Cuestión de energía

         La energía, uno de los elementos más importantes de la civilización. Pero, ¿qué es exactamente? La verdad hay varias definiciones. A mí personalmente me gusta definirla como la capacidad de realizar un trabajo, ya que ilustra perfectamente su función. No es algo que en sí sea útil, sino algo por medio del cual lograremos multitud de fines.

         La energía ya se usaba desde tiempos antiquísimos. Cuando el ser humano descubrió el fuego, empleó su energía calorífica para calentarse y para cocinar la carne cruda. Y si nos ponemos puristas, podríamos decir que incluso antes se usaba, ya que nuestros cuerpos se mueven y realizan las funciones vitales gracias a multitud de reacciones bioquímicas que liberan energía.

         A medida que tanto la población humana como sus necesidades aumentaron, también aumentó la necesidad de energía. Hasta tal punto que hoy en día deben producirse ingentes cantidades de ella. Para hacernos una idea, en 2012 se consumieron aproximadamente 5,6x10²⁰ J. Lo cual bastaría para encender 295.000.000.000 lámparas de 60 W durante un año.

         La cantidad de energía que es necesario producir es tan ingente que se crean graves problemas. Existen muchos modos de producirla, aunque tradicionalmente el método más popular es el uso de combustibles. Se trata de una reacción de combustión simple, en donde un combustible reacciona con oxígeno, generando dióxido de carbono (CO₂) y agua. Y eso si el combustibles fueran sólo hidrocarburos (hidrógeno y carbono únicamente), ya que si nos encontramos otros heteroátomos como el nitrógeno o el azufre, se producirían los correspondientes óxidos.

         En la Antigüedad, en la Edad Media y la Edad Moderna, esto no suponía ningún problema, debido a la baja población y a las reducidas necesidades energéticas. Hoy en día, sabemos que el CO₂ es el principal gas de efecto invernadero, que eleva la temperatura del planeta. Y su producción actualmente es tan elevada que sus efectos ya son notorios. Sólo hay una excepción, y es que se ha comprobado en las burbujas de aire atrapadas en el hielo de Groelandia, que hace unos 2.000 años la concentración de CO₂ subió anormalmente, coincidiendo con la época de apogeo del Imperio Romano. Al parecer, por aquella época se logró un desarrollo tan elevado, que incluso su quema de combustibles lograba influir en el CO₂.

         No obstante, el problema que hay actualmente es mucho más grave, lo cual nos obliga a pensar en soluciones. Pero antes hemos de preguntarnos, ¿cuáles son las principales fuentes de CO₂? Pues bien, corresponden a la quema de combustibles fósiles, el transporte y la generación eléctrica. Pero en muchos casos estos dos últimos factores podemos introducirlo en el primero, ya que el transporte casi siempre obtiene su energía de combustibles fósiles, y la generación eléctrica en gran parte también procede de combustibles fósiles.

En la generación eléctrica, juegan un papel importante las energías renovables y la energía nuclear, ya que son las únicas energías que están libres de emisiones contaminantes. Pero existen claras desventajas. Las energías renovables en verdad empezaron a tener importancia hace poco tiempo, no están aún demasiado desarrolladas y muchas veces no resultan rentables, ni de interés para las compañías eléctricas. En muchos casos subsisten gracias a las ayudas públicas. Aunque en ese sentido ha habido grandes avances. En 2013 en España, la mayor producción de energía fue debida a la eólica, con el 21,1% del total, seguida muy de cerca por la energía nuclear. La primera vez que una energía renovable iba en cabeza.

Un tema polémico es el coste de estas energías. He buscado información, pero en muchos casos ésta está sesgada tanto por defensores de dichas energías como por sus detractores, ergo es difícil tener una opinión objetiva.

