Como la primera siempre será menor que la segunda, la eficiencia de conversión de cualquier máquina, planta, central o dispositivo siempre será menor que 1 o, expresado en porcentajes, menor que el 100 por ciento. Otro concepto fundamental que ya habíamos mencionado es el de potencia, que se define como la rapidez con la que se realiza un trabajo; o en otras palabras, la energía consumida por unidad de tiempo. La figura 6 muestra la potencia máxima que pueden desarrollar diferentes máquinas utilizadas durante los últimos 200 años. Como puede apreciarse, en este sentido el buey es superior al hombre.

Figura 6. Potencia de diferentes máquinas. (Tomado y adaptado de Scientific American, La energía, Alianza Editorial, num. 561, Madrid, 1975.) Ya mencionamos que las unidades de energía que se utilizan comúnmente son los kilowatts-hora; asimismo, las de potencia son los kilowatts. Los rayos del Sol proporcionan energía radiante o radiación y como se había explicado antes, no es otra cosa que una onda electromagnética o millones de fotones de diferentes frecuencias. Para medir la cantidad de energía que llega del Sol se emplea como unidad el watt-hora y para conocer la potencia de dicha radiación se usa el watt. Sin embargo, en el caso del aprovechamiento de la energía solar, lo que interesa es la cantidad de energía por unidad de tiempo y por unidad de área que llega perpendicularmente a la superficie terrestre. Esta cantidad se denomina irradiancia, intensidad de la radiación, soleamiento o insolación y las unidades para medirla son los watts/m² y el langley/día. La Tierra gira alrededor del Sol en un movimiento que se denomina traslación y que realiza durante un año. La trayectoria que describe nuestro planeta es una elipse que se acerca a una trayectoria circular; el Sol se encuentra en uno de los dos centros de esta elipse, denominados focos. El movimiento de la Tierra y de la mayor parte de los planetas tiene lugar en un plano, llamado eclíptica. Como el Sol está en uno de los focos de la elipse, nuestro planeta está más cerca del Sol en una época y más lejos en otra. La Tierra alcanza su máxima aproximación al Sol cuando se encuentra a 1.45 x 108 km, posición llamada perihelio, a la que llega hacia el 4 de enero de cada año. A partir de ese punto se va alejando del Sol, hasta que, hacia el 5 de julio de cada año, alcanza la posición más separada, su afelio, a 1.54 x 108 km de distancia. Pero nuestro planeta no sólo se mueve alrededor del Sol, sino que gira en torno a un eje imaginario, en un movimiento que se llama rotación. El eje de rotación de la Tierra no es perpendicular al plano de la eclíptica, sino que forma un ángulo de 23.45º.

Si medimos el ángulo que forman los trópicos de Cáncer y de Capricornio con respecto al ecuador, desde el centro de la Tierra, el primero será de + 23.45º y el segundo de - 23.45º. Esta inclinación del eje de la Tierra con respecto al plano de la eclíptica es lo que ocasiona fundamentalmente las estaciones y, por lo tanto, la cantidad de radiación que recibimos del Sol, en cada caso. En el solsticio de invierno, el 21 de diciembre4, los rayos solares llegan al Hemisferio Norte durante menos tiempo, porque es el día más corto del año, y el Sol se encuentra al mediodía en el punto más bajo del cielo; en consecuencia, en el día el soleamiento es mínimo. En el Hemisferio Sur ocurre lo contrario. Posteriormente, el 21 de marzo, en el equinoccio de primavera, cuando el día y la noche duran lo mismo, el soleamiento es igual en ambos hemisferios y el Sol al mediodía cae verticalmente sobre el ecuador, pero el eje de rotación de la Tierra forma un ángulo de 23.45º con respecto a la perpendicular del plano de la eclíptica y, por lo tanto, este plano imaginario corta a la Tierra formando un ángulo también de 23.45º respecto al ecuador. En el solsticio de verano, que ocurre el 22 de junio, los rayos solares llegan al Hemisferio Norte durante más tiempo, porque es el día más largo del año y el Sol alcanza el punto más alto en el cielo; éste es el caso México. Por lo tanto, en el Hemisferio Norte en ese día ocurre el soleamiento máximo. En el Hemisferio Sur ocurre lo opuesto. Finalmente, el 22 o 23 de septiembre, en el equinoccio de otoño, se repite la misma situación que en el equinoccio de primavera, día y noche duran lo mismo en ambos hemisferios y el soleamiento es intermedio entre los puntos máximo y mínimo (solsticios de verano e invierno en el Hemisferio Norte, o al contrario en el Sur) y el eje de la Tierra forma un ángulo de 23.45º con respecto al ecuador. En la figura 7 se muestra en forma gráfica cada uno de los cuatro casos.

Figura 7. Radiación solar durante los solsticios y los equinoccios. Para comprender mejor cómo llegan los rayos solares en los equinoccios y los solsticios, en la figura 8 se muestra la trayectoria aparente del Sol en las cuatro situaciones, vista desde la latitud de la ciudad de México o de Colima.

Figura 8. Trayectoria del Sol desde una latitud de 16º N como la de la ciudad de México o la de Colima, durante los solsticios y los equinoccios. (Tomado de: Everardo Hernández et al., Atlas de la República Mexicana, Universidad Veracruzana, 1991.) Cuando los rayos de Sol llegan perpendicularmente a una superficie es cuando puede aprovecharse la mayor cantidad de radiación; por eso, la cantidad de radiación que recibe nuestro planeta depende de la inclinación de los rayos solares. La radiación que llega a la Tierra es variable y dichos cambios deben conocerse para saber la cantidad de radiación que puede aprovecharse en cada lugar del planeta. En otras palabras, la radiación solar no es constante sino que cambia según las estaciones del año, las condiciones atmosféricas y la latitud de cada región. Pese a lo anterior, para todo fin práctico se considera que en el límite superior de nuestra atmósfera llega una cantidad de radiación promedio por unidad de tiempo por cada m², que se denomina constante solar. El valor de esta constante es igual a 1 367 watts/m². Esto quiere decir que en el borde de la atmósfera, a cada m² le llegan 1 367 watts de potencia solar. Si consideramos la mitad de la superficie de la Tierra (debido a la noche) se tendría una energía de 1.7 X 1017 watts-hora cada 60 minutos de Sol, cantidad muy superior a la energía eléctrica que se genera en todo el mundo a lo largo de un año (7 X 1015 Wh). Sin embargo, la atmósfera y la eficiencia de los sistemas solares ocasionan que esta cantidad sea mucho menor (2.16 X 1020 Wh/ año). La Tierra tiene una atmósfera cuyo límite se fija convencionalmente a 2 000 km de altura sobre la superficie y está compuesta de las siguientes capas: troposfera, estratosfera, ionosfera y exosfera. Ésta funciona como un gran invernadero, que guarda parte del calor proveniente del Sol; el efecto de invernadero permite que la temperatura terrestre no sea la de un témpano de hielo. Sin embargo, el efecto invernadero también puede provocar un calentamiento global del planeta, lo cual ocasionaría daños ecológicos. Para entenderlo se debe mencionar que cuando la radiación llega a un objeto, éste la absorbe y a su vez emite una radiación en forma de ondas electromagnéticas que no necesariamente tiene la misma longitud de onda. El Sol emite una radiación caracterizada por el espectro solar. Esa radiación es absorbida por el sistema atmósferaTierra. Dicho sistema atmósfera-Tierra se calienta y a su vez emite una radiación de características diferentes a la absorbida. A pequeña escala, si los rayos solares llegan a un invernadero, el vidrio o los vidrios dejan pasar la longitud de onda corta, y el suelo y las plantas absorben esa radiación, pero, a su vez, emiten una radiación de longitud de onda larga. Esta radiación de onda larga no puede salir porque el vidrio no deja pasar esa radiación. Así, como el calor no puede salir se eleva la temperatura en el interior del invernadero. En nuestra atmósfera ocurre un efecto similar. Para saber cuál es la cantidad de radiación que llega a la superficie de nuestro planeta y no sólo a la frontera de la atmósfera, debe hacerse un análisis global de los diferentes procesos físicos y químicos que tienen lugar desde que la radiación solar atraviesa la atmósfera hasta que llega a la superficie terrestre. Este proceso global se llama balance energético de la radiación solar.

Hacer un balance preciso de la radiación solar resulta una tarea compleja. Hasta ahora sólo se han hecho aproximaciones. Por otro lado, la radiación solar que recibe cada punto de la Tierra varía, dependiendo de la radiación directa y difusa que reciba. Por ello, hablar de un balance global resulta una aproximación de la radiación promedio anual que recibe la superficie terrestre, aunque permite darse una idea de lo que sucede. Solamente 47% de la radiación solar que absorbe nuestra atmósfera llega a la superficie terrestre; 31% directa y 16% indirectamente, como radiación que se difunde en la atmósfera y se denomina, por ello, radiación difusa. Por otro lado, la radiación solar que se desaprovecha se divide en los siguientes porcentajes: 28% se va al espacio exterior por reflexión en la capa superior de la atmósfera, 6% se pierde por difusión de aerosoles5, 7 % se refleja en el suelo terrestre y 17% lo absorben las distintas capas de la atmósfera. La suma de estas pérdidas da un total de 53 por ciento (véase figura 9).

Figura 9. Balance energético de la radiación solar para longitudes de onda corta ( 4mm). Por lo tanto, en los diferentes dispositivos solares se puede aprovechar, en promedio, 47% de la radiación que llega fuera de la atmósfera. Pero esto sólo ocurre con la radiación solar de onda corta (menor de 4 micrómetros). La Tierra absorbe esa radiación (47%), pero a su vez emite radiación de onda larga, tal y como ocurre en un invernadero. Posteriormente, de esa radiación de onda larga (mayor de 4 micrómetros) que emite nuestro planeta, 18% sale de la atmósfera. De esa manera, únicamente 29% (47-18=29%) de la radiación total absorbida queda en nuestro planeta. En la figura 9 se muestra este balance energético. El aprovechamiento de la energía solar se refiere a la conversión directa de la radiación solar en calor y en electricidad, llamadas conversión fototérmica y fotovoltaica, respectivamente. La energía solar es la causa indirecta de que pueda aprovecharse la energía que proporcionan las plantas y los animales, mejor conocida como biomasa. También al Sol se deben los movimientos de las diferentes masas de aire que ocasionan los vientos; así, la energía eólica o de los vientos es indirectamente energía solar. Además, el depósito de organismos que alguna vez estuvieron vivos en las capas de la corteza terrestre no es otra cosa que los componentes del petróleo y el carbón. De esa manera, los combustibles fósiles son también indirectamente producto de la energía solar. Finalmente, la energía hidroeléctrica proviene de una enorme máquina térmica, cuyo combustible es precisamente la energía solar. Cuando los rayos del Sol calientan el agua de la Tierra se produce vapor de agua; éste se eleva formando nubes; ahí, el vapor de agua se condensa y se precipita, lo que aumenta el nivel de agua de, por ejemplo, una presa. Como se mencionó antes, los movimientos de rotación y traslación de la Tierra hacen que varíe la cantidad de radiación que recibe el planeta. Así, para conocer la radiación por unidad de tiempo por unidad de superficie que recibe un lugar determinado de la Tierra, deben conocerse varios parámetros como la latitud y la longitud geográficas, la altura sobre el nivel del mar, la concentración de vapor de agua y la concentración de bióxido de carbono en la atmósfera. La medición de estas variaciones ha permitido hacer un mapa mundial de la radiación mensual que reciben diferentes lugares de la Tierra (véase figura 10). Por ejemplo, la latitud y la longitud de Ciudad Universitaria en el Distrito Federal, es 19º20' Norte y 99º11' Oeste y el promedio de radiación anual por día

en el año de 1966 fue de 5.278 kWh/ m². Esto quiere decir que en promedio cada m² de Ciudad Universitaria recibió ese año 5.278 kWh por día. Si esa energía pudiera aprovecharse sería suficiente para satisfacer el consumo de electricidad de un departamento común.

Figura 10. Radiación total mundial (durante el mes de julio de 1966.) (Tomado y adaptado del Solar Energy, Universidad de Wisconsin, julio, 1966.) En la figura 11 se muestra un mapa de soleamiento o insolación para la República Mexicana y cada una de las líneas corresponde a los lugares que reciben la misma cantidad de radiación. Como puede apreciarse, los estados de Sonora y Baja California son los que reciben anualmente mayor cantidad de Sol. Por otro lado, cabe señalar que la ciudad de México se encuentra entre las cinco ciudades del mundo que reciben mayor cantidad de radiación solar.

Figura 11. Radiación solar en la Republica Mexicana. (Tomado y adaptado de Alternativas Energeticas, Alonso C., A y Rodríguez V., L; datos de Galindo, I. Y Chávez A.)

1.5. ¿CÓMO SE APROVECHA TANTO SOL? Los principales sistemas y dispositivos solares pueden clasificarse no sólo como fototérmicos y fotovoltaicos, sino también conforme a su temperatura de operación. En los fototérmicos, la temperatura puede ser baja, intermedia o alta. También pueden clasificarse de acuerdo con su uso en viviendas, industrias, en el campo o en la ciudad, para satisfacer la demanda de energía del país o en comunidades rurales (sistemas de generación de energía centralizados o descentralizados).

En la figura 12 se muestran algunos de los sistemas y dispositivos solares más utilizados de acuerdo con la clasificación anterior.

Figura 12. Diferentes dispositivos y tipos de sistemas solares. 1.6. COLECTORES PLANOS Y TUBULARES El calor se transmite siempre de los cuerpos calientes a los fríos, y nunca de manera inversa. Existen tres formas de transmitir el calor: por radiación, por convección y por conducción. Para comprender mejor las diferentes formas de transmisión del calor, veamos un ejemplo cotidiano. Si tomamos el Sol en la playa y pasan algunas horas observamos que nuestra piel se quemó; el Sol emite energía radiante compuesta de fotones u ondas electromagnéticas. Dicha radiación atraviesa la atmósfera y llega —en un día despejado al nivel del mar— a la superficie como 4% de rayos ultravioleta, 46% de radiación visible y 50% de rayos infrarrojos. Cualquier cuerpo al que le llegue radiación tiene la propiedad de absorberla, produciendo calor que a su vez ocasiona que se eleve la temperatura. Volviendo al caso de nuestro cuerpo, éste absorbe la radiación solar y una de las formas en que ésta se manifiesta es en los rayos ultravioleta que queman la piel. Si nos levantamos rápidamente, huyendo del calor excesivo, notaremos que una brisa nos refresca un poco. Los vientos se originan por las diferencias de temperatura que existen entre distintas capas de la atmósfera y por la rotación de la Tierra, y así se crean corrientes de aire llamadas de convección, a través de las cuales el calor se distribuye en la atmósfera terrestre. La transmisión por convección ocurre también en líquidos, por ejemplo cuando hervimos agua. Por lo tanto, si seguimos con el ejemplo anterior, nuestro cuerpo (que está más caliente) habrá transmitido parte de su calor a la corriente de convección de la brisa y como resultado final percibimos menos calor. Si caminamos descalzos sobre la arena nos percataremos rápidamente de la conducción del calor: tendremos que correr para no quemarnos las plantas de los pies, debido a la transmisión de calor por conducción de la arena a nuestros pies. En los sistemas solares fototérmicos se deben aprovechar al máximo estas formas de transmisión de calor o, visto de otra manera, tienen que evitarse las pérdidas de calor por estas tres formas de transmisión. Entre los sistemas que convierten la energía solar en calor aprovechable se encuentran los colectores planos y tubulares, que se utilizan principalmente para el calentamiento de agua o aire. El principio general de funcionamiento de un colector es el llamado efecto invernadero; aquí hay que recalcar que nuestra atmósfera opera como un gran invernadero. Como se dijo anteriormente, cuando la luz pasa a través de una o varias capas de vidrio u otro material transparente se transmite la radiación que tiene una longitud de onda corta. Si en el interior de un sistema con un vidrio perfectamente aislado del exterior se coloca un material pintado de

negro (el color que absorbe mayor cantidad de radiación) para que absorba al máximo la radiación, el material absorberá la radiación solar, se calentará y se elevará la temperatura; posteriormente, ese material emitirá a su vez radiación de longitud de onda larga, como los rayos infrarrojos lejanos a la parte visible del espectro. La radiación emitida dependerá de la temperatura que posea el material.6 Pero como la radiación es ahora de longitud de onda larga no podrá atravesar la capa de vidrio, quedará atrapada en el interior y, en consecuencia, provocará que la parte interna del colector esté a una temperatura más elevada que el exterior, tal y como sucede al entrar a un invernadero. Si en el interior de una caja, con uno de sus lados de vidrio, se coloca una serie de tubos que conduzcan adecuadamente el calor y por los que circule agua, se obtendrá agua calentada por el Sol. Asimismo, el color que poseen los objetos está directamente relacionado con la absorción, reflexión y transmisión de la radiación solar. Por ejemplo, las hojas son verdes porque de todos los rayos que reciben, únicamente reflejan aquellos cuya longitud de onda corresponde al color verde; el resto de radiación visible que tiene otras longitudes de onda es absorbida por la hoja. Una hoja de papel blanco, en cambio, refleja la radiación de todas las longitudes de onda que le llegan y por eso la vemos blanca. En contraposición con el blanco, el color negro absorbe todas las longitudes de onda. En la Parte I del Libro III de la Óptica, Newton se refiere a dicho fenómeno como sigue: "¿Acaso la luz no engendra calor en los cuerpos negros con mayor facilidad que con los de otros colores, debido a que al incidir sobre ellos no se refleja hacia afuera, sino que, penetrando en ellos, se refracta y refleja muchas veces en su interior hasta que se absorbe y pierde? [se refiere a la emisión de calor]". La combinación del efecto invernadero, la absorción de radiación de los objetos negros y el aislamiento para evitar las pérdidas de calor constituyen los principios físicos fundamentales para comprender el funcionamiento de un colector plano o tubular. Existen tres tipos de colectores: planos, tubulares y de concentración. Los colectores planos funcionan a bajas temperaturas, entre 80 y 60ºC, y se utilizan principalmente para calentar o enfriar agua y aire en las casas, pero también para secar granos, obtener agua potable, en albercas, lavanderías, baños públicos, embotelladoras, refrigeración, etcétera. Los colectores planos tienen una eficiencia del 40 al 65% y hasta ahora son los dispositivos solares más desarrollados y utilizados en el mundo. Sin embargo, para obtener temperaturas más altas, entre 60 y 165ºC, se utilizan los colectores tubulares. Éstos consisten en dos o tres tubos, dos interiores de metal y uno exterior de vidrio, generalmente concéntricos. Entre el tubo de vidrio y el tubo metálico externo, que debe ser negro (y puede ser de cobre) se hace el vacío (véase figura 13), ya que la forma tubular permite que los tubos soporten grandes presiones, así como captar la mayor cantidad de radiación solar. Debe señalarse que se hace el vacío para reducir las pérdidas de calor por conducción y convección, con lo cual se consiguen temperaturas más elevadas. El resultado final es que en los colectores tubulares la pérdida de calor por convección y conducción se reduce considerablemente, la temperatura de operación aumenta y su eficiencia real oscila entre 60 y 70%. Los colectores planos y tubulares tienen la ventaja de que funcionan tanto con radiación difusa como directa. Los colectores de concentración, por su parte, reúnen la radiación solar en un punto o una línea y permiten alcanzar altas temperaturas; pueden estar fijos o seguir el movimiento del Sol (éstos se describirán más adelante).

