Fusión Nuclear

La fusión nuclear, está actualmente en líneas de investigación, debido a que todavía hoy no es un proceso viable, ya que se invierte más energía en el proceso para que se produzca la fusión, que la energía obtenida mediante este método.

La fusión, es un proceso natural en estrellas, produciéndose reacciones nucleares por fusión debido a la elevadísima temperatura de estas estrellas, que están compuestas principalmente por Hidrógeno y Helio. El hidrógeno, en condiciones normales de temperatura, se repele entre sí cuando intentas unirlo (fusionarlo) a otro átomo de hidrógeno, debido a su repulsión electrostática. Para vencer esta repulsión electrostática, el átomo de hidrógeno debe chocar violentamente contra otro átomo de hidrógeno, fusionándose, y dando lugar a Helio, que no es fusionable. La diferencia de masa entre el átomo obtenido y el original es mayor que en la fisión, liberándose así una gran cantidad de energía (muchísimo mayores que en la fisión). Estos choques violentos, se consiguen con una elevada temperatura, que excita los átomos de hidrógeno, y se mueven muy rápidamente, chocando unos contra otros.

La primera reacción de fusión realizada por el ser humano, tuvo origen militar, con una bomba termonuclear (o también llamada bomba-H o de Hidrógeno), que para obtener la temperatura adecuada (casi la del Sol, unos 20 millones de grados centígrados), se utilizó una bomba atómica. Esta bomba termonuclear libera grandes cantidades de energía. Las bombas termonucleares actuales, alcanzan los 60 megatones (equivalente a 60 millones de toneladas de explosivo TNT), lo cual puede arrasar todo lo que haya en un radio de 40 ó 50 Kilómetros a la redonda, eso si incluir la radiación electromagnética y la onda expansiva, así como la lluvia ácida.

Fisión Nuclear

Es el utilizado actualmente en las centrales nucleares. Cuando un átomo pesado (como por ejemplo el Uranio o el Plutonio) se divide o rompe en dos átomos más ligeros, la suma de las masas de estos últimos átomos obtenidos, más la de los neutrones desprendidos es menor que la masa del átomo original, luego se verifica la fórmula de Albert Einstein E=MC², con lo que se desprende Energía. Para romper un átomo, se emplea un neutrón (ya que es neutro eléctricamente, y no es desviado de su trayectoria), que se lanza contra el átomo a romper, por ejemplo, Uranio. Al chocar el neutrón, el átomo de Uranio-235 se convierte en Uranio-236 durante un brevísimo espacio de tiempo, pues tiene un neutrón más que es el que ha chocado con él, siendo este último átomo sumamente inestable, dividiéndose en dos átomos diferentes y más ligeros que el Uranio-236 (por ejemplo Kriptón y Bario; o Xenon y Estroncio), desprendiendo 2 ó 3 neutrones (los neutrones desprendidos, dependen de los átomos obtenidos, nosotros tomamos como ejemplo 3 neutrones, pero puede que solo se desprendan 2. En caso de obtener Bario y Kriptón, se desprenden 3 neutrones; mientras que si se obtiene Xenon y estroncio, solo se liberan 2 neutrones), y liberando energía. Estos 3 neutrones, vuelven a chocar con otros 3 átomos de Uranio-235, liberando en total 9 neutrones, energía y otros dos átomos más ligeros, y así sucesivamente, generando de esta forma una reacción en cadena. Como se puede comprobar, en cada reacción sucesiva, se rompen 3^n-1 átomos, donde n es 1º, 2º, 3º, 4º, ., reacción. De esta forma, donde más energía se libera es al final, ya que se rompen gran cantidad de átomos, según la relación 3^n-1, liberándose gran cantidad de energía.