Aun así, con el uso de combustibles fósiles se puede reducir la emisión de CO₂. Eso depende del número de átomos de carbono que tenga cada molécula de combustible. Por ejemplo, la gasolina tradicional, que es una mezcla de hidrocarburos, mayoritariamente el octano (C₈H₁₈). Éste posee ocho átomos de carbono en su estructura, con lo cual en su combustión desprenderá ocho moléculas de CO₂. El butano (C₄H₁₀), sólo tiene cuatro átomos de carbono, por lo que sólo desprenderá cuatro moléculas de CO₂. Con lo cual, lo deseable es ir disminuyendo el tamaño de la molécula todo lo posible. Podemos llegar hasta el metano o gas natural (CH₄), con un solo carbono en su estructura. Se trata del hidrocarburo que menos CO₂ emite. Pero, ¿por qué no seguir avanzando? ¿Y si quitamos el último carbono? Pues lo que tendremos será hidrógeno (H₂), que al reaccionar con oxígeno genera grandes cantidades de energía, y el único gas producido es agua.

Por otra parte, este procedimiento que hemos seguido, aparte de ser ambientalmente beneficioso, también lo es energéticamente. El octano produce al quemarse una energía de 46,75 J/g. La del butano es de 49,58 J/g. La del metano de 55,62 J/g. Y la del hidrógeno 143 J/g. Es decir, bajar la cantidad de carbonos reducirá las emisiones de CO₂ y aumentará la eficiencia energética. Esto ocurre porque el carbono interfiere negativamente en el proceso de combustión.

Y, ¿por qué no vemos a nadie por ahí conduciendo coches a hidrógeno? Porque el hidrógeno es increíblemente poco abundante en este planeta. Su concentración en la atmósfera es de apenas 1 parte por millón. Y obtener hidrógeno es un proceso absurdo. Se podría tomar agua (que es muy abundante), y por electrolisis convertirla en hidrógeno y oxígeno, que posteriormente habría que separar. Todo este proceso consumiría más energía de la que se generaría después, por ello es trata de un proceso absurdo.

Por tanto, descartamos el hidrógeno como fuente de energía. Podemos observar el hidrocarburo inmediatamente superior, que es el ya mencionado metano, que produce una gran cantidad de energía, con unas mínimas emisiones de CO₂. En cuanto a la disponibilidad del mismo, se trata de un hidrocarburo muy abundante. Existen multitud de países con yacimientos de gas metano, lo cual aporta otra ventaja. Pues otros hidrocarburos de mayor peso molecular se obtienen del petróleo, recurso que sólo se encuentra en ciertos países, los cuales se caracterizan por una gran inestabilidad política y social. Con lo cual, el petróleo está muy sujeto a los vaivenes que sufre Oriente Medio, cosa que con el metano no ocurre, ergo se trata de un recurso muy importante.

¿Podría haber coches que funcionan con metano en vez de con gasolina? La respuesta es sí, y de hecho ya existen y se comercializan. Aunque en España aún está muy poco extendido, en el resto de Europa cada vez hay más coches a metano y gasolineras que lo proporcionan. El principio de funcionamiento de un motor así es similar al motor de gasolina. Con lo que disponiendo de un coche de gasolina, con unas mínimas modificaciones se puede convertir en un coche a metano. En cambio, con un coche diésel, al tener el motor un funcionamiento bien distinto, sería necesario cambiar todo el motor.

Otra ventaja que ofrece el metano es su coste inferior al de la gasolina o el diésel. A continuación se detalla una comparativa de tres modelos de Seat León. Uno diésel, otro a gasolina y el último a metano. Como se puede ver, a pesar del superior precio de un coche a metano, lo compensa con un muy inferior coste en combustible.

Modelo	Precio €	Consumo L/100km	Combustible €/L	Coste 100 km
León 1,6 TDi	22.170	3,8	1,35	5,13
León 1,4 TSi	20.580	5,2	1,4	7,28
León 1,4 TGi	22.690	3,5	1	3,5

         Hay quien en estos días esté más a favor de usar un coche eléctrico que uno de combustible, por el tema de las emisiones. Hay que tener una cosa en cuenta. La electricidad NO es una fuente de energía, sino un vector de energía. Esto quiere decir que lo que hace la electricidad es generarse a partir de una fuente energética, transportar esa energía hasta donde deba usarse, y por último esa electricidad se transforma en el trabajo que haya que hacer. Dicho de otro modo, la electricidad es una moneda de cambio para el transporte de energía. Si yo conduzco un coche eléctrico, no estoy generando ninguna emisión, pero la electricidad que estoy usando, tal vez sí que tuvo emisiones durante su producción, con lo que no hemos hecho ningún favor al medio ambiente. Es más, lo hemos perjudicado, porque en el proceso de generación, transporte y posterior consumo, hay pérdidas de energía, lo que hace que se necesiten realizar más emisiones contaminantes para producir la misma cantidad de energía.