Figura 13. Colectores tubulares. I.7. EL CALENTADOR SOLAR Tal vez la aplicación más sencilla y económica que tienen los colectores planos sea el calentador solar con tanque de almacenamiento. Los colectores planos deben orientarse hacia el sur en el Hemisferio Norte (como es el caso de México). A partir de cálculos complejos de la radiación máxima que recibe una superficie inclinada, en los que intervienen consideraciones teóricas y empíricas, la máxima captación de un colector plano se logra cuando el ángulo de inclinación es aproximadamente igual a la latitud geográfica del lugar. Esto permite lograr una incidencia máxima en todas las épocas del año. En el caso de la ciudad de México, un colector debe tener una inclinación de 19º. Una segunda aproximación demuestra que en verano la inclinación del colector debe ser igual a la latitud del lugar menos 10º y, en invierno, la latitud del lugar más 10º. Para la capital esto equivale a 9º en verano y 29º en invierno. Para construir un colector plano puede usarse una caja de aluminio anodizado (para reducir costos, la tapa posterior de la caja puede ser de aluminio común). La caja del colector debe tener una superficie aproximada de 1.5 m² y 10 cm de espesor (véase la figura 14).

Figura 14. Colector plano para un calentador solar. La tapa superior del colector, por donde llegan los rayos solares, puede ser de vidrio o de fibra de vidrio y tener una segunda capa de vidrio, colocada aproximadamente a 7.5 cm de la base. La caja debe estar perfectamente sellada para evitar pérdidas de calor y el deterioro de los materiales, y tener dos salidas de agua. En el interior lleva una lámina con tubos soldados pintados de negro (por ejemplo, cromo negro electrodepositado sobre un recubrimiento de níquel) para que absorba y transmita la mayor cantidad de radiación. Los tubos pueden ser de cobre y deben estar uniformemente repartidos en forma de peine para que circule el agua por toda el área del colector. La siguiente capa debe ser aislante (espuma de poliuretano rígida, por ejemplo) para impedir que el calor fluya hacia la parte posterior del colector. Hasta ahora se ha descrito una parte del calentador, la otra es el sistema de almacenamiento. Como el Sol es una fuente de energía intermitente, se requiere un tanque para que el calentador solar dé servicio continuo. La ventaja de los colectores planos es que funcionan con la radiación difusa, esto es, incluso cuando el cielo está nublado, aunque obviamente la potencia disminuye Como sistema de almacenamiento de un calentador solar sencillo puede utilizarse un tanque cilíndrico de acero con una capacidad aproximada de 200 litros. El tanque debe colocarse arriba del colector (con 1 m de altura de diferencia para fines prácticos); debe tener dos salidas y dos entradas de agua, para que dos de ellas vayan al colector y el flujo de agua viaje continuamente debido al efecto de termosifón. El tanque tiene dos tubos en la parte superior; por uno entra el agua fría, que va hasta el fondo del mismo, y por el otro sale el agua caliente. Como el agua fría es más densa que la caliente, al llegar a la parte inferior del colector, y que es donde se calienta, tenderá a subir para salir y almacenarse en el tanque. Este ciclo se realiza sin necesidad de bombear agua debido al efecto termosifón antes mencionado. La diferencia de densidad entre las capas de agua crea una fuerza que induce una corriente, la cual hace que el agua circule continuamente (véase figura 14). Con un colector solar de este tipo pueden calentarse 200 litros de agua a una temperatura de 30 a 60º C; incorporado a una vivienda puede resolver el abastecimiento de agua caliente y su costo, para cuatro personas, es de aproximadamente 350 nuevos pesos (además, no hay que olvidar el ahorro de gas). Existen otros tipos de colectores planos que tienen otros diseños y sistemas de almacenamiento, en algunos casos más eficientes, pero más costosos y complejos.

1.8. EL SOL EN UN PUNTO O EN UNA LÍNEA Cuando se desea calentar a temperaturas elevadas un líquido, sólido o gas se emplean los llamados colectores de concentración, que aprovechan la radiación solar directa. Para lograr un aprovechamiento máximo, estos colectores deben tener un mecanismo que les permita seguir el movimiento del Sol a lo largo del día, con el objeto de que sea mayor la intensidad de la radiación. Esto se puede lograr manualmente o con un pequeño motor unido al colector. Este tipo de colectores se denomina de seguimiento. Existen también los colectores estáticos que, aunque poseen una forma geométrica más adecuada para que permanezcan inmóviles, son menos eficientes (véase figuras 15 y 16).

Figura 15. Colectores solares de concentración con seguimiento del Sol. (Tomado y adaptado de Alonso C., A y Rodríguez V., L., Alternativas energeticas, FCE-CONACYT, México, 1985.)

Figura 16. Colectores solares de concentración estáticos o sin seguimiento del Sol. (Tomado y adaptado de Alonso C., A y Rodríguez V., L., Alternativas energeticas, FCE-CONACYT, México, 1985.) En las figuras 15 y 16 se muestran algunas de las formas típicas de ambos tipos de colectores.

Los rayos solares se concentran en un punto o a lo largo de una línea, dependiendo de la forma que tenga el colector. Si utilizamos una lupa para concentrar la luz del Sol, se observa fácilmente que a cierta distancia, llamada distancia focal, los rayos solares se concentran en un punto denominado foco de la lente. Si en ese punto colocamos por ejemplo, un trocito de papel celofán, éste arderá rápidamente. Pero si en lugar de una lupa, usamos un espejo cóncavo cuya forma sea un paraboloide de revolución (véase la figura 17), se logra también la concentración de los rayos solares en un punto, con la gran ventaja de que es mucho más económico hacer un espejo cóncavo que una lente. Comúnmente se utilizan acrílicos aluminizados por electrodepositado. Estos colectores tienen una eficiencia de 40 a 60% y cuando son de pequeñas dimensiones alcanzan temperaturas de 100 a 300ºC.

Figura 17. Espejo cóncavo en forma de paraboloide de revolución. Éste concentra los rayos solares en un punto y puede alcanzar temperaturas elevadas. Las antenas parabólicas instaladas en las azoteas de algunas casas tienen la forma de paraboloide de revolución. Así que dichas antenas también podrían utilizarse como bases para hornos solares, siempre y cuando tuvieran un espejo (y tal vez serían más útiles). Para concentrar los rayos solares en una línea pueden emplearse varias configuraciones de espejos. La más común es un cilindro parabólico y el casquete de esfera (véase la figura 18).

Figura 18. Concentración de los rayos solares en una línea. Los colectores de concentración tienen diversas aplicaciones, entre las que se encuentran las estufas o cocinas solares. Basta colocar el sartén en el foco del espejo concentrador para preparar cualquier platillo y calcular que la curvatura del colector sea la adecuada para que el punto donde se concentran los rayos solares no esté alejado del colector. Aquí debe aclararse que como el Sol no es un punto, en realidad se trata de una zona alrededor del foco del espejo, en la cual la temperatura es máxima. Los colectores de concentración pueden emplearse como hornos solares, para fundir cualquier material o adaptarse a un motor Stirling para el bombeo de agua o en la ventilación. En regiones con insolación intensa pueden emplearse a mediana escala para la generación de energía eléctrica en plantas de potencia de 1 a 100 MW. La cantidad de energía captada en el colector depende del tamaño de la superficie expuesta a los rayos del Sol, mientras mayor sea la superficie de captación la temperatura focal será más alta. Los heliostatos se utilizan para aprovechar una gran extensión. Éstos consisten en un espejo cóncavo, formado por muchos espejos planos, en cuyo centro hay una torre central, en la cual se concentra la energía solar. Dichos colectores pueden estar fijos o puede ser que cada uno de los espejos que constituyen el heliostato tenga un motor programado para seguir el movimiento aparente del Sol (véase la figura 19).

Figura 19. Heliostatos. Conjunto de espejos que concentran los rayos solares en una o varias líneas o en una zona pequeña. Con los heliostatos se consiguen temperaturas muy elevadas y se pueden utilizar para generar energía eléctrica.

I.9. ESTANQUES SOLARES El aprovechamiento del calor solar a través de estanques con agua salada se originó en 1901 cuando A. V. Kalecsinsky se percató de que en el lago de Medve, en Hungría, la temperatura que alcanzaba el agua en verano a una proflindidad de 1.32 m era de 72ºC; más que suficiente para un buen baño de agua caliente. El mismo fenómeno ocurre en diferentes lagos del mundo. En México existen varios estanques solares naturales, entre los que se encuentran los de Guerrero Negro y Texcoco. En 1954, en Israel se empezó a experimentar con estanques solares artificiales para aprovechar el calor solar almacenado en el fondo (los pioneros fueron Rudolph Broch y Harry Tabor) y la experiencia israelí culminó en el año de 1979 con la construcción de la primera planta termoeléctrica que utiliza un estanque solar y tiene una potencia de 150 kW. Los estanques solares son depósitos de agua con sal, en los cuales la concentración de esta última aumenta con la profundidad. Este fenómeno se presenta en forma natural, debido a que la sal del agua, por ser más densa, tiende a irse al fondo del estanque. Si se tienen tres capas de agua con diferentes concentraciones de sal, ocurre lo siguiente: los rayos solares calientan la capa superficial, pero como ésta se encuentra en contacto con el ambiente, su temperatura dependerá de la temperatura del ambiente en las distintas épocas del año; en la segunda capa, que tiene una mayor concentración de sal, la temperatura aumentará gradualmente, y en la tercera y más profunda, donde la concentración de sal es más alta, la temperatura será igual a la máxima temperatura de la segunda capa, con la gran diferencia de que será muy superior a la temperatura ambiente y permanecerá más o menos constante. Las sales tienen la propiedad de almacenar el calor. Por esta razón, la capa más profunda del estanque tiene una temperatura mayor. En consecuencia, aparentemente la densidad tendría que ser menor. Si calentamos agua común habrá evaporación, convección y radiación y al cabo de un tiempo el agua cederá su calor al medio. En un estanque solar, la primera capa tiene sal en una concentración constante; en la segunda, la concentración de sales aumenta gradualmente o, en términos científicos, se establece un gradiente de sales, y al cambiar la temperatura también se presenta un gradiente de temperatura, cuyo máximo valor ocurre en la tercera capa En esta última, el gradiente de sales ocasiona que la densidad sea mayor que en la segunda y con ello se evita la convección de calor, lo cual ocasionaría que el agua se enfriara rápidamente. Por eso, la única pérdida de calor entre las capas es por conducción de calor y como ésta es lenta, la temperatura de la capa profunda es elevada (véase la figura 20). Así, en el lago Medve de Hungría, se llegan a alcanzar en forma natural temperaturas de 72ºC.

Figura 20. Diagrama de un estanque solar. En A se tiene una concentración de sal constante. Cuando se está a una profundidad entre 40 y 110 cm, la concentración de sal empieza a aumentar linealmente y en la capa C es donde la concentración de sal es más alta. Otro tipo de estanque solar que sí permite la conducción del calor por convección en todas las capas de agua u otro líquido se puede construir empleando un material que sea a la vez transparente y aislante para que no haya transferencia de calor a la superficie que está en contacto con el ambiente. Este sistema se utiliza en las albercas, para mantener el agua templada. Con frecuencia se emplea un plástico grueso con burbujas de aire que cubre completamente la superficie de la alberca.

1.10. CELDAS SOLARES Las celdas solares convierten directamente la luz solar en electricidad, debido al efecto fotovoltaico. La luz está compuesta de fotones con diferentes energías. Cuando un fotón con energía suficiente choca con un átomo de algún material, por ejemplo el silicio, el átomo absorbe la energía del fotón y un electrón del material queda en un estado excitado por la energía absorbida, lo que permite, en algunos casos, que se mueva libremente. Si en lugar de uno son varios los electrones que circulan libremente, puede producirse una corriente eléctrica bajo ciertas condiciones y, por lo tanto, generarse electricidad a partir de energía solar. Para imaginarnos cómo es un átomo supongamos que el núcleo de éste es el Sol y los planetas son los electrones que giran a su alrededor. Para comprender lo que ocurre cuando llega un fotón, pensemos que éste es un cometa. Si el cometa choca con Plutón, a nivel atómico este último adquiriría una energía que le permitiría salir del Sistema Solar. La regla del mundo atómico establecería que todos los planetas únicamente pueden estar en la órbita de algunos otros pero no permanecer en estados intermedios. Si un planeta pasa a una órbita inferior producirá un cometa y si éste choca con un planeta, este último pasará a la órbita inmediata superior. Por lo tanto, si queremos producir un efecto cometo-planetario, es decir, una corriente de planetas, siguiendo las reglas del mundo atómico, se necesitaría que los cometas poseyeran la energía suficiente para que los planetas salieran del Sistema Solar. Para producir el efecto fotovoltaico se utilizan materiales semiconductores, es decir, aquellos que no son buenos conductores de la electricidad, como el cobre y la plata, y que tampoco sean buenos aislantes, como el corcho o la cerámica. Un ejemplo de semiconductor son los materiales que se emplean en los transistores que posee cualquier radio. El silicio, por ejemplo, es un material semiconductor. En los materiales semiconductores existe una región que separa a la banda de valencia, en la cual los electrones están ligados al núcleo atómico, de la banda de conducción, en la que los electrones pueden circular libremente. Dicha región se denomina banda prohibida. En los materiales aislantes ésta es mayor de 5 eV (electrón-volt) y en los semiconductores, como el silicio es de 1.1 eV. Para lograr la conducción se requiere que los electrones de la

banda de valencia pasen a la de conducción, y una forma de lograrlo es que los fotones de los rayos solares proporcionen la energía que se requiere para que los electrones salten la banda prohibida. Si a un material semiconductor se le introduce una pequeña proporción de otro material, lo cual se denomina una impureza, se puede conseguir que se tenga un electrón de más o de menos en la banda prohibida. Si esto ocurre cerca de la banda de conducción, el material se denomina tipo n (por negativo). Y si el electrón de más o de menos está cerca de la banda de valencia, el material se llama tipo p (por positivo). Al juntar un semiconductor tipo n con uno tipo p, se presenta el efecto fotovoltaico, es decir, habrá un flujo de huecos (falta de electrones) hacia el lado del semiconductor n y uno de electrones hacia el lado del semiconductor p. Los fotones provenientes del Sol llegan a la celda solar y la radiación absorbida generará electrones en la banda de conducción y huecos en la de valencia. Con ello, se generará una corriente eléctrica del lado p al n y habrá un voltaje. De esta forma, si se conecta una resistencia entre los dos electrodos (positivo y negativo) se presentará un flujo de corriente. En resumen, cada celda solar tiene tres capas y dos electrodos (véase la figura 21). La capa que está expuesta al Sol debe aprovechar al máximo la radiación solar por unidad de área y por esta razón el electrodo negativo está formado por pequeñas tiritas de un material conductor. Las celdas de unión p-n se descubrieron en 1954, en los Laboratorios Telefónicos Bell de Estados Unidos y se utilizaron como una fuente de energía en los teléfonos rurales, y posteriormente se emplearon para cubrir las necesidades de energía eléctrica de los satélites artificiales, aunque el principio de operación lo descubrieron Adams y Day en 1878, utilizando selenio, y las primeras celdas las construyó Charles Fritts, en 1879.

Figura 21. Esquema de una celda solar. Al unir un material semiconductor tipo n con uno tipo p e iluminarlo con fotones de enería adecuada, provenientes del Sol, se producen en la banda prohibida (la que está entre la banda de valencia y la de conducción) pares electrón-hueco que generan una corriente eléctrica. Las celdas solares tienen la ventaja de aprovechar tanto la radiación directa como la difusa, poseen una larga vida y convierten directamente la energía solar en electricidad. Por otro lado, no se han usado ampliamente porque hasta ahora son demasiado costosas y, por lo tanto, no pueden competir con otras fuentes de energía como el petróleo y el gas. Además, su eficiencia de operación es baja, normalmente de 10%. Sin embargo, desde el descubrimiento de las celdas de silicio amorfo hidrogenado, en los últimos años han disminuido considerablemente los costos, aunque la eficiencia máxima (8%) que se obtiene con este material es menor que la que se consigue con otros. En el cuadro V aparecen algunos materiales con los que están hechas las celdas solares que se fabrican o se estudian en México, sus eficiencias máximas y el área de captación de cada una de ellas. CUADRO V. Materiales de algunas celdas solares: eficiencia y área

Eficiencia máxima (%) Silicio amorfo Sulfuro de cadmio Silicio monocristalino Silicio policristalino Arsenuro de galio Teluro de cadmio

Área (cm2)

8 10 18 7-14 22 8-9

0.04 1.00 2.00 2-3 0.10 0.02

Como cada celda genera corrientes entre 10 y 40 miliamperes (mA) por cm² y voltajes de 0.4 a 1 volt, se tienen que unir varias celdas en serie o en paralelo, para formar páneles con potencias de 2 a 60 watts-pico que sean útiles para satisfacer diferentes necesidades de energía eléctrica; éstos deben estar cubiertos para evitar el deterioro. Mediante la unión de varios páneles puede abarcarse una área adecuada para satisfacer cierta demanda y, al igual que en los colectores planos, las celdas deben orientarse hacia el sur, con una inclinación adecuada. Por ejemplo, si se quiere tener una potencia de 100 watts, se requerirían 120 V (volts) y 0.8 A (amperes). Para ello, se necesitaría un panel que tuviera 300 celdas solares en serie (0.4x300=120 V) y 20 celdas solares colocadas en paralelo (0.040x20=0.8 A).

I.11. Y EN LAS NOCHES, ¿QUÉ? Hasta ahora se han mencionado varios sistemas que convierten la energía solar en calor o en electricidad, pero nuestro planeta gira sobre su propio eje en un ciclo de 24 horas y, en consecuencia, cuando anochece no puede aprovecharse la energía solar. Si nuestras necesidades de energía pudieran satisfacerse durante el día no habría ningún problema; sin embargo, nuestras costumbres vampirescas nos han hecho depender cada vez más de la luz artificial, a tal grado en las ciudades resulta caótica la falta de electricidad durante la noche. Las necesidades del consumo de energía están dirigidas cada vez más a que las personas realicen sus actividades a cualquier hora del día. Aunque debe recalcarse que la demanda de energía siempre será mayor durante el día. Como nuestro planeta no recibe la luz del Sol a todas horas, se dice que la energía solar es una fuente intermitente, dado que no es posible aprovechar la radiación solar en forma continua. Para resolver este problema se ha propuesto utilizar los sistemas de almacenamiento de energía, de tal forma que la energía que no se consume cuando hay Sol se guarde en un sistema de almacenamiento para utilizarla durante la noche. Así se lograría tener energía en forma continua, pero a cambio aumentaría el costo de los dispositivos solares ya que se necesitarían sistemas que almacenen la energía. Existen dos tipos de sistemas de almacenamiento de energía: los químicos y los físicos. En el apartado IX de la segunda parte se describen los sistemas de almacenamiento de energía.