En las centrales nucleares, el proceso que se controla es el final, ya que en ellas, se genera energía de forma lenta, pues de lo contrario el reactor se convertiría en una bomba atómica, debido a que la mayor parte de la energía se libera al final, como hemos expuesto anteriormente.
Las barras de Uranio enriquecido al 4% con Uranio-235, (recordamos que el Uranio natural es el U-238, y el que es fisionable es el U-235, que es un 0.71% del Uranio que se encuentra en la naturaleza, de ahí que solo un pequeño porcentaje del Uranio se aproveche y se requieran grandes cantidades de este para obtener una cantidad significativa de U-235. El U-238 no es fisionable, ya que es un átomo estable, y al romperlo, no habría diferencia de masa, y no se obtendría energía, cosa que con el U-235 sí se obtiene, al ser inestable.) se introducen en el reactor, y comienza un proceso de fisión. En el proceso, se desprende energía en forma de calor. Este calor, calienta unas tuberías de agua, y esta se convierte en vapor, que pasa por unas turbinas, haciéndolas girar. Estas a su vez, giran un generador eléctrico de una determinada potencia, generando así electricidad, al igual que con una dínamo de bicicleta, solo que estas turbinas y el generador, son muy grandes. Lógicamente, no se aprovecha toda la energía obtenida en la fisión, y se pierde parte de ella en calor, resistencia de los conductores, vaporización del agua, etc. Los neutrones son controlados para que no explote el reactor mediante unas barras de control (generalmente, de Carburo de Boro), que al introducirse, absorben neutrones, y se disminuye el número de fisiones, con lo cual, dependiendo de cuántas barras de control se introduzcan, se generará más o menos energía. Normalmente, se introducen las barras de tal forma, que solo se produzca un neutrón por reacción de fisión, controlando de esta forma el proceso de fisión. Si todas las barras de control son introducidas, se absorben todos los neutrones, con lo cual se pararía el reactor. El reactor se refrigera, para que no se caliente demasiado, y funda las protecciones, convirtiéndose en una bomba atómica, incluso cuando este esté parado, ya que la radiación hace que el reactor permanezca caliente.

El efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico es un fenómeno muy popular en física, especialmente porque fue gracias al cual Einstein ganó el premio Nobel de física en 1921 (y no por la teoría de la relatividad, como muchos piensan.) Se trata de una de las formas en las que la luz interactúa con la materia; en particular, cuando incide un haz sobre un metal, algunos electrones son emitidos con diferentes energías. El fenómeno ya había sido observado en 1839 por Becquerel, pero no fue hasta fines del siglo XIX y los primeros años del XX que se comenzó a estudiar en profundidad.

Un metal puede ser pensado como una serie de núcleos que tienen electrones a su alrededor. Los electrones que estén más lejos del núcleo se podrán mover prácticamente libremente; estos son los electrones que transmiten la corriente eléctrica, por ejemplo. Sin embargo a estos electrones les falta un poco de energía para poder salir del metal y esta energía puede ser provista por un rayo de luz. La peculiaridad de los experimentos que se realizaron a fines de 1800 es que no respondían a las predicciones teóricas y no había forma de salvar estas contradicciones; fue este simple experimento el que desató, años más tarde el Clásica Vs. Cuántica, con Einstein como uno de sus propulsores.

La luz puede ser pensada como una onda que se propaga, al igual que el movimiento de la superficie del agua luego de arrojar una piedra sobre ella. Este movimiento tendrá dos características fundamentales: la amplitud y la frecuencia; es decir que tan alta es la onda y que tan seguido se producen. En el caso de la luz, la amplitud determina lo que se llama Intensidad. Clásicamente lo que se pensaba era que las ondas podían entregar energía a los electrones del metal paulatinamente, hasta que alcanzaran el nivel suficiente para ser desprendidos de la superficie. Esto quiere decir que cuanto más intensa fuera la luz, los electrones arrancados deberían poseer más energía (deberían haber recibido más energía del rayo luminoso.) Sin embargo experimentalmente se observó que la energía de los electrones eyectados del metal era independiente de la intensidad de la luz que recibían, pero que variaba con la frecuencia.