         En ese sentido un combustible es una ventaja, ya que al quemarse, la energía se genera y se consume en el mismo lugar, con lo que las pérdidas son mucho más leves, y más aún si hablamos de un coche a metano. Es decir, los combustibles sí que son fuentes de energía.

         Y por último, pero no por ello menos importante, no me gustaría irme sin hablar de la energía nuclear. Un tipo de energía bastante polémico actualmente. A grandes rasgos, consiste en obtener energía a través de ciertas reacciones nucleares; es decir, reacciones en las cuales cambia la naturaleza de los átomos implicados. Existen fundamentalmente dos maneras de obtener energía nuclear: la fisión y la fusión.

         La fisión nuclear, que es el método que nosotros usamos, consiste en tomar átomos de peso molecular muy grande, como el uranio, el cual es bombardeado neutrones. De esta manera, el uranio se vuelve inestable, y se divide en fragmentos más pequeños y en más neutrones, que continúan colisionando con estos fragmentos, generando una reacción en cadena que produce energía. Ésta energía es empleada para calentar agua hasta que se convierta en vapor, y este vapor mueve las turbinas que produce energía.

Como se puede observar, en el proceso no se han generado emisiones, se trata de una de las grandes ventajas de la energía nuclear. Pero el gran inconveniente llega cuando las barras de uranio se agotan, y se transforman en residuos radiactivos, los cuales es necesario almacenar en instalaciones adecuadas hasta que pierdan su radiactividad.

Por ello, existe otra opción más atractiva: la fusión nuclear. Consiste en todo lo contrario. Bajo la acción de grandes presiones y temperaturas, se logra que los núcleos de hidrógeno se fusionen, dando lugar a núcleos de helio, que es un gas noble. Durante esta reacción se genera energía. Todo este proceso no conlleva ninguna emisión contaminante, ni deja residuos radiactivos. Tanto el hidrógeno como el helio son elementos de sobra conocidos e inocuos. Y el hidrógeno es fácil de obtener a partir de la electrolisis del agua, que a diferencia del caso anterior donde lo usábamos como combustible, se genera más energía de la que se consume en su obtención, por lo que el proceso es rentable.

De hecho, la fusión nuclear es el mismo método que usan las estrellas como nuestro Sol para producir luz y calor, realmente no sería más que una copia de ello. ¿Y si tan ventajosa es esta forma de energía, por qué aún no se emplea? Pues debido a que aún no está desarrollada. Hay que darse cuenta de que para ello hay que generar en la Tierra unas condiciones de presión y temperatura similares a las del interior de una estrella, cosa que entraña muchos peligros. Una alternativa a ello sería la fusión fría, proceso similar, pero en unas condiciones mucho más suaves. Esta alternativa está en estudio, y confiemos en que pronto se halle una solución.

Así que, a fin de cuentas, hemos de concluir que aún no se ha desarrollado la fuente de energía definitiva. Por ello es tan importante seguir investigando para hacerlo, ya que nuestro modelo energético es inviable, y sólo se mantendrá por tiempo limitado. 

Esmog fotoquímico

Desde hace unos días es noticia esa famosa boina de contaminación que se extiende por Madrid. Se trata de un grave problema que las autoridades tratan de paliar como pueden. Pero, ¿qué es exactamente esa contaminación y de dónde proviene? Intentaremos responder a estas cuestiones.