I.12. LA INVESTIGACIÓN SOLAR EN MÉXICO Nuestro país tiene algunas regiones (Sonora y Baja California) con el promedio de radiación más alto del planeta. Estas zonas coinciden con los desiertos que se hallan alrededor de los trópicos de Cáncer y de Capricornio, y en ellas pueden construirse centrales de energía solar para satisfacer la demanda que requiere nuestro país. Además, como en las zonas desérticas el suelo es poco productivo y el clima contribuye a que no se habiten, son las más apropiadas para construir plantas solares de varias decenas de megawatts de potencia. Hoy en día, la energía solar no contribuye significativamente a satisfacer las necesidades nacionales de energía.

Según algunas fuentes, en 1985 el petróleo y el gas natural ocupaban el primer lugar, con el 90.46% del total de la demanda de energía. En segundo lugar se encontraba la biomasa, con el 4.6%; la energía hidroeléctrica contribuía con el 3.3%; después seguía el carbón, con el 1.5% y, finalmente, la energía geotérmica con el 0.2%. Por otro lado, cabe mencionar que más de 20% de la población rural no tiene acceso a la energía eléctrica. El promedio diario de energía solar que llega a la República Mexicana es 5.5 kWh/m². La utilización de la energía solar se ha probado con éxito como alternativa para satisfacer las necesidades de electricidad en las comunidades rurales. También se ha usado ampliamente en la vivienda. Cabe destacar el hecho de que una casa puede ser autosuficiente, en lo que respecta al consumo externo de energía, si se emplean algunos dispositivos solares y si la arquitectura de la vivienda está diseñada para que el clima esté controlado naturalmente con diversos sistemas solares llamados pasivos. De lo anterior se desprende que el uso de la energía solar contribuye a eliminar nuestra dependencia de los energéticos y a la descentralización energética. Las dos principales desventajas del uso de la energía solar son, en primer lugar, el costo elevado de los sistemas solares, en comparación con los convencionales y, en segundo lugar, el mantenimiento de los sistemas solares. Es necesario crear sistemas de almacenamiento de energía solar que sean poco costosos, sencillos, eficientes y duraderos. Sin embargo, estas desventajas pueden ser controladas por la investigación básica y aplicada que se realice en México. En el cuadro VI se resume la investigación solar que se lleva a cabo en nuestro país. El futuro de la energía solar depende de estas investigaciones; por mencionar sólo un ejemplo del avance logrado, en los últimos seis años el costo de las celdas solares ha disminuido en un factor de diez. CUADRO VI. Investigación solar en México. Sistema

Lugar donde se investiga Instituto de Ingeniería de la UNAM, Instituto dde Investigaciones

Colectores planos

Colectores evacuados Colectores de concentración Estanques solares Celdas solares

en Materiales de la UNAM7 , Instituto Politécnico Nacional; Instituto dde Investigaciones Eléctricas; varias universidades e institutos en toda la República; fábricas de calentadores solares en el D.F., Guadalajara, Cuernavaca y Sinaloa, CFE y la Secretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos. Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM. Instituto de Ingeniería de la UNAM e Instituto de Investigaciones Eléctricas. Instituto de Investigaciones Eléctricas (en Palmira, Morelos); Sosa-Texcoco;Fertimex e Instituto de Ingeniería de la UNAM. Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM, Centro de Investigación y estudios Avanzados del IPN, el IPN y el IIE.

[Nota 4] 4. Puede haber una variación de hasta 3 días en las fechas.

[Nota 5] 5. Pequeñas gotas de líquido que permanecen suspendidas en el aire.

[Nota 6] 6. Se utiliza el concepto de radiación de cuerpo negro. Un cuerpo negro se puede imaginar como una esfera pintada de negro que tiene un pequeño orificio y con espejos en la parte interior. Así, la radiación que entra es totalmente absorbida. Posteriormente, el cuerpo negro emitirá radiación, la cual dependerá exclusivamente de la temperatura que posea y no del material que se utlice. El Sol se comporta como un cuerpo negro que emite radiación a una temperatura de 5 700 grados Kelvin (ºK).

[Nota 7] 7. El Instituto de Investigaciones en Materiales posee, en Temixco, Morelos, el Laboratorio de Energía Solar, que es uno de los más completos destinados a la investigación solar en México.

II. LO QUE EL VIENTO NO SE LLEVÓ EOLO, según la mitología griega, era el dios de los vientos. Hijo de Zeus y la ninfa Menalipa, con sólo inflar sus enormes cachetes podía producir huracanes, sirocos, ventiscas, tempestades e incluso brisas, según su variable estado de ánimo. Las investigaciones que se realizan actualmente sobre la energía eólica se dirigen a aprovechar el viento como energético para producir electricidad, calor, energía mecánica o cualquier otra forma de energía. La energía eólica está clasificada como una fuente no convencional. Es prácticamente inagotable y no contamina. Sin embargo, su principal desventaja es que cuando no sopla el viento no se produce energía. Por esta razón es una fuente intermitente y, como tal, requiere de un sistema de almacenamiento para aprovecharla continuamente. La historia de la energía eólica o de los vientos se remonta al año 3500 a.C., cuando los sumerios armaron las primeras embarcaciones de vela. Después, los griegos construyeron máquinas que funcionaban con el viento. Así, desde la Antigüedad éste ha sido el motor de las embarcaciones. Han pasado 5 000 años y los veleros surcan aún los mares. Sin embargo, ésta es sólo una de las bondades del viento. Otra aplicación familiar, cuya imagen aparece inmediatamente, son los molinos de viento. La historia del molino de viento es confusa. Hay quienes afirman que el primero de estos molinos surgió en Seistán, Persia (hoy Irán), aunque parece que existen indicios anteriores de su existencia en la isla griega de Miconos. Los chinos utilizaron desde la antigüedad los molinos eólicos para bombear agua y regar sus tierras; un caso notable del uso de esta energía fueron las carretillas impulsadas con velas para facilitar el transporte de mercancías de un lado a otro. Ya en el siglo XIX, los chinos construyeron un vagón de ferrocarril de pasajeros que tenía una gran vela; la principal desventaja era que la espera, en ocasiones, era bastante larga.

II. 1. LA INVASIÓN DE LOS MOLINOS Los molinos de viento emigraron rápidamente a Europa. Por un lado, llegaron al norte de Africa y a España, y por otro, al norte de Europa, a través del Mar Caspio. La primera alusión directa a ellos en Europa lo encontramos en 1105, cuando por encargo del Papa, el Abad de Savigny construyó varios molinos en diversas provincias francesas. A principios del siglo XIII los molinos eólicos invaden toda Europa. Y es precisamente al final de este siglo cuando aparecen los famosos molinos holandeses usados para bombear agua. Así, cabe señalar que otra aplicación importante de estos molinos fue para la molienda de granos. Un testimonio famoso de los molinos de viento es, sin lugar a dudas, la lucha contra los molinos de viento que se narra en El ingenioso hidalgo Don Quijote de la Mancha, de Miguel de Cervantes Saavedra, publicado en 1605. —¿Qué gigantes?— dijo Sancho Panza. —Aquellos que allí ves —respondió su amo—, de los brazos largos, que los suelen tener algunos de casi dos leguas. —Mire vuestra merced —respondió Sancho—, que aquellos que allí se parecen no son gigantes sino molinos de viento, y lo que en ellos parecen brazos son aspas que volteadas del viento hacen andar la piedra del molino. —Bien parece —respondió Don Quijote—, que no estás cursado en esto de las aventuras: ellos son gigantes, y si tienes miedo quítate de ahí y ponte en oración, en el espacio que yo voy a entrar con ellos en fiera y desigual batalla... Entre las aplicaciones poco usuales de la energía eólica figura un ventilador que construyó el biólogo Stephen Hale, en 1752, para la prisión londinense de Newgate, donde las condiciones sanitarias no eran precisamente las más

adecuadas. Esto se debía, en parte, a que en esa época se aplicaba un impuesto elevado a las construcciones con ventanas grandes y las prisiones no eran la excepción El sistema de Hale se extendió posteriormente a otras cárceles. Pero no sólo la práctica eólica tuvo sus logros. En 1759 John Smeaton presentó ante la Royal Society de Londres un tratado titulado: Cuestiones experimentales relativas a la fuerza natural del agua y el viento. En 1782 aparece el motor de Watt y con él se abre la puerta para la Revolución Industrial, con sus máquinas térmicas, más eficientes, más baratas y que podían funcionar continuamente, lo cual trae como consecuencia que se preste menos atención al uso de sistemas eólicos. A finales del siglo XVIII y durante todo el XIX, el aprovechamiento de la fuerza de los vientos quedó como mera curiosidad, salvo unas cuantas excepciones, como las turbinas con aspas de madera y después de acero, diseñadas por Daniel Halladay y Stuart Perry a finales del siglo XIX. Pero mientras el petróleo era una fuente duradera y barata a finales de la centuria pasada y en la primera mitad de la actual, hoy se sabe que más temprano que tarde se va a agotar, razón que ha llevado a estudiar otras fuentes de energía, como la eólica. El viento se produce por el calor que genera el Sol, combinado con el movimiento de rotación de nuestro planeta. Los rayos solares calientan la corteza terrestre y al aire que la rodea. Esto ocasiona que el aire se dilate, pierda presión, se eleve y lo sustituya el aire frío que viene de los océanos. Durante las noches, el proceso es al revés, es decir, el mar guarda mejor el calor que la corteza, el aire se dilata y ahora de la corteza proviene el aire frío. En las montañas ocurre un ciclo diurno y nocturno parecido. Estas diferencias de presión en nuestra atmósfera ocasionan corrientes de convección. Esto es, corrientes más o menos circulares que van de la parte alta de la atmósfera a la baja, para luego regresar a la primera (la rotación de la Tierra hace más complejo el patrón de circulación del aire, porque las fuerzas inerciales ocasionan que en las capas altas de la atmósfera del Hemisferio Norte el aire se desvíe hacia el este y en las bajas hacia el oeste, mientras que en el Hemisferio Sur ocurre a la inversa). De estas corrientes, únicamente las fuerzas horizontales son dinámicas y pueden transformarse, por medio de unas aspas, en energía utilizable. Las corrientes verticales son convectivas y no poseen la energía dinámica para ser aprovechables. De hecho, el viento se define como el movimiento horizontal de las masas de aire en nuestra atmósfera. A pesar de que el uso de la energía eólica para el transporte y la agricultura es muy antiguo, la conversión de esta energía a electricidad pertenece a este siglo, entre otras razones porque la electricidad aprovechable surgió a finales del siglo pasado (en 1881). Hoy es común utilizar ventiladores en lugares donde hace mucho calor para producir una agradable brisa. Éstos consisten en un motor eléctrico unido a unas aspas. El proceso inverso, o sea, aprovechar el viento para generar energía eléctrica, es una de las aplicaciones más importantes de la energía eólica, y al aparato capaz de realizar esta conversión se le denomina aerogenerador.

II. 2. DEL VIENTO A LA ELECTRICIDAD Existen muchos tipos de aerogeneradores. Si los clasificáramos de acuerdo con la potencia que producen se dividirían en pequeños, que generan alrededor de 3 kilowatts; medianos, que llegan a producir hasta 1 000 kilowatts (es decir, 1 megawatt), y los grandes, que son de 1 MW en adelante. Para dar una idea de estas cifras, la potencia de los aerogeneradores grandes es cien veces menor que la de una planta termoeléctrica común. Por ello, para conseguir una potencia elevada deben instalarse varios aerogeneradores grandes en un mismo lugar. Si clasificáramos a los aerogeneradores por sus características geométricas, serían de dos tipos: con el rotor vertical u horizontal. En los primeros, el eje de giro del aparato es perpendicular al suelo. Los más conocidos son los de Klemin, Savoius y Darrieus, diseñados en 1925, 1929 y 1931, respectivamente. Los aerogeneradores con rotor horizontal tienen las aspas como las hélices de los aviones, unidas a un rotor paralelo al piso (véase la figura 22).

Figura 22. Diferentes tipos de rotores para aerogeneradores, aerobombas y molinos. El aerogenerador consta de una torre situada en un lugar apropiado. Sobre ella sobresalen aspas de grandes dimensiones. Éstas giran debido a la fuerza ejercida por el viento, y con ellas el rotor que, por medio de un sistema de transmisión, está conectado a un generador capaz de producir energía eléctrica (véase la figura 23).

Figura 23. Diagrama del mecanismo interior de un aerogenerador de 0.1 MW. (FUENTE: ERDA-NASA.) La potencia máxima que proporciona un aerogenerador depende fundamentalmente de dos características: la velocidad del viento y el radio de las aspas. Concretamente, la potencia es proporcional al cubo de la velocidad del viento. Así que para poseer un aerogenerador de gran potencia se necesita escoger un lugar en donde los vientos sean veloces la mayor parte del año (entre l0 y 40 km/h aproximadamente).

II. 3. VIENTOS DE MÉXICO En México, el sureste, el norte y el centro son las regiones más apropiadas para colocar sistemas eólicos; destacando La Ventosa, en Oaxaca, donde los vientos alcanzan velocidades promedio de 20 a 25 km/h. En 1984, el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) elaboró el primer mapa de vientos máximos en la República Mexicana, así como un sistema electrónico que permite conocer con bastante precisión las características

fundamentales del viento en un lugar determinado. Recientemente, el IIE publicó el primer Atlas Eólico de la República Mexicana. Según el libro Alternativas energéticas, del doctor Antonio Alonso Concheiro y el ingeniero Luis Rodríguez Viqueira (coeditado por CONACYT-FCE, en 1985): El aprovechamiento de la energía eólica en México se limita a las aerobombas de eje horizontal y aspas múltiples, instaladas en localidades rurales del norte y el sureste del país. En México sólo existe un fabricante de aerobombas y uno de aerogeneradores. Estos últimos se producirán comercialmente después de la fase de prueba y demostración. Ya están instaladas dos unidades, una en el Ajusco y otra en la parte oeste de Michoacán. El estudio de Alonso Concheiro y Rodríguez Viqueira señala que sólo hay tres instituciones y una asociación civil dedicadas a la investigación y el desarrollo de la energía eólica en México: el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE),la Universidad Autónoma Metropolitana-Unidad Azcapotzalco, la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del IPN y el Grupo del Sol. De estas instituciones, la que presta más atención al desarrollo de la energía eólica es el IIE. Ahí, señalan los autores de Alternativas energéticas: Los trabajos se enfocaron inicialmente a volver a diseñar equipos desarrollados en otros países, adecuándolos a la disponibilidad de materiales, y a habilidades técnicas y artesanales de nuestro país. Actualmente el IIE cuenta con un aerogenerador de velas para aplicaciones mecánicas, una aerobomba de tipo Savonius, una de 1.5 kWe y un aerogenerador con rotor tipo Savonius de 200 W. También se encuentran en proceso de construcción un prototipo de aerobomba mecánica, del cual se instalarán dos aerobombas en San Rafael, San Luis Potosí. Respecto a la conversión eléctrica, el IIE posee la estación eoloenergética de El Gavillero, en Hidalgo. En ella se construyeron dos aerogeneradores tipo Dunlite, de 2 kW para vientos de 5 m/s, que abastecen de energía eléctrica a la comunidad, y también el IIE diseñó un aerogenerador denominado Albatros, con un rotor de 11 m de diámetro, que desarrolla una potencia de 8.5 kW. En el cuadro VII se resumen las instituciones dedicadas a la investigación eólica en México. CUADRO VII. Investigación eólica en México. Instituto de Investigaciones Eléctricas, Universidad Autónoma Metropolitana-Unidad Azcapotzalco, Aerobombas y aerogeneradores Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del IPN y Grupo del Sol. Dos fabricantes comerciales. Instituto de Investigaciones Eléctricas e Instituto de Condiciones del viento en la República Mexicana Geografía de la UNAM.

El alto costo de los aerogeneradores y las aerobombas representa actualmente la desventaja fundamental para integrarlos a mediana escala; lo mismo sucede con el sistema de almacenamiento de energía. Finalmente, respecto a la energía eólica se debe señalar que en nuestro país los aerogeneradores pueden ser una opción en comunidades rurales sin electrificar, así como una fuente de energía, dentro de la diversificación de fuentes opcionales de energía. Sería muy conveniente crear institutos dedicados a la investigación de fuentes como la eólica, la solar, la fusión y la biomasa, tal vez financiados por Petróleos Mexicanos.

III. MATERIA VIVA Y DESECHOS: ENERGÍA DE LA BIOMASA LA MATERIA orgánica y los desechos se pueden transformar en energía utilizable. Esta transformación se conoce como obtención de energía a través de la biomasa. En el aprovechamiento de la biomasa como fuente energética se emplean principalmente árboles, plantas y desechos animales y vegetales. Existen dos formas de aprovechar este tipo de energía: la conversión termoquímica y la conversión biológica. La primera se refiere a la utilización de vegetales y desechos orgánicos para producir calor mediante la combustión; a la descomposición térmica de materiales que contienen carbono, cuando no hay oxígeno, proceso denominado pirólisis; a la hidrogenación, en la cual se obtienen hidrocarburos de los desechos orgánicos; la hidrogasificación, en la cual se convierte el estiercol en metano y etano, al someterlo a presiones elevadas y, finalmente, a la fermentación y destilación, en la que se obtiene alcohol a partir de granos y desechos vegetales. El segundo tipo de conversión lo constituye la fermentación aeróbica, en la cual se aprovecha el calor que se obtiene de la descomposición de las bacterias aeróbicas, es decir, aquellas que requieren oxígeno. Ejemplos de este proceso es el tratamiento de aguas negras y la obtención de fertilizantes. Por otro lado está la fermentación anaeróbica, en la cual la materia orgánica se descompone en inorgánica en presencia de bacterias que no requieren oxígeno (anaeróbicas), llamadas metanogénicas, porque producen gas metano. Este gas se puede utilizar para calentar agua y para cocinar. El aprovechamiento de la biomasa tiene su origen en la energía solar, dado que las plantas, a través de la fotosíntesis, absorben una cantidad pequeña de energía (aproximadamente 1%) de la radiación visible del espectro solar. El ejemplo más conocido de utilización de la biomasa es la madera: la fuente de energía más antigua que conoce la humanidad. La madera está compuesta de celulosa y lignina, así como de almidón, bálsamos, alcohol etílico, alcanfor, colorantes, taninos, perfumes y resinas. Para producir calor durante la combustión de la madera se requiere oxígeno y se libera bióxido de carbono. A pesar de que la madera es la fuente de energía más longeva, actualmente se sigue utilizando, sobre todo en las áreas rurales de países como México. Los desechos orgánicos de las grandes urbes, como los componentes orgánicos de la basura pueden utilizarse para la generación de energía eléctrica y en forma directa como energético doméstico. En México se han construido algunas plantas experimentales. Una de las aplicaciones más espectaculares de la energía de la biomasa es el aprovechamiento del excremento, el cual mediante la descomposición de bacterias anaeróbicas produce gas metano, bióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y ácido sulfhídrico, en recipientes perfectamente sellados que se conocen con el nombre de digestores anaeróbicos. El metano obtenido se puede aprovechar, como ya se había mencionado para cocinar, calentar agua y como fuente de luz artificial. Además, los subproductos del proceso, nitrógeno, fósforo y potasio, se pueden usar como fertilizantes. En China, por ejemplo, se han construido siete millones de unidades y en México se utilizan en varias comunidades rurales. Otro ejemplo es la obtención de etanol, un alcohol que se obtiene de los subproductos del azúcar de caña, que en el caso de Brasil proporciona una quinta parte del combustible que utiliza ese país para el transporte.

SEGUNDA PARTE

IV. EL ORO NEGRO Y EL GAS V. LA ENERGÍA DEL CARBÓN: 300 MILLONES DE AÑOS VI. CATARATAS DE ENERGÍA VII. LA GEOTERMIA: TETERA NATURAL VIII. LA ENERGÍA DE LOS NÚCLEOS DE LOS ÁTOMOS IX. LA CUERDA DEL MOVIMIENTO: ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA

IV. EL ORO NEGRO Y EL GAS EL PETRÓLEO se origina por la acumulación de plancton verde y restos animales en los sedimentos del fondo marino, el cual, mediante una descomposición anaeróbica se transforma lentamente por procesos bioquímicos e inorgánicos en gotas de petróleo (del latín aceite de piedra) o hidrocarburos. Estas gotas se alojan en una roca sedimentaria, llamada roca madre, de donde su extracción es casi imposible. Posteriormente, el petróleo migra a otro tipo de rocas de grano grueso y por lo tanto permeables, en las que se forman depósitos, donde se almacena. Cuando está en el proceso de almacenamiento, en ocasiones existe una roca de grano fino impermeable que cubre la capa donde éste se almacena e impide que el petróleo siga migrando. Es así como se llega al estado que se conoce como trampa de petróleo. Es en esta etapa cuando el petróleo puede extraerse. Como el petróleo es menos denso que el agua, con el paso del tiempo se separa de ésta y se acumula en la parte superior de la trampa. Finalmente, en la parte más alta se encuentra el gas natural (véase la figura 24).

Figura 24. Formación del pétroleo. El crudo es una mezcla de compuestos orgánicos que varía según la calidad del mismo; sus componentes son los siguientes: de 85 a 90% de carbono; de 10 a 14% de hidrógeno; de 0.2 a 3% de azufre y algunos rastros de otros materiales como vanadio y níquel. Una vez que se sabe qué es el petróleo y de qué se compone, el siguiente paso es saber dónde se encuentra y para localizar un yacimiento petrolífero se necesita la exploración. Como no se conoce un método directo para detectarlo desde la superficie, se necesita un estudio geológico de la región para examinar la composición de las rocas; esto puede hacerse mediante la percepción remota, es decir, tomando imágenes desde un satélite o un avión, y posteriormente se puede obtener una descripción geológica del lugar. Mediante investigaciones sísmicas la información obtenida se completa aún más. Todo el proceso que se sigue se conoce con el nombre de prospección. A continuación se perforan los lugares escogidos, de los que se recogen muestras de diferentes capas para probar si efectivamente es correcta la información proporcionada por los sismógrafos. Una vez terminado el análisis de muestras se procede a la perforación, cuyo objetivo es encontrar y explotar el yacimiento petrolífero (véase recuadro 6).

Recuadro 6

¿Compañía Mexicana de Petróleo "El Águila"? "El Águila" en realidad pertenecía al consorcio petrolero Royal Dutch Shell. En 1913, esta compañía había obtenido una producción tan elevada que se vio obligada a organizar una flota de barcos, dedicada exclusivamente a llevar sus productos al extranjero. Todo el petróleo se exportaba, incluso el destinado al alumbrado local. En diez años "El Águila" ganó alrededor de 164 millones de pesos. Y en 1922, las empresas petroleras extranjeras exportaban 99% de la producción.

Para la perforación se utiliza una barra giratoria que tiene en la parte inferior una especie de paleta de diamante (el material más duro que se conoce en la naturaleza), llamada trépano, que perfora el suelo. El trépano se lubrica con un barro especial que fluye hacia abajo por el interior del barreno y hacia arriba por el exterior del mismo. Cuando se estima que el pozo petrolero tiene posibilidades, se rodea la perforación con un tubo de mayor diámetro, fijado con cemento.

Recuadro 7 "Deje que el señor termine." En una reunión con el gobierno mexicano, el representante de la compañía extranjera "El Águila", que explotaba el petróleo mexicano, le dijo al presidente Lázaro Cárdenas que su compañía sí era mexicana y que pagaba todos sus impuestos. Sin embargo, en ese momento intervino don Jesús Silva Herzog padre, sacó un periódico de años atrás y se puso a leerlo en voz alta en la reunión. En él se decía claramente que "El Águila" sí era extranjera y que no pagaba debidamente sus impuestos. En ese momento, el representante de la compañía extranjera se puso nervioso y trató de interrumpir a Jesús Silva Herzog, pero el general Cárdenas lo detuvo y le dijo.. "Deje que el señor termine." Los problemas con los petroleros extranjeros se fueron haciendo más graves y se organizó otra reunión con el general Lázaro Cárdenas. El propio Presidente trató de convencer a los dueños de las compañías de petróleo que pagaran a sus obreros mexicanos una deuda de 26 millones de pesos. Sin embargo, uno de los representantes le dijo al Presidente: —¿Y, quién garantiza que el aumento será sólo de 26 millones de pesos? —Yo lo garantizo contestó el Presidente. —¿Usted? —replicó el representante. —Sí, lo garantiza el Presidente de la República —respondió el general Cárdenas. El emisario de la compañía esbozó una ligera sonrisa. El Presidente se puso de pie y les dijo a todos: "Señores, hemos terminado."

Toda vez que se alcanza cierta profundidad, se retira el barreno y se coloca una válvula de control en la boca del

pozo, continuando la perforación con un trépano más pequeño (véase la figura 25). Una vez que se ha encontrado el codiciado oro negro se averigua la extensión del yacimiento, para lo cual se perforan varios pozos alrededor. Cada barril tiene 158.98 litros de petróleo.

Figura 25. Diagrama de un pozo-petrolero. (Tomado de Man, Energy and Society, Earl Cook, W. H. Freeman, 1976) Hasta finales de 1991, el país contaba con una reserva probada de 65 500 millones de barriles de petróleo, y los principales centros productores son los complejos marinos Cantarell y Abkatún. Más (leí 90% de la producción proviene de la Sonda de Campeche, Chiapas y Tabasco (véase el cuadro VIII). En la actualidad se consumen diariamente 2.6 millones de barriles de petróleo, de los cuales, aproximadamente la mitad, 1.8 millones, se exporta al extranjero (56% a Estados Unidos). Si el consumo y las reservas permanecieran constantes, el petróleo se acabará en el año 2060. CUADRO VIII. Derivados del petróleo.

Derivados Gas propano y butano Gasavión Gasolina para automóviles Turbosina Combustible para tractores Diesel Nafta Gasolinas especiales

Uso Gas doméstico Motores de combustión de avión Motores para automóviles Turborreactores y propulsores Tractores agrícolas Motores diesel Materia prima petroquímica Pinturas y solventes

Combustible para lámparas Cera y parafina Lubricantes Bitumen Aceite combustible Gasóleo

Lámparas y señales de ferrocarril Papel encerado, velas y aislante eléctrico Lubricación general Carreteras Producción de vapor, acero, calentamiento industrial y producción de electricidad Calefacción doméstica

FUENTE: Susana Chow Pangtay, Petroquímica y Sociedad, Col. La Ciencia desde México, FCE, 1987

V. LA ENERGÍA DEL CARBÓN: 300 MILLONES DE AÑOS HACE aproximadamente 300 millones de años se formó gran parte del carbón mineral que existe en nuestro planeta. Esto ocurrió en el Paleozoico superior, en el periodo llamado Carbonífero, aunque también durante los periodos Pérmico, Cretácico, Jurásico, Triásico, Pleoceno y Mioceno se formaron grandes yacimientos carboníferos. El carbón se formó a partir de la descomposición anaeróbica de materia orgánica, principalmente plantas superiores terrestres (a diferencia del petróleo, que es de origen marino). Debido a la acción de las bacterias anaeróbicas, la materia orgánica fue ganando carbono y perdiendo oxígeno e hidrógeno; este proceso, aunado a los incrementos de presión y temperatura con el paso del tiempo, provocaron cambios físicos y químicos en los restos orgánicos y los transformaron en lo que hoy conocemos como carbón. El carbón mineral se empezó a utilizar como combustible en China hace aproximadamente 2 000 años. Posteriormente lo utilizaron los romanos. Lo curioso del caso es que en el siglo XI un inglés "redescubrió" que el carbón podía arder. Sin embargo, desde el siglo XIII, los ingleses lo empezaron a explotar y lo transportaban en barco a Londres, donde lo utilizaban para producir calor. También los indios hopi lo emplearon en lo que hoy es Arizona. En 1670, el reverendo John Clayton informó la generación de un gas luminoso que se obtenía al calentar carbón en una retorta. Un siglo después, en 1792, William Murdock, iluminaba su casa en Corwall, Escocia, con gas obtenido de la destilación de carbón. Sin embargo, no fue sino hasta la época de la reina Isabel I cuando este combustible empezó a utilizarse ampliamente en las ciudades inglesas, sacado de las minas de Newcastle y Cardiff. El carbón adquirió más importancia cuando Abraham Darby descubrió el proceso que permite obtener coque a partir de carbón.8 Al poco tiempo el carbón, como combustible, se convertiría en uno de los principales protagonistas de la Revolución Industrial, al lado de la máquina de vapor inventada por James Watt, en 1765. El propio Watt diseñó, en 1803, un sistema de alumbrado para las calles y las casas, en el que se aprovechaba el gas producido del carbón; James Prescott Joule se dio cuenta de la relación que existía entre la máquina de vapor y el uso directo del carbón (véase el recuadro 8).

Recuadro 8 James Prescott Joule y el equivalente mecánico del calor. "El conocer la equivalencia entre el calor y la energía mecánica es de gran valor para resolver gran número de problemas de interés e importancia. En el caso de la máquina de vapor, averiguando la cantidad de calor producida por la combustión de carbón podemos determinar qué parte de dicho calor se transforma en energía mecánica e indagar así hasta qué punto la máquina de vapor puede recibir nuevas mejoras. Los cálculos que se han hecho basándose en este principio han hecho ver que puede producirse cuando menos diez veces más energía de la que actualmente se obtiene mediante la combustión del carbón. Otra conclusión interesante es que el organismo animal, aunque destinado a realizar tantos otros fines, es, en cuanto máquina, más perfecto que la máquina de vapor mejor contruida, o sea, que es capaz de realizar más trabajo con el mismo gasto de combustible. "JAMES PRESCOTT JOULE, 1847.

Entre 1860 y la primera Guerra Mundial el carbón desplazó definitivamente a la madera como combustible fundamental. A continuación, entre ambas guerras mundiales el petróleo sustituyó al carbón como principal energético y esta situación se acentuó en la posguerra. Pese a ello, en 1978, el carbón representó el 26% de la

demanda de energía primaria mundial. En el caso de México, según cifras de 1975, se ha tenido que importar carbón para satisfacer la demanda. Sin embargo, la producción ha ido aumentando. Hasta 1980 las reservas de carbón eran de 3 275 toneladas. Asimismo, las reservas de carbón no coquizable eran, según cifras de 1982, de 645 millones de toneladas. El carbón no coquizable (es decir, del que no se puede obtener coque) es el que se emplea para la generación de energía eléctrica, mientras que el carbón coquizable —del que se obtiene coque— es el que se utiliza en la industria siderúrgica y metalúrgica para la fabricación de hierro y acero. El acero, por ejemplo, tiene entre 0.2 y 2% de carbono que se obtiene del coque. Los principales consumidores de carbón en nuestro país son las industrias que fabrican acero y hierro, y un pequeño porcentaje (2.2% en 1975) se emplea para la generación de energía eléctrica. La planta carboeléctrica más importante del país es la "José López Portillo", que se localiza en Coahuila; en sus dos unidades, Río Escondido y Carbón II, se generarán 2 600 MW con carbón no coquizable que se obtiene de las minas cercanas a Piedras Negras. El carbón mineral está compuesto de carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre, cenizas y otros elementos en menor cantidad (potasio, calcio, sodio, magnesio, etcétera). La calidad del carbón se mide de acuerdo con las siguientes características: porcentaje de materia volátil, porcentaje de carbono fijo, azufre, cenizas, oxígeno, hidrógeno, humedad y, finalmente, poder calorífico. Como se utilizan diferentes clasificaciones, tendremos que mencionar, aunque sea brevemente, las más comunes. En cuanto al porcentaje de carbono fijo, el lignito tiene entre 50 y 69%, el carbón bituminoso de 69 a 86% y la antracita de 92 a 98%. De acuerdo con el porcentaje de materia volátil, el lignito tiene entre 40 y 50%, el carbón bituminoso entre 14 y 31% y la antracita de 2 a 8 por ciento. El término bituminoso se refiere al grado de poder calorífico que tiene el carbón. Según esta clasificación, el carbón que posee un poder calorífico más alto (esto es, las kilocalorías por kilogramo que puede proporcionar en la combustión) es, a pesar de ser una redundancia, el carbón bituminoso, como la hulla, que tiene un bajo contenido de materia volátil (8 500 kca/kg); después le sigue el carbón subituminoso con un contenido medio de materia volátil (8 200 kcal/kg), luego la antracita, después el bituminoso con alto contenido de materia volátil (7 000), a continuación los carbones subituminosos (5 500) y finalmente el lignito (3 500). En tiempos geológicos primero se formó la turba, posteriormente el carbón café; éste se convirtió en lignito, que a su vez pasó a ser carbón subituminoso; este último se transformó en carbón bituminoso, que incluye a la hulla (el carbón que se usa para cocinar) y finalmente en antracita, que es el carbón más antiguo. Todos éstos son los diferentes tipos de carbón. El carbón se utiliza en la industria siderúrgica, como coque, la industria metalúrgica, los sistemas de calefacción central, la producción de gas y otros combustibles sintéticos y en las centrales carboeléctricas. Los carbones bituminosos son coquizables, es decir, que mediante un proceso de destilación se elimina la materia volátil del carbón, quedando un carbón de muy buena calidad que se denomina coque y que es de gran utilidad en la industria siderúrgica (producción de hierro y acero, este último es precisamente una aleación de hierro y carbono) y metalúrgica. Los carbones subituminosos, llamados de flama larga por la forma en que se realiza la combustión, no se pueden transformar en coque y se utilizan en las centrales carboeléctricas, como la de Río Escondido, en Coahuila. El carbón se puede obtener de dos formas: en minas de cielo abierto o de tajo y en minas subterráneas. Uno de los grandes problemas en la extracción del carbón de las minas subterráneas es que se produce un gas muy venenoso, conocido como gas grisú (metano) que al mezclarse con el aire en una proporción superior a 6% puede explotar. Otro gran problema de las minas carboníferas son las condiciones de trabajo a las que están expuestos los mineros, pues al inhalar partículas de sílice (SiO2) del cuarzo cristalizado o amorfo de las minas pueden contraer una enfermedad mortal llamada silicosis. Cuando se descubre una veta de carbón, se requiere conocer tanto el volumen del yacimiento como la profundidad, ya que estos factores determinan el hecho de que la explotación de la mina sea económicamente rentable.

Una vez que se obtiene el carbón, se lava para quitarle el azufre (en las centrales carboeléctricas puede utilizarse sin lavar), después se pulveriza en un molino y se transporta en ferrocarril o en tuberías, suspendido en agua y posteriormente se recupera por centrifugación. En una central carboeléctrica el carbón pulverizado se transporta por medio de un ventilador a la caldera, en la cual se mezcla con aire caliente. Una vez en la caldera se quema para calentar agua y producir vapor. Ahí, los productos de combustión se aprovechan para calentar nuevamente el aire, eliminando las cenizas mediante una malla cargada eléctricamente que las atrae. Por otro lado, el vapor se utiliza para mover una turbina que, unida a un generador, produce energía eléctrica. Uno de los problemas de las centrales carboeléctricas es que entre los productos de la combustión que se liberan a la atmósfera está el bióxido de carbono y el dióxido de azufre; este último es un contaminante bastante peligroso. Por ello, las termoeléctricas que trabajan con carbón, como la de Río Escondido, tienen filtros que evitan que estas sustancias salgan a la atmósfera.

[Nota 8] 8. Es común que los carbones bituminosos como la hulla —que más adelante se explicarán— se calienten en retortas para eliminar la materia volátil y el alquitrán; el residuo de este proceso forma una masa pororsa que se denomina coque, el cual es un componente esencial en la fundición de hierro y en la producción de acero.

VI. CATARATAS DE ENERGÍA LA UTILIZACIÓN de la energía hidráulica, esto es, el aprovechamiento de las caídas de agua en los ríos, data de la época de los griegos, quienes empleaban la rueda hidráulica para bombear agua, llamada noria, que inventó Filón de Bizancio en el siglo III a.C. Sin embargo, la descripción detallada de la rueda hidráulica, así como sus aplicaciones se debe al ingeniero y arquitecto romano Marco Vitrubio Polión, quien la describe ampliamente en su libro De architectura. Tanto la rueda hidráulica vertical como la horizontal se usaron en la Edad Media y el Renacimiento, no sólo en la agricultura, sino en las minas, en la industria textil y maderera y en el transporte. Entre 1835 y 1837 se instaló la primera turbina hidráulica, construida por el ingeniero Bénoit Fourneyron. La palabra turbina la inventó el ingeniero francés Claude Burdin. En el año de 1881 se construyó en Godalming, Inglaterra, la primera planta hidroeléctrica y la producción de energía eléctrica a gran escala empezó en 1895, cuando se construyó la presa de 3.75 MW (megawatts) en las cataratas del Niágara. Los rayos solares calientan los océanos, provocando que el agua se evapore y suba a la atmósfera para condensarse en las nubes y caer en forma de lluvia o nieve. Una parte cae en el mar y el resto en los continentes. Esta última es la que se aprovecha. El agua que cae en la tierra forma ríos que, debido a las condiciones topográficas, generalmente desembocan al mar. Para aprovechar la energía hidráulica se requiere, además de que los ríos transporten grandes volúmenes de agua, que las condiciones topográficas sean adecuadas, es decir, que haya grandes caídas de agua en su trayecto hacia el mar. Para convertir la energía hidráulica en electricidad, generalmente se construyen varias plantas hidroeléctricas a lo largo de un río. Por ejemplo, en el río Grijalva, de la parte más alta del río a la desembocadura están las siguientes presas: San Miguel, La Angostura, Netzahualcóyotl, Chicoasén y Malpaso (véase el recuadro 9).