         La causa de esa contaminación no es otra que el llamado esmog fotoquímico. La palabra esmog es un anglicismo que proviene de “smoke” (humo) y “fog” (niebla), debido al aspecto que tiene dicha contaminación. Para que se produzca deben darse tres condiciones: alta densidad de tráfico e industria, condiciones meteorológicas y orográficas que permitan el cierre del sistema y elevado grado de insolación.

         La principal causa del esmog fotoquímico es el tráfico, básicamente lo que sale por el tubo de escape. Recordemos (y si no lo recuerdan, se lo digo) que a el motor de combustión interna necesita un combustible (la gasolina o del diésel) y también un comburente (el oxígeno del aire), para que ambos mezclados produzcan la combustión que pone en marcha los pistones que mueven el coche. 

         La combustión es una reacción de oxidación, donde los hidrocarburos presentes en la gasolina o diésel se “queman” hasta formar monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O). Pero como hemos usado aire como comburente, que aparte de oxígeno también contiene nitrógeno (N₂), este último también se “quema”, formando dióxido de nitrógeno (NO₂). Por otra parte, no todo el combustible se quema, de modo que quedan rastros de hidrocarburos inquemados. Toda esa mezcla no puede salir a la atmósfera porque es extremadamente contaminante. Por ello todos los coches disponen de un convertidor catalítico, cuya función es oxidar el CO y los hidrocarburos inquemados a CO₂, y reducir el NO₂ a N₂. De modo que lo que sale por el tubo de escape es CO₂, N₂ y H₂O. Siendo los dos últimos inocuos, y el primero es inocuo para nosotros, aunque no tanto para el medio ambiente.

         El problema es que el convertidor catalítico no es 100% eficiente, con lo cual siempre va a haber restos de hidrocarburos inquemados, CO y NO₂ en el tubo de escape. La concentración de estos contaminantes es muy baja y nada preocupante, pero en una gran ciudad como Madrid, con tantos coches, todos estos contaminantes pueden acumularse y suponer un problema.

         Pero para que tal cosa se dé, debe haber unas condiciones meteorológicas y orográficas que lo permitan. Es decir, los contaminantes tienen que quedar atrapados, de modo que se acumulen y su concentración aumente. Esto ocurre cuando se da una inversión térmica.

         Habitualmente, al subir de altitud, el aire se va enfriando gradualmente. En una inversión térmica se da la situación opuesta; es decir, una capa de aire frío queda por debajo de otra capa de aire más caliente. Las causas de este fenómeno son varias y muy extensas de explicar, con lo cual no voy a tratarlas. Pero la consecuencia fundamental de este fenómeno es que todos los contaminantes no pueden salir de esta capa de aire frío que se forma, con lo cual se van acumulando.

         Pero no basta con esto. Ahora interviene la tercera condición, que es la insolación; es decir, debe haber una exposición al sol, por ello este fenómeno tiene el nombre de fotoquímico. Porque se producen una serie de reacciones catalizadas por la luz solar, que en sí son bastante complejas, pero básicamente lo que ocurre es que el NO₂ se degrada a NO, produciendo ozono (O₃), y también se forman muchos radicales como el O^·, el HOO^· y el HO^·, que actúan como intermediarios para que los hidrocarburos inquemados y CO se oxiden a compuestos como aldehídos, nitrato de peroxiacilo (PAN) etc, altamente contaminantes.

         De esta manera, se forma la neblina contaminante que conocemos como esmog fotoquímico. Sus principales efectos son la pérdida de visibilidad, las plantas tienen dificultad para realizar la fotosíntesis. Y además, a nivel humano, provoca diversos problemas respiratorios y debilita el sistema inmunitario.

         Multitud de ciudades se han enfrentado a este problema. Dado que la principal causa es el tráfico, una de las mejores medidas es tratar de reducirlo. Como por ejemplo permitiendo un día acceder al centro sólo a coches con matrículas pares, al día siguiente sólo a coches con matrículas impares, y así consecutivamente. Limitar la velocidad para evitar una mayor emisión de contaminantes. E incluso una medida mucho más eficaz, que es ofrecer transporte público gratuito.