Recuadro 9 Hidroeléctrica de Batopilas y la Société du Necaxa. La primera central hidroeléctrica mexicana se construyó en 1889 en Batopilas, Chihuahua. En 1900, "un empresario francés, el doctor Vacquié, a nombre de la Société du Necaxa, obtuvo la concesión para aprovechar las aguas de ese río en la generación de electricidad. También el mismo año, llegó a México el ingeniero estadunidense Fred Stark Pearson quien, tras visitar la región de Necaxa y realizar los proyectos preliminares necesarios para la instalación de una central hidroeléctrica, formó en Ottawa, Canadá, la Mexican Light and Power Company, Ltd., que obtuvo la concesión de la compañía francesa, procediendo a continuación al montaje de la central, cuya primera unidad entró en operación en diciembre de 1905". JOSÉ LUIS HERNÁNDEZ GALÁN, La energía de la Tierra, CECSA, México.

En una presa se construye una gran cortina de concreto armado que detiene el agua que fluye del río. De esta forma se acumulan millones de metros cúbicos de agua que poseen una energía potencial, cuyo valor depende de la diferencia de los niveles superior e inferior de agua (la altura de la caída de agua) y el volumen de agua acumulada. En la cortina de la presa hay unas válvulas, llamadas compuertas; cuando éstas se abren permiten que el agua circule libremente, cayendo desde grandes alturas (entre 60 y 750 m) a un depósito inferior, para continuar su trayecto hacia el mar (véase figura 26). Cuando se abren las compuertas de una presa el volumen de agua que fluye por unidad de tiempo (llamado gasto) es muy grande (por ejemplo, en la presa Netzahualcóyotl circulan 240 m³ cada segundo). La energía que inicialmente era potencial, ahora se transforma en energía cinética debido al gran chorro de agua que cae. Éste choca con los cangilones (especie de aspas en forma de cuchara con una estría en el centro, en el caso de la turbina Pelton) de una turbina, provocando que ésta gire a gran velocidad (alrededor de 100 revoluciones por minuto). La turbina, a su vez, está unida a un generador de corriente eléctrica, parecido al generador de un coche, pero de grandes dimensiones y de esta forma se produce electricidad (véase la figura 26).

Figura 26. Diagrama de una central hidroeléctrica. Cuando la caída de agua es grande (100 m o más), se utiliza una turbina tipo Pelton, cuya eficiencia está entre 84 y 88%. Cuando los saltos de agua son menores de 100 m, es más conveniente usar las turbinas Francis (eficiencia de 94-96%) y Kaplan (eficiencia de 93-95%). Las Francis se utilizan en caídas de agua cercanas a los 100 m y las Kaplan para caídas aún menores (véase la figura 27).

Figura 27. Diferentes tipos de turbinas hidráulicas. Entre las ventajas que tiene una central hidroeléctrica está su alta eficiencia (entre 80 y 90%) y además no contamina. Entre las desventajas está la acumulación de sedimentos en el fondo de la presa, por la erosión del agua, la cual ocasiona una reducción en la vida útil de la presa; además, son escasos los lugares adecuados para construirla. En nuestro país, hasta 1981, el 36% de la energía eléctrica total se generaba con 45 plantas hidroeléctricas. Sin embargo, en ese entonces ya se estaban construyendo siete nuevas plantas.

VII. LA GEOTERMIA: TETERA NATURAL DESDE la Antigüedad, el ser humano ha usado las aguas termales con diversos fines. Son conocidos el baño turco o hamán, el baño sauna y las termas romanas. En el caso de México, el temascalli se utilizó desde la época precolombina. Y ¿cuántas personas no han aprovechado los manantiales de aguas termales de Los Azufres o de Ixtapan de la Sal? Las aguas termales, los géysers, los volcanes de lodo, las fumarolas y las erupciones volcánicas son manifestaciones de un mismo fenómeno: el calor terrestre. Este calor proviene del núcleo de la Tierra, que posee una temperatura aproximada de 4 000ºC y que está constituido por un núcleo externo de materia fluida y otro interno, sólido, de hierro. Se puede afirmar que el origen del calor terrestre está relacionado con la formación de la Tierra. Éste proviene del calor generado por el núcleo terrestre. La corteza actúa como una especie de aislante de las capas interiores (manto y núcleo) y por otro lado, los elementos radiactivos, tales como potasio, uranio y torio, presentes principalmente en la corteza continental, contribuyen parcialmente en la generación de calor por decaimiento radiactivo (10 microcalorías/gramo/ año). A partir del calor que produce nuestro planeta, la teoría llamada tectónica de placas explica los fenómenos geofísicos que se presentan en la superficie, tales como sismos y volcanes, mediante el mecanismo que lleva el calor del interior a la superficie. La costra de nuestro planeta está constituida de grandes placas de roca que se deslizan unas sobre otras. Generalmente una placa oceánica se mete abajo de una continental, provocando fracturas en las rocas por donde pueden escapar gases y vapores de magma (sílice (Si02) y minerales con hierro y magnesio), formándose burbujas magmáticas que llegan a las proximidades de la superficie. El agua que se ha filtrado por las fisuras de la corteza, a lo largo de años, y que se encuentra cerca de una cámara magmática se ha calentado debido a que el foco de calor está en contacto con una roca impermeable conductora y ésta ha transmitido el calor hasta una formación rocosa permeable. En esta última, el agua ha quedado atrapada, formando un acuífero de agua caliente. Dicha formación está sellada en la parte superior por una capa de sales, que se han desprendido debido a que el agua filtrada disolvió las sales al pasar por las rocas (véase la figura 28).

Figura 28. Depósito geotérmico. De esta forma, a profundidades que oscilan entre 0 y 10 km se puede encontrar un acuífero, en el cual potencialmente puede haber agua caliente, vapor de agua o ambos. La temperatura del suelo terrestre aumenta con la profundidad a una razón promedio de 30ºC por kilómetro; sin embargo, las variaciones de la temperatura no son las mismas en todos los lugares de la Tierra. La exploración de yacimientos geotérmicos permite localizar aquellos lugares en los que es posible encontrar agua o vapor a temperaturas elevadas y a profundidades cercanas a la superficie. Como la perforación de un pozo

geotérmico potencial es muy costosa, se utilizan métodos indirectos que permiten aproximarse poco a poco a las posibilidades del lugar en cuestión. Entre éstos podemos mencionar la obtención de imágenes infrarrojas del lugar desde satélites y después desde aviones, es decir, utilizando la técnica denominada percepción remota; el análisis químico de muestras de roca; la medición directa de la temperatura con termómetros enterrados en el suelo; la creación de un modelo geológico tridimensional del yacimiento; las mediciones de la resistividad eléctrica del suelo y la densidad relativa de las rocas (gravimetría), y la reflexión y refracción de las ondas sísmicas, a partir de mediciones naturales o artificiales (con explosivos). Una vez que se han agotado los métodos indirectos se procede a la perforación del pozo, que es similar a la de un pozo petrolero. Los pozos geotérmicos pueden ser de tres tipos: 1) vapor, 2) de líquido (agua caliente) y 3) de una mezcla de vapor y líquido. Los yacimientos geotérmicos que contienen líquido y vapor son los más difíciles de explotar, dado que el agua contiene sales disueltas y forma una mezcla llamada salmuera. Ésta ocasiona grandes problemas de corrosión en las instalaciones geotérmicas, que deben resolver los ingenieros geotérmicos, si quieren que una planta sea duradera. El funcionamiento de una central geotérmica como la de Cerro Prieto, en Baja California Norte, que utiliza un ciclo binario (pues se emplea un ciclo para el vapor y otro para el agua) es como sigue: Se explotan varios pozos geotérmicos, de los que se obtiene agua caliente y vapor, que llegan a un separador. Posteriormente, mediante un proceso de centrifugación se separa el vapor y el agua. El vapor de alta presión obtenido se envía a una turbina especialmente diseñada para trabajar con vapor geotérmico (si se quiere generar la misma cantidad de electricidad las turbinas deben admitir un volumen mayor del que se requiere en una central convencional). La energía del vapor se transforma en energía cinética de rotación en la turbina, que gira a miles de revoluciones por segundo. La turbina se une a través de un eje, llamado rotor, a un generador capaz de producir energía eléctrica. Sin embargo, una vez que se ha utilizado el vapor, éste pasa a un condensador, lo cual permite que la planta proporcione más potencia, en lugar de descargarlo a la atmósfera. Del condensador se extraen los gases que no se pueden condensar y se eliminan a la atmósfera (anhídrido carbónico y ácido sulfhídrico); el agua obtenida del condensador se bombea para su utilización posterior. A continuación, el agua separada se conduce a otros separadores y evaporadores de baja presión, lo cual posibilita producir energía eléctrica adicional. El agua de los condensadores pasa a una torre de enfriamiento y el calor obtenido en ésta se aprovecha para que trabajen los evaporadores (véase la figura 29).

Figura 29. Diagrama de una central geotérmica. (Basado en esquema de Luis C. A. Gutiérrez Negrin.) Por otro lado, el agua de desecho se envía a una laguna, llamada de evaporación, aunque también se puede tratar para obtener sustancias como ácido bórico, gas carbónico, agua pesada, cloruro de calcio, bicarbonato, sulfato de

amonio y cloruro de potasio (este último se produce en Cerro Prieto y se usa como fertilizante). También se puede usar en la pesca, dado que un depósito de agua caliente es adecuado para la crianza de peces. Sin embargo, en algunas centrales geotérmicas el agua se reinyecta para evitar la contaminación de algunos subproductos geotérmicos. La producción mundial de electricidad a través de centrales geotérmicas fue de 4 760 MW y nuestro país contribuyó (en 1991) a esta cifra generando 620 MW en la planta de Cerro Prieto, y 80 MW en Los Azufres, Michoacán. México ocupa el tercer lugar en la producción de electricidad a partir de energía geotérmica (primero está EUA y después Filipinas) y fue también el tercer país que instaló una central geotérmica en el mundo, la de Pathé, en Hidalgo, que empezó a funcionar en 1959; sin embargo, como producía 150 kW y requería mucho mantenimiento, tuvo que pararse. La primera central geotérmica que se construyó fue la de Larderello, en Italia, y fue construida por Piero Ginori Conti, en 1904 (véase el recuadro 10). El segundo país que instaló una central geotérmica fue Nueva Zelanda.

Recuadro 10 El príncipe de la geometría. "En 1884, el doctor Ferdinand Reynaut alimentó el vapor obtenido de los pozos a un cambiador de calor, en el que evaporó agua de un riachuelo próximo y, con este vapor "limpio", hizo trabajar una máquina de émbolo de nueve caballos de fuerza. Ésta fue la primera aplicación geométrica a la generación de potencia, en este caso, mecánica, y aunque la instalación no duró mucho debido a la corrosión que sufrió el cambiador de calor, sirvió para demostrar que era posible represionar un pozo geotérmico sin que el vapor buscara otra salida, como se había temido. En 1904, el príncipe Piero Ginon Conti, que llegaría a ser el presidente de la Società Boracifera di Larderello, repitió el experimento, pero esta vez alimentando directamente vapor geotérmico, de varias atmósferas, a una pequeña máquina de 3/4 de caballo que accionaba un generador de corriente directa. La electricidad así producida se usó en la iluminación de la planta de Larderello y ésa fue la primera aplicación geotermoeléctrica de la historia." JOSÉ LUISHERNÁNDEZ GALÁN, La energía de la Tierra,CECSA, México.

La temperatura promedio del agua o vapor geotérmicos está entre 150 y 340ºC, aunque con temperaturas menores también puede aprovecharse la energía geotérmica. Las profundidades a las que se encuentra un pozo geotérmico oscilan entre 200 y 3 500 m. La eficiencia real de una planta geotérmica es de 11 a 13%; y la duración promedio de un pozo geotérmico es de 10 años.

VIII. LA ENERGÍA DE LOS NÚCLEOS DE LOS ÁTOMOS VIII. 1. LA FISIÓN NUCLEAR EN 1932, el físico inglés James Chadwick descubre el neutrón. Con ello se abren las puertas para seguir las investigaciones que conducirían a Enrico Fermi a construir en Chicago la primera pila o reactor nuclear. El neutrón es una partícula que no tiene carga eléctrica y su masa es casi igual a la del protón. Ambas partículas forman el núcleo de un átomo. Chadwick trabajó para Ernest Rutherford, quien propuso el modelo del átomo, constituido por un núcleo central cargado positivamente y electrones girando a su alrededor. El modelo de Rutherford, junto con el tratamiento cuántico que le dio el físico danés Niels Bohr, conforman la descripción clásica del átomo. La descripción moderna incluye un núcleo, compuesto de protones, neutrones —que a su vez están compuestos por partículas más elementales llamadas quarks— y electrones representados como una nube con una cierta probabilidad de encontrarlos en un lugar determinado. En el texto en que Chadwick anuncia su descubrimiento dice así: Para explicar el gran poder de penetración de la radiación debemos suponer que la partícula no tiene carga neta. Podemos también suponer que se trata de una combinación cerrada de protón y electrón, el neutrón discutido por Rutherford en su Conferencia Baqueriana en 1920. (Proc. Roy. Soc. of London, vol. A 136, 1932). Pero, ¿cuál es la relación entre el neutrón y la energía nuclear? Primero, hay que conocer la estructura del núcleo atómico y, segundo, tomar en cuenta que los neutrones son los responsables de las reacciones en cadena. Al bombardear un átomo pesado con neutrones, el núcleo de éste se rompe o se fisiona, liberando en el proceso una enorme cantidad de energía. Al fisionarse puede emitir también neutrones, y si éstos son dos o tres, chocarán con otros átomos, produciéndose una reacción en cadena. Por esta razón, el descubrimiento del neutrón es decisivo en la energía nuclear y en particular para producir energía útil en un reactor nuclear. En 1933, los esposos Frédéric Joliot e Irene Curie descubren que al bombear una delgada lámina de aluminio con partículas alfa (núcleos de helio) provenientes de una fuente de polonio, se produce una radiación muy intensa. Es así como nace la radiactividad artificial. El físico italiano Enrico Fermi demuestra en 1934 que al hacer incidir un haz de neutrones en la parafina, éstos se desaceleran, debido a los choques elásticos con los átomos de parafina y, lo más importante, que los neutrones lentos son más efectivos para producir algunas reacciones nucleares. En 1935 la química Ida Noddack propone la primera explicación de la fisión nuclear. Mientras esto ocurría, el equipo de Fermi bombardeaba con una fuente de neutrones el uranio y había encontrado un nuevo elemento de número atómico 93 que sufría "ulteriores desintegraciones cuya naturaleza aún no ha sido aclarada", según afirma Otto María Corbino, impulsor de Fermi. Ida Noddack había escrito una carta a la Revista de Química Aplicada, en la que señalaba: "Cabe pensar que al bombardear núcleos pesados con neutrones, estos núcleos se descompondrán en varias partes menores, las cuales, si bien serán isótopos de elementos conocidos, no serán vecinos de los elementos sujetos a radiación." Pese a que Ida Noddack envió al equipo de Fermi un artículo con su propuesta, no le hicieron caso. Aunque señala Emilio Segré, colaborador de Fermi, "tampoco Noddack se molestó en realizar los simples experimentos que podían sustentar su hipótesis." Mientras Fermi recibe en 1938 el Premio Nobel por la producción de elementos radiactivos artificiales a partir de neutrones, se entera de que se ha logrado romper el núcleo atómico con neutrones. Otto Hahn y su discípulo Fritz Strassmann comunican su resultado: "Como químicos, debemos decir que el producto obtenido es bario, no radio, pero como químicos nucleares no podemos persuadirlos de este salto, en contradicción con todos los conocimientos previos de física nuclear. Tal vez, después de todo, nuestros resultados

se volvieron engañosos por una serie de extraños accidentes". Otto Hahn comunica el hallazgo a su ayudante Lise Meitner, física austriaca de ascendencia judía a quien el fascismo hace huir a Suecia, pero que seguía de cerca las investigaciones de Hahn y lo había asistido durante más de treinta años. Lise se reúne con su sobrino en Kungalv, quien está de vacaciones: se trata del físico Otto R. Frisch, quien trabajaba en la misma dirección. Lise le da a leer la carta de Hahn y ambos interpretan correctamente el experimento que Hahn y Strassman no se habían atrevido a considerar como fisión nuclear. Efectivamente, bombardeando uranio con neutrones se producen dos elementos que nada tienen que ver con éste: bario y kriptón. Frisch viaja a Copenhague para comunicarle a Niels Bohr su descubrimiento, pidiéndole que lo mantenga en secreto hasta que él y Frau Meitner publiquen los resultados. A Frisch se le ocurre la idea de designar al fenómeno con el nombre de fisión nuclear, tras preguntar a un biólogo por el nombre que se utilizaba para referirse a una célula que se parte en dos. Cinco años más tarde sale publicado el artículo en la revista Nature, y esta demora les da ventaja a Hahn y Strassman, quienes reciben el Nobel por el descubrimiento. Poco después, Bohr y Wheeler (en aquella época su ayudante) exponen la teoría de que el isótopo de uranio-238 (el más abundante en la naturaleza) produce fisión sólo si se bombardea con neutrones rápidos (con energías mayores al megaelectrón- volt), mientras que el uranio-235 se puede fisionar con neutrones lentos. Más tarde, A. Nier y J. R. Dunning confirman experimentalmente la hipótesis de Bohr. Fermi y Bohr eran las cabezas de las investigaciones nucleares de la época. En agosto de 1939, Leo Szilard, también pionero de la fisión, junto con varios compañeros húngaros, convencen a Albert Einstein para que firme una carta dirigida al entonces presidente de Estados Unidos Franklin Delano Roosevelt, advirtiéndole del peligro que entrañaba el descubrimiento de la fisión del átomo. La famosa carta, aún en controversia, sin justificación, dado que Einstein no participó en la construcción de la bomba atómica, provocó que los EUA aceleraran las investigaciones de la fisión nuclear para impedir que los alemanes tomaran la delantera. Y efectivamente, no pudieron tomarla porque los físicos más importantes se encontraban exiliados en EUA. Sin embargo, el mal uso de la energía nuclear fue lo que aceleró las investigaciones y produjo los desastrosos resultados conocidos por todos: la bomba atómica arrojada en 1945 sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki. En 1940 E. M. McMillan, J.W. Kennedy y A.C. Wahl descubren el plutonio, elemento producido en los reactores nucleares y que se utiliza para hacer la bomba atómica, utilizando el ciclotrón de 1.5 metros de Berkeley. Un equipo impresionante de físicos trabajaba entonces para lograr producir una reacción en cadena controlada y, "de pasadita", el combustible necesario para la fabricación de la bomba. Sólo cuatro años después del descubrimiento de la fisión, el 2 de diciembre de 1942, Fermi y sus colaboradores, después de algunos fracasos, logran construir en Stagg Field, Chicago, bajo la dirección de Arthur H. Compton, la primera pila de uranio, primer reactor nuclear, en el lugar donde se proyectaba instalar una cancha de squash para la Universidad de Chicago. Para entonces, en varios sitios de EUA se investigaba cómo lograr la fisión controlada, por ejemplo en las universidades de Berkeley y Columbia. El momento en que la pila de uranio de Chicago alcanzó el nivel crítico, según narra Fermi, fue como sigue: En la mañana del 2 de diciembre de 1942, las indicaciones demostraron que se habían excedido ligeramente las condiciones críticas, y que la reacción en cadena no se efectuaba dentro del sistema únicamente por la absorción de las tiras de cadmio. Durante la mañana, con cuidado se retiraron todas las tiras de cadmio menos una; esta última se extrajo poco a poco, y se vigiló de cerca la intensidad. A partir de las mediciones, se esperaba que el sistema se volviera crítico al remover un tramo de cerca de ocho pies de esta última tira. En efecto, cuando se removieron cerca de siete pies de altura, la intensidad se elevó a un valor muy alto, pero aun así, se estabilizó después de algunos minutos en un nivel finito. Con algo de ansiedad, se dio la orden de remover un pie y medio de la tira. Esta operación nos llevaría a la victoria. Cuando se retiró el pie y medio, muy lentamente comenzó a elevarse la intensidad, pero en una proporción cada vez mayor, que siguió creciendo hasta que se hizo evidente que finalmente se desviaría. Luego se insertaron las tiras de cadmio dentro de la estructura y la intensidad decayó con rapidez a un nivel insignificante. En los primeros experimentos se utilizó uranio natural (238), pero dado que se podían partir los núcleos con neutrones lentos, se formaron dos equipos de investigación: el de Dunning y Booth bajo la asesoría de Urey

(descubridor del agua pesada), que trabajaba con uranio enriquecido, y el de Fermi, Szilard, Zinn y Anderson, que empleaba uranio natural. Poco después, el Proyecto Manhattan, dirigido por el general Leslie Groves y con J. Robert Oppenheimer, como uno de los jefes, dio su fruto letal: las tres primeras bombas atómicas construidas en Los Alamos, Nuevo México. Sin embargo, toda moneda tiene dos caras. El reverso de la desgracia que representó la utilización de la energía de la fisión en las bombas atómicas lanzadas sobre Hiroshima y Nagasaki fue la construcción del reactor nuclear. Después del reactor de Chicago se construyeron rápidamente centrales nucleares en Canadá, Francia, la ex URSS, Alemania e Inglaterra. Hasta ahora se ha dado un panorama general de los hechos más relevantes que llevaron a la construcción del primer reactor, y sólo han pasado cincuenta años desde entonces. No obstante, estos sucesos se aquilatan mejor si se tiene una idea general del funcionamiento de un reactor nuclear. Un reactor es un sistema en el cual se libera calor como producto de la fisión nuclear controlada, el cual se aprovecha para generar electricidad, producir radioisótopos y hacer investigaciones científicas. Para su funcionamiento, el reactor requiere de un combustible: uranio y torio son los elementos más adecuados. Más adelante se verá por qué. El átomo se compone de un núcleo y de electrones con cierta probabilidad de encontrarlos en un lugar determinado alrededor del núcleo. Éste está formado por dos tipos de partículas: los protones y los neutrones. Los protones tienen una masa de 1.673 X 10-27 kg, ligeramente menor que la de los neutrones (1.675 X 10-27 kg). Los protones están cargados positivamente, mientras que los neutrones no tienen carga. La estructura de los núcleos atómicos depende del número de protones y neutrones de cada núcleo. El número de protones o número atómico se designa por la letra Z, y el número de nucleones (protones más neutrones) se llama número de masa o másico y se representa por la letra A. De manera que el número A-Z da el número de neutrones de un átomo. Por ejemplo, 238U92 quiere decir uranio con Z=92 protones y A=238 nucleones, por lo tanto, AZ=146 neutrones. En cambio, el 235U92 tiene Z=92 protones y A-Z=143 neutrones. El primero, 238U92, es el llamado uranio natural y es el que más abunda en la naturaleza. El 235U92, tiene que enriquecerse, ya que se encuentra en una proporción de 0.7% mezclado con el uranio natural. Entre los procesos de enriquecimiento pueden mencionarse la difusión y la centrifugación; ambos requieren de una tecnología compleja. En el método de difusión gaseosa se aprovecha el hecho de que como el 235U92 es más ligero que el 238U92, la velocidad de difusión del 235U92 a través de una delgada capa (metal poroso) es más rápida. Para lograrlo, los óxidos sólidos de uranio se transforman en hexafluoruro de uranio (UF6), compuesto que se puede convertir en vapor fácilmente. Como la concentración de uranio enriquecido (235U92) aumenta lentamente, es necesario repetir el proceso de difusión muchas veces con ayuda de bombas y condensadores. El proceso de enriquecimiento por centrifugación se basa en que el gas de hexafluoruro de uranio (UF6) —que contiene tanto uranio natural (238U92) como enriquecido (235U92)—, al someterse a la centrifugación (como cuando nos metemos al torbellino en una feria), desplaza a los bordes el uranio natural más pesado y deja más cerca del centro al uranio enriquecido, que es más ligero. El uranio ligeramente enriquecido se recoge mediante unas tuberías y se vuelve a centrifugar. Este procedimiento se repite varias veces hasta conseguir la concentración adecuada. La ventaja del método de centrifugación es que consume la décima parte de energía que el de difusión. El número atómico o de protones determina químicamente a un elemento, aunque cambie en número de neutrones; de manera que a un elemento con diferente número de neutrones pero igual número de protones se le llama isótopo. En el ejemplo anterior el uranio 235 y el 238 son dos isótopos del mismo elemento: uranio. Los isótopos son químicamente idénticos, pero su estructura nuclear es muy diferente. Tanto así, que los dos grandes grupos de reactores se dividen en los que utilizan uranio natural como combustible en forma de óxido de uranio (UO2) y los que usan uranio enriquecido, como hexafluoruro de uranio (UF6). La diferencia entre ambos sólo son tres neutrones.

Si pudiéramos colocar en una balanza de equilibrio las partículas que constituyen el núcleo, separadas en uno de los platos, y en el otro todo el núcleo, observaríamos un fenómeno interesante: el plato donde se encuentran las partículas que componen el núcleo separadas, pesará más. Esta diferencia de masa entre ambos estados se debe a la energía que mantiene unidos a los protones y los neutrones y se denomina energía de amarre. Dicha energía es la que se aprovecha al romper los núcleos atómicos y se calcula a partir de la fórmula de Einstein, E = mc², que establece la equivalencia entre masa y energía. Cuando se hace incidir un haz de neutrones en un núcleo de uranio pueden ocurrir tres cosas: 1) una reacción de dispersión en la que, debido a colisiones elásticas o inelásticas, se da únicamente un intercambio de energía entre el núcleo y los neutrones; 2) una captura radiactiva, en la cual un neutrón es capturado (lento, en la mayoría de los casos), se emiten partículas gamma (γ) o fotones de alta energía y posteriormente el átomo radiactivo decae formando otro elemento, que a su vez emite partículas beta (β) o electrones; 3) una fisión nuclear, en la cual los núcleos de número másico elevado, y sólo éstos, absorben un neutrón. El elemento pesado, al absorber el neutrón provoca que las fuerzas nucleares de atracción entre protón-protón, neutrón-neutrón y protón-neutrón, sean comparables a las fuerzas de repulsión electrostáticas (o coulombianas) entre los protones cargados positivamente. Es decir, la fisión consiste en el rompimiento de un núcleo atómico pesado para formar dos ligeros, proceso durante el cual se libera gran cantidad de energía (véase la figura 30).

Figura 30. Reacción en cadena de un núcleo de uranio enriquecido con moderador de neutrones. El núcleo, como resultado de la colisión con el neutrón se rompe en dos núcleos de manera parecida a como ocurre cuando una gota de agua se divide en dos. En caso de que los neutrones incidentes sean lentos, los fragmentos de núcleo guardarán una relación de 2 a 3 respecto a su masa. Éste es el caso del bario y el kriptón, y en general de cualquier pareja de elementos altamente radiactivos. Los núcleos resultantes de la fisión se llaman productos de fisión (véase la figura 30). En las reacciones de fisión se rompen generalmente núcleos de tono, uranio o plutonio. El resultado son dos núcleos ligeros y la liberación de una enorme cantidad de energía en forma de calor y, en algunos casos, otros neutrones. La energía liberada al bombardear un núcleo de uranio-235 es de aproximadamente 200 MeV (megaelectrónvolts). Para tener una idea de lo que representa esta cifra, equivale a una energía tres millones de veces mayor que la liberada en la combustión de carbón. La mayor parte de la energía liberada (salvo la de los neutrinos) se convierte en calor (véase el cuadro IX). CUADRO IX. Distribución aproximada de la energía liberada en la fisión de un núcleo radiactivo. MeV (megaelectrónvolts)

Energía cinética de los fragmentos de fisión

168

Energía Instantánea de los rayos gamma (γ) Energía cinética de los neutrones de fisión

7

Partículas beta (β) de los productos de fisión

7

Rayos gamma (γ) de los productos de fisión Neutrinos (partículas sin carga y sin masa)

6

Total

5

10 203

Por otro lado, hay núclidos (núcleos característicos) fisionables únicamente con neutrones de mucha energía, llamados neutrones rápidos; éstos son el torio-232 y el uranio-238. En cambio, hay otros que se pueden romper con neutrones de cualquier energía y en particular con neutrones de baja energía, llamados neutrones lentos. Éstos son: uranio-233, uranio-235 y plutonio-239. A este último tipo de núcleos se les llama fisibles para distinguirlos de los primeros, llamados fisionables. Los neutrones lentos tienen mayor probabilidad de provocar una reacción de fisión —según lo demostró Fermi—, ya que pasan cerca del núcleo radiactivo durante más tiempo (la sección eficaz de dispersión es mayor para los neutrones lentos). La energía calorífica liberada en la fisión de un kilogramo de uranio-235 es de 81 X 1012 joules y la de un kilogramo de plutonio-239 es de 79.5 X 1012 joules. Una reacción de fisión puede controlarse cuando se logra que en promedio se produzcan dos o tres neutrones capaces de chocar con otros núcleos de uranio. Éste es el proceso que ocurre en el interior de un reactor. La forma física de evaluarlo consiste en medir una cantidad llamada factor de reproducción, que es igual al cociente del número de neutrones producidos en un intervalo corto de tiempo, entre los neutrones absorbidos por cualquier proceso más los neutrones perdidos también en ese intervalo. Si este valor, designado por la letra k, es igual a 1, el reactor se denomina crítico; si es menor o mayor que 1 se llama subcrítico o supercrítico, respectivamente. La cantidad mínima de combustible necesaria para producir una reacción en cadena controlada, en el caso de un reactor, o sin control, cuando se trata de una bomba atómica, se denomina masa crítica y de ésta dependen las dimensiones del reactor (debe haber cierta densidad de neutrones producidos). Para el uranio-235, en ciertas condiciones, la masa crítica es de aproximadamente 1 kg. Sin embargo, el uranio, tal y como se encuentra en la naturaleza, nunca puede alcanzar las condiciones críticas (afortunadamente). Un reactor, para producir energía eléctrica funciona como sigue: la parte más importante del reactor es el núcleo. En él se encuentran las barras de combustible, el moderador, el refrigerante, las barras de control, el reflector y la fuente de neutrones. Todos ellos están protegidos, para evitar que salgan las radiaciones, con una gruesa capa de acero llamada vasija del reactor y posteriormente una gruesa protección de concreto armado. Los componentes varían según el tipo de reactor. La fuente de neutrones puede ser de polonio-berilio o radón-berilio, emisores de partículas alfa (α), núcleos de helio. Ésta se acerca a las barras de combustible para iniciar la reacción nuclear. Las barras de combustible están rodeadas de un material o sustancia llamado moderador. El moderador se encarga de frenar los neutrones para aumentar la posibilidad de producir fisiones nucleares. Como moderadores se utilizan el agua pesada (bióxido de deuterio), en los reactores canadienses CANDU, que operan con uranio natural, y agua natural en los reactores BWR y PWR (de agua hirviente y agua a presión, respectivamente), que trabajan con uranio enriquecido (véase la figura 31). También se utiliza berilio, óxido de berilio y carbón en forma de grafito. El reflector se encarga de reducir las pérdidas de neutrones en las paredes del núcleo del reactor. Las barras de control al sumergirse absorben gran cantidad de neutrones; éstas son generalmente de boro o cadmio, y su función es controlar la potencia del reactor al grado de poder pararlo inmediatamente.

Figura 31. Diagrama de un reactor de agua a presión (PWR). (FUENTE: CFE.) El refrigerante es el fluido que absorbe el calor producido por la fisión y lo transporta fuera del núcleo del reactor. En algunos casos el moderador y el refrigerante son de la misma sustancia, por ejemplo, de agua; pero el refrigerante puede ser de sodio líquido, una mezcla de sodio y potasio, bióxido de carbono o helio. El calor producido por la fisión se lleva fuera del núcleo (véase la figura 31) y mediante un intercambiador de calor (exceptuando el caso en que el refrigerante sea agua) se aprovecha dicho calor para producir vapor de agua, que va directamente a una turbina conectada a un generador, para así producir energía eléctrica. Existen varios tipos de reactor: PWR (reactor de agua a presión y uranio enriquecido), BWR (reactor de agua hirviente y uranio enriquecido), CANDU (reactor de agua pesada como moderador que utiliza uranio natural y barras de combustible presurizadas), HTCR (reactor que usa como refrigerante helio gasificado a alta temperatura y grafito como moderador) y FBR (reactor rápido de cría, en el que a partir de neutrones rápidos se producen grandes cantidades de plutonio, más que el producido originalmente, de manera que no hay que recambiar las barras de combustible). Cada tipo de reactor tiene ventajas y desventajas; sin embargo, una condición que todos deben satisfacer es la seguridad, es decir, una alta probabilidad de que no ocurran accidentes, ya que los productos de fisión son altamente radiactivos, lo que puede constituir una amenaza para cualquier forma de vida y afectar el medio. Por ello, la seguridad en los reactores es fundamental. Otro gran problema es el almacenamiento o el destino que se dé a los desechos radiactivos. Pese al rechazo social que ha ocasionado la energía nuclear por los accidentes ocurridos y por el destino de los desechos radiactivos, la tecnología nuclear es un recurso que se debe conocer y considerar dentro de las posibilidades energéticas, porque es un recurso real que proporciona a la población grandes cantidades de energía eléctrica. En el cuadro X se proporciona la radiación que recibe un ser humano en un año. Como puede observarse, la cantidad de radiación natural es superior a la artificial CUADRO X. Radiación que recibe una persona anualmente. Radiación

Milirems (mrem)

Radiación natural Materiales terrestres Rayos cósmicos (Sol y estrellas) Materiales de construcción Materiales terrestres SUBTOTAL

60 50 5-15 10 125-135

Radiación del cuerpo humano por elementos radioactivos presentes en él

25

Radiación artíficial Radiografías y fluoroscopías Aparatos de televisión Viajes en avión (más de 7 h) Centrales nucleares Relojes con carátula luminosa SUBTOTAL

40 5 5 3 2 55

TOTAL

205-215

FUENTE: CFE,1987

En el caso de México, se está construyendo la segunda unidad de la Central Nucleoeléctrica de Laguna Verde, Veracruz (es del tipo BWR). La primera ya genera 654 MW de potencia y es el primer reactor nuclear para producir electricidad que posee el país. La segunda unidad entrará en operación en pocos años y generará una cantidad similar de energía eléctrica. También existen algunos reactores nucleares para experimentación, como el que tiene el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, en Salazar y el del Instituto de Investigaciones Nucleares, en la UNAM, pero todos éstos son reactores subcríticos.

VIII. 2. FUSIÓN NUCLEAR En todas las estrellas y en el Sol, en particular, se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear. A temperaturas de millones de grados los átomos se disocian y quedan cargados eléctricamente o ionizados en un estado de la materia que se denomina plasma. En estas condiciones se rompen las barreras que mantienen unidos a los electrones con el núcleo, los cuales se denominan coulombianas y se pueden unir los núcleos de los átomos, liberando grandes cantidades de energía. En la fusión, las reacciones nucleares que ocurren en las estrellas se han reproducido en condiciones simplificadas y artificiales en los laboratorios terrestres. En una reacción de fusión dos núcleos de elementos ligeros como el hidrógeno se unen para formar uno pesado, con una energía de amarre mayor que cualquiera de los núcleos ligeros. Dado que la energía de amarre es mayor, hay un déficit de masa o una masa faltante, que se manifiesta de acuerdo con la fórmula de Einstein como una gran liberación de energía. Los elementos e isótopos que se utilizan para producir una reacción de fusión son el deuterio, el tritio (isótopos del hidrógeno) y el helio (véase la figura 32). En los reactores de fusión, la reacción más conveniente en términos energéticos es la de deuterio y tritio. El primero se encuentra en el agua y el segundo se puede producir artificialmente a partir del litio. En términos de abundancia y costo, la reacción más conveniente es la de deuterio con deuterio.

Para vencer la repulsión electrostática de los núcleos de deuterio y tritio y poder fusionarlos se necesita alcanzar una temperatura superior a 50 millones de grados, temperatura de un plasma. Otras reacciones de fusión: D+

D

He +

n + 0.82 MeV

D+

D

T+

H + 1.01 MeV

D+

He

He +

H + 3.6 MeV

Figura 32. Reacción de fusión nuclear deuterio-tritio. Para producir artificialmente una reacción de fusión se necesita vencer la fuerza de repulsión de los núcleos que se quieren fusionar. Esto sólo se ha logrado de dos maneras diferentes: 1) Elevando la temperatura del combustible de fusión a varias decenas de millones de grados, estado de la materia que se conoce con el nombre de plasma; en términos generales consiste en un gas cargado eléctricamente, en el cual las elevadas temperaturas haces que se separen los electrones del gas. Sin embargo, a estas temperaturas no existe un material que pueda guardar al gas cargado o plasma. Para lograrlo se requieren grandes imanes eléctricos (electroimanes) y que el gas tenga la forma de un toro o dona. Sólo manteniendo estas condiciones, aproximadamente en pulsos de un segundo de duración, se puede producir una reacción de fusión, en la que haya ganancia de energía y ésta se pueda aprovechar. (En teoría se establece el criterio de Lawson, que señala que para un tipo de reacción el producto de la densidad del plasma por el tiempo de confinamiento debe ser igual a un valor mínimo). Este tipo de confinamiento se denomina magnético y el dispositivo más utilizado para lograrlo fue propuesto por los físicos soviéticos Igor E. Tamin y Andréi D. Sajarov, en 1950. Se denomina TOKAMAK, que es un acróstico de toroid (toroide), kamera (cámara), magnet (imán) ykatushka (bobina). En un TOKAMAK se utiliza un gran electroimán o transformador de corriente, en el cual se aplica un voltaje en el llamado primario y por inducción se produce una corriente en el secundario. En el caso del TOKAMAK, el secundario es el plasma donde se va a llevar a cabo la fusión nuclear. Como no existe ningún material que pueda soportar las temperaturas de un plasma, se ha propuesto la forma de dona o toro. Como debe ser el plasma el que haga las veces de secundario y no el recipiente metálico que lo contiene, se colocan cuatro anillos dieléctricos que cortan la dona en cuatro (llamados cortes poloidales) para que la corriente se interrumpa en el recipiente metálico que contiene el plasma. Un segundo problema es evitar que el plasma de fusión toque las paredes del recipiente, lo cual se ha resuelto colocando una bobina enrollada en la dona para que forme un campo magnético muy intenso y el plasma quede confinado magnéticamente en una segunda dona más pequeña que no toca las paredes del contenedor (véase la figura 33).