         Sea como fuere, la resolución de este problema está en manos de los usuarios de vehículo privado. Tal vez sea hora de aprender que nuestras acciones tienen consecuencias, aunque no lo parezca. 

Benditas unidades

Metros, julios, vatios, segundos, amperios, kilogramos… entre otras muchas más son las malditas rameras que cada día nos hacen la vida imposible, sobre todo a los estudiantes. Y es que, ¿quién no ha tenido problemas en el colegio o el instituto con estas pequeñas enviadas del demonio? Los profesores no nos paraban de repetir: “Poned SIEMPRE las unidades”. Es una costumbre muy típica de estudiante de secundaria o bachiller dar el resultado en número, pero sin poner unidades.

         Lo cierto es que según ha enseñado la experiencia, las unidades son como unos monstruos de increíble poder. Si no los controlas, te atacarán y acabarán por destruirte, pero si logras controlarlos, tendrás un gran poder que supondrá para ti una enorme ventaja sobre los que no lo tengan. Por ello, debemos cambiar un poco el chip, y ver las unidades desde otro punto de vista.

         Dentro de lo que cabe, hemos tenido suerte con el sistema de unidades que nos ha tocado: el Sistema Internacional (SI). Este sistema otorga un valor arbitrario a la unidad de cada magnitud, y después, con los sucesivos prefijos como centi-, kilo-, mili-, micro-, nano-, etc, se nombran los distintos múltiplos de esa unidad en un sistema decimal, con lo que su manejo es muy sencillo. Cifras que podrían ser muy altas o muy bajas, se manejan más fácilmente poniendo esos múltiplos. 

         Por ejemplo, la unidad del SI estándar para medir el espacio es el metro, pero si quisiéramos expresar la distancia que hay entre los átomos de las moléculas de agua, tendríamos que expresarlo en nanómetros: 0,0957 nm. Imagínese hacerlo en metros, estaríamos hablando de 9,57x10^-11 m, o sea 0,0000000000957 m. Una cifra difícil de manejar, y más aún si hay que hacer operaciones matemáticas con ella. Por tanto, manejando bien las unidades y sabiendo las equivalencias entre los múltiplos, facilitaremos en gran medida los cálculos.

         Cosa distinta ocurre en algunos países anglosajones, donde por pura cabezonería no adoptan el SI, y deben seguir manejándose con pulgadas, yardas, galones, pintas, etc. Que cuando se trasladan a magnitudes más complejas que el espacio o el volumen, como la presión o la densidad, se complican bastante. En verdad, para usarlo en ciencia, es un sistema poco lógico, y por tanto hemos de estar agradecidos de poder usar el SI.

         Conocer bien las unidades, también puede ayudarnos en otros aspectos, como al no conocer las fórmulas. Pues las unidades de las distintas magnitudes a veces están relacionadas entre sí, y si se conoce esa relación, muchas veces no es necesario aprender toda la batería de fórmulas físicas que se requiera, o también incluso nos pueden sacar de algún aprieto si se nos olvidase accidentalmente la fórmula. Por ejemplo: debo calcular una fuerza, pero no conozco la fórmula necesaria. En cambio, sé que la fuerza se expresa en Newtons (N), que equivalen a kg·m/s². Los kg son unidades de masa, mientras que los m/s² son unidades de aceleración. Pues voilà. La fórmula es: masa multiplicada por la aceleración.

         Por otra parte, muchas veces ocurre que creemos saber la fórmula, pero en realidad es incorrecta. En esos casos también nos ayudan las unidades. Porque en toda fórmula, las unidades de cada variable también se operan entre sí, y al final, la unidad resultante tiene que ser igual a la unidad que debería tener la solución, si no, es que hemos cometido algún error. Por ejemplo: si quisiéramos calcular la fuerza gravitatoria que ejerce la Tierra sobre una persona, habría que usar la siguiente fórmula:

Donde F es la fuerza gravitatoria, G es la constante de gravitación universal, M es la masa de la Tierra, m es la masa de la persona, y r es la distancia entre ambos. Sus unidades son, respectivamente, N, m³/kg²·s², kg, kg y m. Veamos cómo se operan:

Ahora simplifiquemos los términos:

Y recordemos que kg·m/s² eran unidades de Newtons. De igual modo, si esta operación hubiera salido mal, no sólo sabríamos que está mal, sino también qué término falta, analizando las unidades resultantes. Si hubiésemos metido la pata no poniendo la masa de la Tierra, las unidades resultantes serían m/s². Y se ve claramente que para que sean Newtons, falta un término de masa, después ya sería cuestión de localizar ese término e incluirlo.