Figura 33. Diagrama esquemático de un TOKAMAK. Reactor de fusión por confinamiento magnético. En México se ha construido en el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares un TOKAMAK experimental llamado Novillo. Hasta ahora, en la mayoría de los TOKAMAK los tiempos de confinamiento han sido de milésimas de segundo, razón por la cual se ha invertido más energía en calentar el plasma que la que se obtiene de la fusión nuclear. 2) Otra forma de lograr una reacción de fusión es el método de confinamiento inercial. En la fusión por el método de confinamiento inercial se ha utilizado un láser muy potente (de 30 000 000 000 de watts) que se parte en varios rayos y el pulso tiene una duración de una mil millonésima de segundo. Los "brazos" del láser se hacen incidir en una minúscula pelotita que contiene deuterio y tritio. El láser provoca un gran aumento repentino de la presión y temperatura en la cápsula con deuterio y tritio, y la fuerza de inercia comprime a los núcleos hasta lograr la fusión. Hasta ahora no se ha logrado construir un reactor de fusión comercial, esto es, que sea capaz de producir energía eléctrica. Sin embargo, en Inglaterra se han obtenido progresos considerables. En Rusia se tienen grandes TOKAMAK, al igual que en Japón. En relación con los sistemas de confinamiento inercial, en el Lawrence Livermore Laboratory, en California, funcionan los dos grandes láseres de fusión llamados Shiva y Nova. Entre las reacciones de fusión más convenientes, la de deuterio-tritio tiene la ventaja de que el deuterio se encuentra en forma abundante en la naturaleza y el tritio se puede producir a partir del litio como ya se había mencionado anteriormente. Una de las grandes ventajas de la fusión controlada es la escasa radiación producida, así como la corta vida de los elementos radiactivos como el tritio (isótopo del hidrógeno), que en realidad es el único producto radiactivo de las reacciones de fusión, los neutrones que decaen en átomos de hidrógeno y los productos radiactivos que se producen cuando los neutrones chocan con las paredes del contenedor, que dependen de la estructura del mismo. Todo lo anterior, sin considerar que se produce (en el caso de la reacción deuterio-tritio) cuatro veces más energía que en la fisión nuclear. Basta esperar que se den las condiciones de ignición del reactor, es decir, que se produzca más energía de la que se invierte para lograr la fusión.

IX. LA CUERDA DEL MOVIMIENTO: ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA CUANDO jugamos con un balero notamos que después de cierto tiempo nos cuesta más trabajo hacer capiruchos, debido a que la cuerda se ha enredado. Si dejamos el balero colgando observamos que empieza a girar solo a gran velocidad en un sentido; lo mismo ocurre con un yoyo. ¿Qué ocasiona que se mueva el balero? La respuesta la encontramos en el almacenamiento de energía. Una parte de la energía que hemos empleado para jugar se ha almacenado en la cuerda y se manifiesta posteriormente como energía cinética. También la cuerda de los juguetes es otro mecanismo en el que interviene el fenómeno de almacenar energía. Hoy, en todos los juguetes de pilas se almacena energía. De hecho, las pilas son uno de los múltiples sistemas de almacenamiento de energía. En la vida cotidiana, el sistema de almacenamiento más conocido es la batería de un automóvil (construida a base de plomo y un ácido), cuya diferencia con una pila es que aquélla es recargable, mientras que la mayoría de las pilas comunes se descargan y no pueden recargarse. Pero, además de los juguetes y las baterías, los sistemas de almacenamiento de energía tienen dos aplicaciones a gran escala: 1) Posibilitan hacer un uso más eficiente de la energía que se consume. Para ello, es posible guardar la energía durante los periodos de baja demanda, mediante un sistema de almacenamiento de energía, y utilizarla en los periodos de alta demanda. Esto puede hacerse en ciclos diarios, semanales, mensuales, estacionales, etc. Se ha demostrado que si se emplea el almacenamiento de energía en ciclos diarios, se puede reducir un 3% la unidad superior de demanda y con ciclos semanales se reduce un 5%. En la figura 34 se muestra una curva típica semanal de demanda de energía que se satisface con los diferentes tipos de centrales eléctricas. Comúnmente las plantas termoeléctricas de combustible de bajo precio se utilizan para satisfacer la demanda de energía en las horas en que se gasta más energía o demanda pico, cuya eficiencia es de alrededor de 25%. En estos casos, la introducción de un sistema de almacenamiento puede reducir en 5% la máxima demanda de energía, porque se aprovecha más eficientemente en el tiempo.

En la gráfica A se muestra una curva típica de la genercaión de energía eléctrica de todas las centrales eléctricas a lo largo de una semana (como puede observarse, en las noches, sábado y domingo se requiere menos energía eléctrica). En B se muestra la misma curva pero con la introducción de un sistema de almacenamiento. se guarda la energía en las noches, sábado y domingos y se genera para satisfacer la demanda pico, con este sistema se puede conseguir un ahorro de energía eléctrica.

Figura 34. Almacenamiento de energía.

2) En el caso de las fuentes intermitentes de energía, tales como la energía solar o la eólica, los sistemas de almacenamiento de energía son indispensables, si se quiere disponer de energía en forma continua. En el caso de la energía solar, sólo hay Sol de día, así que si se quiere aprovechar la energía solar durante las noches se debe emplear un sistema de almacenamiento de energía. Esto evidentemente trae como consecuencia que el costo de la energía solar sea superior. Por esto, es deseable contar con sistemas de almacenamiento de energía que sean eficientes, baratas y que sean durables. Estas tres características son fundamentales para seleccionar un sistema de almacenamiento de energía —así como en cualquier sistema energético—. También existen otras características como la densidad de energía, la capacidad de transporte y la duración del almacenamiento. Los sistemas físicos de almacenamiento de energía son: el bombeo de agua o hidrobombeo, el almacenamiento por aire comprimido, los volantes giratorios o flywheels, los sistemas de almacenamiento de calor latente y calor sensible y los imanes superconductores. Algunos de ellos se ilustran en la figura 35.

Figura 35. Algunos sistemas de almacenamiento de energía. El hidrobombeo consiste en elevar agua de un depósito inferior a otro superior, durante los periodos de baja demanda de electricidad (es decir, fuera de las horas pico en las que se consume más electricidad), y la operación como una planta hidroeléctrica convencional (dejando caer el agua y generando electricidad) durante las horas pico. La parte fundamental de un sistema de hidrobombeo es la turbobomba (una turbina con una bomba de agua). La turbina puede conectarse a un motor-generador, que dependiendo del sentido de rotación del rotor, puede generar electricidad, o bien, si la rotación se invierte, bombear agua del depósito inferior al superior. También es posible tener la turbina y el generador operando separadamente. La principal limitación de este sistema es el número reducido de lugares apropiados para la construcción de los depósitos. En el sistema de aire comprimido se guarda el aire a una presión elevada (80 atmósferas) en depósitos bajo tierra naturales o artificiales. Por ejemplo, minas abandonadas, cavidades rellenas con soluciones minerales o acuíferos. Durante las horas de baja demanda el aire se comprime adiabáticamente en compresores centrífugos y axiales y se almacena en la cavidad y durante las horas pico el aire se expande y mueve un turbogenerador.

Los volantes giratorios o flywheels son ruedas hechas de un material muy resistente a la tensión y con una distribución de materia que ayuda a soportar grandes velocidades (por ejemplo, un tipo de rueda es más delgada en el borde y aumenta de espesor conforme nos acercamos al centro). En los volantes giratorios se almacena energía cinética que es directamente proporcional a la tensión del material e inversamente proporcional a la densidad del mismo. Conforme aumenta la velocidad de giro del volante, aumenta la energía almacenada. Hay distintas formas de volantes giratorios: anillos concéntricos unidos por resinas, miles de pequeñas fibras unidas en el Centro como si se tratara de un manojo de espaguetti, ruedas con grosor decreciente y anillos suspendidos magnéticamente. Para generar electricidad los volantes giratorios se colocan en una unidad sellada al vacío, para evitar las pérdidas por fricción con el aire y se conectan a un motor-generador. Para entender mejor este sistema, en San Francisco se pusieron a operar unos tranvías con volantes giratorios. Durante las bajadas, el movimiento de las ruedas del tranvía hacía que se generase electricidad, la cual se almacenaba como energía cinética del volante giratorio y durante las subidas la energía almacenada en el volante se empleaba para mover el motor eléctrico del tranvía. En los sistemas de calor latente o sensible se aprovecha, valga la redundancia, el calor latente o sensible de un medio de almacenamiento para guardar el calor. En el proceso, un fluido de trabajo pasa o transfiere el calor de la fuente de almacenamiento. En el sistema de almacenamiento de calor latente se aprovecha el calor que produce una sustancia cuando cambia de fase. El cambio de sólido a líquido es el que más se utiliza en la práctica. Para guardar el calor se utilizan, por ejemplo, lechos de roca, agua caliente, líquidos orgánicos, metales, ladrillos, sales, etc. Para seleccionar los materiales se debe considerar que posean una alta capacidad calorífica (calor sensible) o un valor elevado de calor de fusión (calor latente). En ambos casos, la temperatura máxima y mínima, así como la densidad de energía, son los criterios que más pesan para elegir un material adecuado.

IX. 1. LOS IMANES SUPERCONDUCTORES Y OTROS SISTEMAS QUÍMICOS PARA ALMACENAR ENERGÍA El fenómeno de la superconductividad consiste en que, al bajar la temperatura de algunos materiales como el mercurio, el niobio, el plomo o el tantalio o aleaciones como el estaño, llega un momento (temperatura crítica) en que la resistencia al paso de la corriente se hace igual a cero, y en consecuencia, las pérdidas por la potencia disipada son despreciables. Por otro lado, otra propiedad de los superconductores es la presencia del efecto Meissner, que consiste en que éstos no permiten la presencia de un campo magnético, propiedad que posibilita que un superconductor flote en el aire si se coloca abajo de un imán. Estas propiedades tienen muchas aplicaciones en los sistemas eléctricos. Un imán superconductor es una bobina hecha de un material superconductor (un alambre enrollado en un núcleo) por la que se hace pasar una corriente elevada, produciéndose un campo magnético que induce una corriente eléctrica, aunque existe un campo magnético crítico y una corriente crítica para los cuales la superconductividad desaparece. En los imanes superconductores la energía almacenada es proporcional al cuadrado del campo magnético producido. Se ha propuesto almacenar energía mediante grandes bobinas enterradas bajo tierra, hechas de materiales superconductores, pues en estas condiciones las corrientes serían elevadas y los campos magnéticos que se producirían serían intensos. Así, se puede lograr que una corriente eléctrica se mantenga almacenada girando en la bobina sin pérdidas. Dichas bobinas deben estar provistas de un sistema de enfriamiento para alcanzar las condiciones de superconductividad. La gran ventaja de los imanes superconductores es su elevada eficiencia, así como el almacenamiento directo que se logra de la energía eléctrica. Se debe mencionar un descubrimiento reciente que de seguro provocará cambios tecnológicos y que servirá para lograr un aprovechamiento continuo de la energía solar: los nuevos materiales superconductores, llamados

superconductores de alta temperatura o calientes, hechos a base de óxidos de cobre con elementos de las tierras raras como lantano e itrio. Como se mencionó anteriormente, los sistemas de almacenamiento son indispensables para la utilización ininterrumpida de las fuentes intermitentes de energía, ya que con ellos dicha energía puede aprovecharse también durante las noches, así como para aumentar la eficiencia del proceso de demanda (le energía eléctrica. De estos sistemas, los imanes superconductores constituyen la forma más eficiente de almacenamiento; sin embargo, hasta ahora eran sumamente costosos, ya que requerían de un sistema de refrigeración muy complejo y helio líquido para alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto (-273º C). Con los nuevos materiales superconductores esta desventaja desaparece. Como se señaló anteriormente, cuando hay superconductividad, la resistencia al paso de una corriente eléctrica es cero o nula. Con los novedosos materiales la superconductividad puede lograrse a temperaturas mucho más altas que las obtenidas anteriormente (-175º C), lo que permite utilizar nitrógeno líquido como refrigerante, que es un elemento abundante en la atmósfera, lo cual significaría un sistema de refrigeración más sencillo y por lo tanto menos costoso. De lo anterior se desprende que con los nuevos materiales, en un plazo cercano se encontrará un sistema de almacenamiento de energía que abaratará el aprovechamiento continuo de energía. En México, el Instituto de Investigaciones en Materiales y el Instituto de Física, ambos de la UNAM, han producido diversos materiales superconductores de alta temperatura. En general, los nuevos materiales superconductores inauguran un área de investigación en el campo de los energéticos y, en particular, serán de gran utilidad en el aprovechamiento de las fuentes no convencionales que requieren de sistemas de almacenamiento, como es el caso de la energía solar o la eólica. Probablemente se puedan construir superconductores combinados con páneles de celdas solares o aerogeneradores, capaces de proporcionar una alternativa más atractiva para el aprovechamiento de la energía solar en México y en el mundo. Por otro lado, existen sistemas químicos para almacenar energía. Éstos son: el almacenamiento de hidrógeno, que se puede generar en la electrólisis del agua, para convertirlo en electricidad en una celda de combustible; los tubos termoquímicos, en los cuales se lleva a cabo una reacción endotérmica del lado de la fuente de calor y una exotérmica, del lado de la demanda de energía; las bombas de calor, y, finalmente, las baterías o pilas. Las baterías o pilas son dispositivos electroquímicos que convierten la energía eléctrica (en forma de corriente directa o constante) en energía química durante la carga de la batería, y durante la descarga, convierten la energía química en energía eléctrica. En los sistemas de almacenamiento de energía sólo se pueden emplear las baterías recargables. De ellas, la más conocida es la batería de automóvil, que es una batería que funciona con la reacción química que se produce cuando se combina plomo con un ácido. Sin embargo, existen otras que son apropiadas para el almacenamiento, como las de cloruro de zinc y agua (ZnCI2.H20), las de litio, con una aleación de sulfuro ferroso (Li-FeS) y las de sulfuro de sodio (NaS). El costo, la duración, la eficiencia, la vida útil de la batería, así como la energía que puede proporcionar por unidad de volumen son algunas de las características más importantes que deben considerarse antes de seleccionar algún tipo de pila. En el cuadro XI se resume la eficiencia de los diversos sistemas de almacenamiento de energía. Los avances en investigación que se realicen en los sistemas de almacenamiento de energía son indispensables para que fuentes de energía como la solar o la eólica puedan competir con otras fuentes de energía. CUADRO XI. Sistemas de almacenamiento de energía. Físicos Hidrobombeo Aire comprimido Volantes giratorios Calor sencible y latente

Eficiencia (%) 66 (en promedio) 69 " 78 " 65 "

Magnetos superconductores

90 "

Químicos Batería Li/aleación FeS Batería NaS y ZnCl2(H2O)

58.3-74 56.7-72.2

Bateria plomo-ácido Celda de combustible con H Tubo termoquímico, SO3

60.7-67.7 24-58 23.5

Bomba termoquímica HYCSOS

11.6-14

En el caso de México, es esencial diversificar el uso de las fuentes de energía. Ya se está haciendo en fuentes como la geotermia, la fisión nuclear y el carbón. Sin embargo, deben intensificarse los esfuerzos en la investigación y construcción de plantas piloto, así como en la tecnología de la energía solar, la eólica, la energía de la biomasa y la fusión nuclear. El uso eficiente de la energía, así como el desarrollo de sistemas de almacenamiento experimentales debe desarrollarse en la práctica. De igual forma, el ahorro de energía y las medidas prácticas para que la población colabore en el uso racional de la energía desempeñan un papel importante. Las opciones energéticas individuales o autosuficientes y rurales no deben dejarse de lado por prestarle más interés a la satisfacción de la macro demanda de energía que requiere el país; por el contrario, las iniciativas individuales, pequeñas o regionales, deben estimularse, pues la suma de pequeñas partes puede representar una contribución importante para satisfacer la demanda de energía de cualquier persona. Finalmente, nuestro país, a diferencia de muchos otros, tiene la fortuna de contar con petróleo para cubrir gran parte de la demanda energética. Pero, si nos faltara, ¿cómo se cubrirían las necesidades energéticas de cada persona? Para responder a esta pregunta, sólo añadiremos un ingrediente final: el petróleo es una fuente que tarde o temprano se agotará y algunos países son importadores de energía. El aprovechamiento de las diversas fuentes (véase la figura 36) debe hacerse seria e inteligentemente, pensando en todas las variables que intervienen a corto, mediano y largo plazo. La formación de recursos y la investigación práctica y teórica constituyen una forma de aumentar nuestras reservas. 1041

Cuasar (débil)

1027

Traslación de la Luna

1013

Catarats del Niágara

10-1

Tecla de piano

1039

Nebulosa de Andrómeda

1025

E. Potencial de océanos

1011

E. Aprovch. de las mareas

10-3

Colibrí

1037

Cúmulo globular

1023

Calor solar que recibe la tierra 1 semana

109

Tzunami

10-5

E.P. de un grano de sal

1035

Traslación de la Tierra

1021

E. solar que recibe la Tierra en 1 hora

107

Rayos

10-7

Salto de una pulga

1033

Energía del Sol (1 mes)

1019

Terremoto

105

1/2 manzana

10-9

E. en reposo de 7 protones

1031

Traslación de Neptuno

1017

Volcanes y fuentes termales

103

Cerillo

10-11

EA de núcleo de oxígeno

1029

Rotación de la Tierra

1015

Huracán

101

Bíceps

10-13

E. en Reposo del electrón

Figura 36. Escala de energías (en joules). (Tabla tomada del Museo de las Ciencias, UNAM, 1992, Juan Tonda.)

BIBLIOGRAFÍA Alonso Concheiro, Antonio y Luis Rodríguez Viqueira, Alternativas energéticas, CONACYT-FCE, México, 1985. Bauer, Mariano et al., Planeación energética en México. ¿Mito o realidad?, El Colegio Nacional-Programa Universitario de Energía de la UNAM, 1984. Butti, Ken y John Perlín, Un hilo dorado, 2500 años de arquitectura y tecnología solar; Ed. H. Blume, Madrid, 1980. Clark, Ronald W, Hazañas científicas, el impacto de la invención moderna, cap. 5, "La Revolución nuclear", CONACYT, México, 1980. Comisión Federal de Electricidad, Del fuego a la fisión, CFE,1987. Chow Pangtay, Susana, Petroquímica y sociedad, Col. La Ciencia desde México, FCE-CONACYT-SEP, 1987. Félix, Alfonso, "Problemas específicos, exploración y explotación de fuentes no convencionales (biomasa)", Seminario sobre Energéticos, Palmira, Morelos, IIE-SEP, México, 1978. Fernández Zayas, José Luis, "La energía solar en México: su importancia actual y futura", Información Científica y Tecnológica, núm. 93, CONACYT, México, 1984. García F., Horacio, La bomba y sus hombres, Alhambra Mexicana-IPN, México, 1987. Hernández Galán, José Luis, La energía de la Tierra,CECSA, México, 1985. Hernández H., Everardo, Tejada Martínez, Adalberto y Reyes T., Susana, Atlas Solar de la República Mexicana, Universidad Veracruzana-Universidad de Colima, México, 1991. República Mexicana, Universidad Veracruzana-Universidad de Colima, México, 1991. Instituto de Investigaciones Eléctricas, "El aprovechamiento de la energía eólica y el IIE", Boletín del IIE, agostoseptiembre de 1980, vol. 4, núm. 8/9, México, 1980. Jiménez Domínguez, Homero y Leandro Meléndez Lugo, "¿Qué es el TOKAMAK, cómo funciona y para qué sirve?", Ciencia y Desarrollo, núm. 63, año XI, julio-agosto, 1985. Martínez, Manuel y Nora Montes, "El Sol, fuente de energía nueva y renovable", Información Científica y Tecnológica, núm. 92, CONACYT, México, 1984. Mercado, Sergio, "Aporte del Instituto de Investigaciones Eléctricas en el campo de la geotermia", Ciencia y Desarrollo, núm. 51, año IX, julio-agosto, CONACYT, México, 1983. Petróleos Mexicanos, El petróleo, Pemex, México, 1984. Polo Encinas, Manuel, Energéticos y desarrollo tecnológico, Ed. Limusa, México, 1979. Programa Universitario de Energía, Tecnologías Energéticas del Futuro, Foro de Consulta Permanente, 2 de marzo de 1983, UNAM, México, 1983. Prol-Ledesma, Rosa María, El calor de la Tierra, Col. La Ciencia desde México, núm. 58, FCE, 1988. Quintanilla M., Juan, "Los energéticos y la transición energética en México", cap. 7 del libro, El mundo de la física. Temas de nuestro tiempo, vol. 10, Ed. Trillas, México, 1986. Scientiflc American, La energía, Alianza Editorial, núm. 561, Madrid, 1982.

Szokolay, 5V., Solar Energy and Building, John Wiley and Sons, Nueva York, 1978. Viejo Zubicaray, Manuel y Pedro Alonso Palacios, Energía hidroeléctrica, Ed. Limusa, México, 1977.

GLOSARIO adiabático. Proceso termodinámico que ocurre sin transferencia de calor al exterior. aeróbico. Proceso bioquímico de fermentación de algún compuesto orgánico que tiene lugar con la presencia de oxígeno. agua pesada. Agua que en lugar de hidrógeno común posee un isótopo del hidrógeno llamado deuterio. La fórmula química es D2O. El agua pesada se utiliza en los reactores nucleares como moderador. alquitrán. Sustancia resinosa que se produce por la destilación de hulla, turba, esquistos, lignito y madera. Se utiliza, por ejemplo, en la fabricación de colorantes, plásticos y perfumes sintéticos. amarre (energía de). Energía que mantiene unidas a las partículas del núcleo de un átomo. anaeróbico. Proceso de fermentación de algún compuesto orgánico que se realiza sin la presencia de oxígeno. La fermentación que se produce en un digestor para generar gas metano la realizan bacterias anaerobias. anodizado. Capa muy fina de un óxido que se pone a los metales para protegerlos mediante un proceso electroquímico. El aluminio anodizado se utiliza en marcos de cuadros. banda de conducción. Región de un átomo, molécula o red de átomos o moléculas en la que los electrones circulan libremente. banda prohibida. Región que está entre la banda de valencia y la de conducción, en la cual los electrones de un átomo, molécula o red de átomos o moléculas atraviesan por un proceso cuántico para que, por ejemplo, los electrones de la banda de valencia lleguen a la de conducción. El ancho de la banda prohibida se mide en unidades de energía y determina que un material sea conductor, semiconductor o aislante. banda de valencia. Región de un átomo, molécula o red de átomos en la cual los electrones están ligados al núcleo atómico. barras de control. Parte de un reactor nuclear encargada de controlar la potencia de éste. Las barras de control, al sumergirse en la vasija de un reactor absorben gran cantidad de neutrones, y, en consecuencia, disminuyen las fisiones nucleares. Éstas generalmente son de cadmio. barreno. Herramienta que se utiliza para perforar pozos petroleros o geotérmicos. Se trata de una broca de taladro de grandes dimensiones. bituminoso. Carbón que posee el poder calorífico más alto. El carbón que se utiliza para cocinar, llamado hulla, es un carbón bituminoso. El término bituminoso hace referencia también al poder calorífico de los diferentes tipos de carbón. El carbón subituminoso tiene menor poder calorífico. BWR (reactor). Reactor de agua hirviente (Boiling Water Reactor). Este tipo de reactor emplea uranio enriquecido como combustible y agua como moderador y refrigerante. La Central Nucleoeléctrica de Laguna Verde es de este tipo. calor latente. Calor que cede o absorbe un material cuando cambia de fase. En el almacenamiento de energía se emplea el cambio de sólido a líquido (generalmente de sales). CANDU (reactor). Reactor nuclear canadiense que utiliza uranio natural como combustible y agua pesada como moderador y refrigerante. centrifugación. Proceso que se emplea para separar materiales de diferentes pesos. Al poner a girar un plato sobre su eje central los materiales más ligeros se irán al borde por la fuerza centrífuga y los más ligeros estarán más cerca del centro.

condensador. Dispositivo o aparato que se emplea en las centrales de energía para transformar un gas en líquido o licuar un vapor. coque. Material poroso que se obtiene de los carbones bituminosos cuando se le quitan la materia volátil y el alquitrán. El coque es un componente esencial en la industria de la fundición de hierro y acero. ciclo de Carnot. Ciclo ideal de una máquina térmica de cuatro etapas, durante las cuales se tiene una temperatura máxima (o de entrada) y una mínima (de salida). La eficiencia teórica máxima de cualquier máquina térmica corresponde a la del ciclo de Carnot y es aproximadamente de 60%. En la práctica, los ciclos con los que trabajan los diferentes motores tienen eficiencias reales inferiores a este valor. déficit de masa. Masa faltante en una reacción de fusión nuclear que se transforma en energía liberada en forma de calor. Como la energía debe ser igual antes y después de la reacción nuclear, la diferencia de masa o déficit de masa se manifiesta como la energía liberada en forma de calor. deuterio. Isótopo del hidrógeno que posee en su núcleo un protón y un neutrón (D). El hidrógeno común tiene en su núcleo únicamente un protón. digestor. Dispositivo que sirve para convertir los excrementos en gas utilizable o biogas, como el metano. En China existen más de 5 millones de digestores. electrodepositado. Proceso químico basado en la electrólisis (proceso que ocurre en una batería de coche común), en el cual se deposita una capa delgada de un metal sobre algún otro material. energía. Capacidad de realizar trabajo, en el sentido físico, que posee un cuerpo o sistema. eficiencia. Valor que indica en términos porcentuales o unitarios el cociente de la energía que sale de un sistema entre la energía que entra. Factor que permite evaluar el funcionamiento de una máquina o la conversión de una forma de energía a otra. Una eficiencia de 1 o 100% sería una máquina o un proceso perfectos. eólica. Energía del viento. Eolo, según la mitología griega era el dios del viento. espectro electromagnético. Diagrama que muestra las diferentes energías (y por lo tanto frecuencias y longitudes de onda) de las ondas electromagnéticas de luz o fotones. Abarca desde los rayos gamma, más energéticos, hasta las ondas de radiofrecuencia, menos energéticas. evaporador. Máquina o dispositivo que se emplea en las centrales eléctricas para transformar agua u otro líquido en vapor. Es una caldera con gran cantidad de pequeños tubos en su interior. FBR (reactor). Reactor rápido de cría (East Breeder Reactor). En este tipo de reactores se utiliza uranio o plutonio como combustible y se produce más combustible del que se consume. El combustible sobrante puede emplearse como carga en otro reactor. Como refrigerante se emplea sodio fundido. fisión nuclear. Proceso atómico por el cual un núcleo atómico se parte o fisiona en dos núcleos más ligeros y se libera gran cantidad de energía. fotones. Partículas con masa en reposo igual a cero que constituyen a la luz y que viajan en el vacío a la velocidad más alta que se puede encontrar en la naturaleza: 300 000 km/s. formas de energía. Clasificación física y química de los diferentes tipos de energía. Energía mecánica (cinética y potencial), térmica o calorífica, electromagnética, química, nuclear, etcétera. fotoeléctrico. Efecto que se presenta en los metales, mediante el cual los fotones de la frecuencia apropiada producen electrones libres, generando una corriente eléctrica. El efecto fue explicado por Einstein gracias a la mecánica cuántica y su explicación le valió el Premio Nobel. fotosíntesis. Reacción bioquímica que ocurre en las plantas y en la cual el bióxido de carbono, el agua y la energía del Sol se transforman en glucosa y oxigeno.

fotovoltaico. Efecto por el cual al hacer incidir luz se producen pares de electrón-hueco en la unión de dos materiales semiconductores, uno tipo p y otro tipo n, produciéndose una corriente eléctrica. Dicho efecto tiene lugar en las celdas solares. fuentes de energía. Diferentes maneras de obtener energía aprovechable para el consumo cotidiano, tales como el petróleo, el carbón, la energía solar y eólica, la energía hidráulica. fumarola. Grieta volcánica por la que salen gases sulfurosos, producto del calor interno de nuestro planeta. fusión nuclear. Fusión o unión de dos núcleos atómicos ligeros para formar uno pesado. Durante el proceso se libera gran cantidad de energía porque una parte de la masa se transforma en energía. géyser. Fuente continua de agua caliente que proviene de la corteza terrestre. isótopo. Si se tienen dos átomos con igual número de protones pero diferente número de neutrones se dice que ambos son isótopos del mismo elemento. El número de protones o número atómico determina químicamente a un elemento. HTGR (reactor). Reactor nuclear que usa helio gasificado como refrigerante y grafito como moderador. máquina térmica. Máquina que transforma el calor producido por un combustible o fuente de energía, a través de un proceso cíclico, en trabajo útil. Inevitablemente una parte de la energía se pierde en forma de calor y no puede aprovecharse. masa crítica. Cantidad mínima de combustible nuclear necesaria para producir una reacción nuclear controlada, en el caso de las centrales nucleares, o una reacción en cadena sin control, en las bombas atómicas. Meissner (efecto). Propiedad de los superconductores que consiste en que bajo ciertas condiciones, el material no permite que penetre un campo magnético. Por ello, si se coloca un imán abajo de un superconductor, este último flota para impedir que entren las líneas del campo magnético. metano. Parte principal del gas natural. Está compuesto de un átomo de carbono y cuatro de hidrógeno (CH4) y constituye el compuesto más ligero de los hidrocarburos alcanos. moderador. Parte de un reactor nuclear que se encarga de frenar los neutrones para que aumente la probabilidad de producir fisiones nucleares. Como moderadores se utilizan agua pesada, agua, berilio, óxido de berilio y grafito. nucleones. Protones más neutrones del núcleo de un átomo. número atómico. Número de protones de un núcleo atómico que se designa con la letra Z. número de masa o másico. Número de protones y neutrones (nucleones) que posee un núcleo atómico. Se representa con la letra A. noria. Máquina antigua que se empleaba para elevar agua. Consta de una especie de cadena con recipientes en los que se transporta el agua. onda electromagnética. Onda formada por un campo eléctrico que varía periódicamente en una dirección y uno magnético en la dirección perpendicular que también varía periódicamente. La luz es una onda electromagnética. plancton. Conjunto de organismos marinos de pequeñas dimensiones que viven suspendidos en el agua y que sirven de alimento para otros organismos mayores. El plancton está constituido por zooplancton y fitoplancton. plasma. Estado gaseoso de la materia en el cual, debido a las elevadas temperaturas, los átomos se ionizan. La masa del Sol y muchas de las estrellas está generalmente constituida de plasma. positrón. Partícula con propiedades opuestas al electrón (antipartícula del electrón). El positrón tiene la misma carga que el electrón pero es positiva. Cuando choca un electrón con un positrón (su antipartícula) se produce un fotón.

potencia. Rapidez con la que se realiza un trabajo o energía por unidad de tiempo. PWR (reactor). Reactor de agua a presión (Pressurized Water Reactor). Emplea uranio enriquecido como combustible y agua como moderador y refrigerante. quark. Palabra acuñada por Murray Gellman y George Sweig en 1963 y tomada de un poema de la obra Finnegan 's Wake de James Joyce (Three quarks for muster mark!) para las partículas primarias del átomo. Un protón está constituido por tres quarks, dos de tipo Arriba (Up) y uno tipo Abajo (Down). El neutrón tiene dos tipo Abajo y uno tipo Arriba. radiación. Emisión de energía de un cuerpo. Ésta depende de la temperatura a la que se encuentre dicho cuerpo y se calcula con la ley de energía de Planck, la cual señala que la energía de un paquete de energía, cuanto o fotón es igual a la frecuencia multiplicada por la constante de Planck. radiactividad natural. Desintegración espontánea de los núcleos de los átomos en otros núcleos hasta llegar a un núcleo estable. Durante la desintegración se producen partículas alfa (núcleos de helio), partículas beta (electrones o positrones) y partículas gamma (fotones de alta energía). radiactividad artificial. Desintegración provocada por una reacción nuclear, en la cual se hace que un neutrón choque con el núcleo de algún elemento, partiéndolo en dos núcleos más ligeros, neutrones, otras partículas y liberando gran cantidad de energía durante el proceso de fisión. Los neutrones que llegan a algún tejido vivo provocan daños irreparables. radioisótopos. Isótopos de un elemento que producen radiación nuclear. retorta. Cámara alargada que se emplea en los procesos industriales para destilar el carbón y quitarle la materia volátil y el alquitrán. salmuera. Agua con sal que sale de los depósitos geotérmicos, de la cual tienen que quitarse las sales porque producen corrosión en diferentes partes de las instalaciones geotérmicas. separador. Dispositivo que se emplea en las centrales de energía para separar por algún proceso físico, como la centrifugación, los líquidos de los gases. En el caso de las centrales geotérmicas se emplean el agua del vapor de agua. semiconductor. Material cuya conducción es intermedia entre un conductor y un aislante. Los materiales semiconductores poseen una banda prohibida con una energía menor de 5 electron-volts. El silicio tiene una banda prohibida de 1.1 eV. La banda prohibida está entre las bandas de valencia y de conducción. superconductor. Material en el que al bajar la temperatura hasta una temperatura crítica se presenta el fenómeno de la superconductividad. En la superconductividad la resistencia al paso de la corriente es igual a cero y se presenta el efecto Meissner. Actualmente, se han descubierto los nuevos superconductores cerámicos de alta temperatura, en los que el fenómeno se presenta a -175 grados Celsius. temascalli. Baño de vapor de agua con hierbas medicinales que utilizaban nuestros antepasados. TOKAMAK. Reactor de fusión nuclear por confinamiento magnético en forma de dona o toro. La palabra TOKAMAK es un acróstico de Toroid (toroide), Kamera (cámara), Magnet (imán) y Katushka (bobina). Fue inventado por los científicos soviéticos Igor E. Tamm y Andéi D. Sajarov. trabajo. Producto de la componente de una fuerza sobre la dirección en la que se mueve un objeto por la distancia que recorre dicho objeto. transistor. Dispositivo electrónico que se utiliza para amplificar las señales eléctricas. Está hecho de un material semiconductor y consta de un emisor, un colector y una base. tritio. Isótopo del hidrógeno que tiene en su núcleo un protón y dos neutrones (T). turbogenerador. Turbina unida a un generador. La turbina es un dispositivo mecánico que transforma una

corriente de agua o de gas, a través de unas aspas o álabes, en energía cinética de un eje de giro. Si ese eje giratorio es el de un generador se convierte en energía eléctrica. El generador está compuesto de un rotor (la parte que gira), que consiste en una bobina (alambre de cobre enrollado) y un estator (la parte fija), que es un imán. Cuando el generador gira en presencia del campo magnético de un imán se produce una corriente eléctrica en la bobina. Las centrales de energía emplean turbogeneradores para transformar energía mecánica en eléctrica.

COLOFÓN Este libro se terminó de imprimir y encuadernar en el mes de agosto de 1993 en los talleres de Impresora y Encuadernadora Progreso, S.A. de C.V., Calz. de San Lorenzo, 244, 09830 México, D.F:, se tiraron 10 000 ejemplares. La Ciencia desde México es coordinada editorialmente por MARCO ANTONIO PULIDO y MARÍA DEL CARMENFARÍAS.

CONTRAPORTADA "La energía es deleite eterno", afirmaba el poeta William Blake. A muchos les parece natural llegar a una casa y prender un foco, la radio o calentar algún alimento en la cocina. Sin embargo, atrás de estas acciones cotidianas se encuentran una tecnología y una ciencia que permiten realizarlas. Todas tienen en común que requieren de una fuente de energía, en este caso energía eléctrica y gas. A fin de que haya electricidad en todas las casas se requiere de grandes centrales termoeléctricas, hidroeléctricas, carboeléctricas y nucleoeléctricas. Lo mismo ocurre con el gas, para extraerlo se requiere perforar pozos petroleros y colocar plataformas marinas. En El oro solar y otras fuentes de energía se tratan las diversas fuentes de energía que van desde la solar hasta la fusión nuclear, pasando por el petróleo, el carbón y la energía hidráulica. Para entenderlas, el autor proporciona algunos antecedentes históricos, recuadros con anécdotas como la explosión de la olla express cuando Papin la llevó a la Royal Society de Inglaterra, así como sus características fundamentales. El autor hace hincapié en aquellas fuentes de energía que se pueden sostener a largo plazo como la energía solar. Ésta representa una alternativa para satisfacer la demanda energética de nuestro país que debe apoyarse más de lo que hasta ahora se ha hecho. No sólo con la construcción de pequeñas plantas de potencia, sino a través de la instalación de dispositivos solares en las comunidades alejadas de las grandes ciudades en las cuales llevar energía eléctrica resulta una tarea muy costosa. Juan Tonda Mazón estudió en la Facultad de Ciencias de la UNAM. Trabajó en el área de fuentes de energía del IIE. Ha escrito más de 50 artículos de divulgación científica, es coautor del libro Los señores del cero, publicado por CNCA-Pangea y es presidente de la SOMEDICYT.