En definitiva, demos de desterrar esta mala imagen que tienen las unidades, y empezar a usarlas en nuestro favor. Y nuestras vidas serán más sencillas. 

No es la cantidad, es la concentración

¡Saludos lectores! Lamento mi ausencia, en verdad no tengo excusa para justificarla. No obstante, ahora que tengo un tema interesante que tratar, creo que es de justicia compartirlo con ustedes.

El otro día, mientras hablaba con mi madre, me contó lo que le pasó una vez. Mientras preparaba comida, le echó demasiada sal y encontró un truco para que estuviera menos salado: echar más agua. Y le dije que en verdad lo que había pasado es que había la misma cantidad de sal, lo que había cambiado es el volumen total, por lo que la salinidad disminuye. Mi madre no me creyó, y siguió sosteniendo que la cantidad de sal había bajado.

No es tan difícil de comprender, la salinidad es la concentración de sal, que se mide en diversas unidades, como por ejemplo gramos por litro. Lo que significa esto es que se divide la masa total de sal entre el volumen total de agua, con una fórmula como ésta:

Matemáticamente hablando, hay dos maneras de bajar la salinidad, o se disminuye la cantidad de sal, o se aumenta el volumen de agua. Y volviendo al ejemplo de la comida, dado que es muy difícil extraer la sal, la solución más viable es añadir agua. De ese modo, manteniendo intacta la cantidad de sal, disminuimos la salinidad.

Y este concepto tan sencillo de entender me ayuda a enlazar con otro tema que no es tan bien comprendido por la población general. Siempre se ha hablado de la peligrosidad de los compuestos químicos. Por poner un ejemplo, envases que contengan bisfenol A. muchas personas se horrorizarían al pensar en tomar comida de un envase semejante, cuando influyen diversos factores, pero el más importante de todos es, sin duda, la dosis; es decir, qué cantidad de ese tóxico se introduce en nuestro cuerpo, y en qué volumen está diluido. Pues ocurre como en el caso de la sal. Si está muy diluido, no habrá efectos, y estos efectos aumentarán a medida que mayor sea la concentración.

Lo que quiero decir con todo esto es que un compuesto químico no es tóxico per se, sino en función de la dosis. Y que tomar la misma cantidad puede tener efectos distintos en distintos volúmenes. Por ese motivo, todos los compuestos químicos potencialmente nocivos, tienen una concentración límite que deben tener en los diversos productos de consumo. No obstante, si el límite de un compuesto es 5 mg/g, por ejemplo, no quiere decir que con 5,1 mg/g ya sea tóxico. De hecho, el margen legal que se deja es muy amplio.

También esto se puedo aplicar a gases, por ejemplo, a las emanaciones de las chimeneas de las industrias. Una fábrica, por ejemplo, está echando al aire una cantidad de tóxicos, pero si se diluye convenientemente todo ese vertido, tal y como se especifica legalmente, la concentración de tóxicos bajaría por debajo del umbral admisible, y no sería peligroso respirar ese aire. El problema, como muchas veces ocurre, es que si hablamos de sustancias muy tóxicas, el nivel de dilución a aplicar es tan grande, que resulta un problema de diseño, y hay que recurrir a otros métodos de purificación antes de emanar esos gases.   

Con lo cual, podemos estar tranquilos y no horrorizarnos si vemos que algún producto contiene bisfenol A, por ejemplo. Hay que dejar de tener miedo a las compuestos químicos, pues absolutamente todo, están formado por ellos, y gracias a ellos nuestras vidas pueden ser más fáciles.