En este momento es cuando entra en juego la teoría de Planck de radiación de cuerpo negro. Planck había propuesto que la energía de una onda no dependía de su amplitud, sino más bien de su frecuencia y que era directamente proporcional una con otra. Einstein tomó este hecho y elaboró su teoría encima de él. Lo que propuso fue que la luz que llegaba al metal, tenía una dada energía, que dependía de su frecuencia (equivalentemente de su color, o longitud de onda), que le podía entregar TODA su energía a los electrones, pero no una parte, y que el electrón no podía acumular esa energía que recibía: o era liberado o no pasaba nada. De esa forma fue que surgió la cuantización de la energía y de las ondas de luz: se puede pensar que la luz son pequeños paquetes (fotones) que al impactar contra un electrón le ceden o toda su energía o nada. Si esa energía fue suficiente para el electrón escapar del metal, podrá ser detectado, más aún, la energía con la que saldrá es directamente proporcional a la frecuencia de la onda que incidió. Además se observa que la intensidad de la luz, sólo contribuye al número de electrones que son liberados por segundo, pero no a su energía.

Fue por este trabajo que Albert Einstein ganó el premio Nobel de física en 1921; muchos suelen cometer el error de pensar que la Relatividad fue la teoría que le valió el premio. También se suele pensar de Einstein como un científico completamente opuesto a la mecánica cuántica y a la probabilidad (basta recordar la frase “Dios no juega a los dados”) mientras que, por este y otros trabajos, se lo puede considerar como uno de los padres fundadores de la cuántica. También cabe destacar el gran paso intelectual que dio Planck, científico que en general queda relegado al momento de la divulgación, al estudiar la radiación de cuerpo negro y su interpretación.

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Pilas/Células Combustible (Fuel Cell)

Pila o Célula de combustible (Fuel Cell) se trata de un dispositivo electróquímico que transforma de forma continua la energía química de un combustible (hidrógeno) y oxidante (oxígeno) directamente en energía eléctrica y calor, sin combustión. El proceso eléctrico hace que los átomos de hidrógeno cedan sus electrones. Es parecido a una batería en el sentido de que tiene electrodos, un electrolito y terminales positivos y negativos. Sin embargo no almacena energía en la forma en la que lo hace una pila. Como no existe combustión, las pilas de combustible emiten pocas emisiones; como no tiene componentes móviles, las células de combustible son silenciosas.

En síntesis, las células (pilas) de combustible producen energía eléctrica mediante la combinación de hidrógeno y oxígeno que convierten en agua. De ahí su gran atractivo, pues las células de combustible producen una energía limpia que no daña el medioambiente y silenciosa.

La nanotecnología aporta soluciones y métodos para hacer posible en la práctica las células de combustible (fuel cell). Por ejemplo: Hydrogen Solar ha desarrollado un material nanocristalino que mejora sustancialmente la producción de hidrógeno utilizando energía para descomponer el agua más eficientemente en sus elementos.

En otra versión más divulgativa, hoy se entienden que unas pilas de combustible son pilas eléctricas utilizadas para generar energía eléctrica a partir de la reacción de un número de sustancias químicas, sin necesidad de combustión y sin producir ruido o contaminación.

A diferencia de las tradicionales baterías de litio-ion, éstas pueden producirse en una variedad de formas y son "rellenables", no recargables como las existentes. Además duran días.

Las primeras pilas de combustible serán más grandes, de manera que por ejemplo los móviles que utilicen esta tecnología tendrán un mercado muy lejano al de diseño y moda que predomina hoy .

En una versión más a largo plazo, se podrían utilizar las células / pilas de combustible en aplicaciones estacionales como la generación de electricidad o la calefacción de edificios. También podrían utilizarse para dar energía a coches, autobuses y trenes. Las células de combustibles serían por lo menos dos veces tan eficientes como los motores de gasolina.

Algunos expertos aseguran que las células de combustible se introducirán en los ordenadores portátiles y en los teléfonos móviles antes de que concluya 2005.

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Bacterias que generan electricidad

El creciente interés por encontrar nuevas fuentes de energía ha llevado a los científicos a fijarse en unos aliados muy peculiares para generar electricidad: las bacterias. Con el mismo concepto que el de las pilas de hidrógeno que se prueba ya en coches, diversos laboratorios intentan desarrollar desde hace unos pocos años otro tipo de células de combustible, en este caso, microbianas.

Se trata de un campo muy novedoso, en el que un equipo de investigadores españoles del Centro de Astrobiología (CAB) y del Instituto de Electroquímica de la Universidad de Alicante, junto a otro argentino de la Universidad de Mar del Plata, han conseguido dar un paso relevante: registrar con técnicas espectroscópicas la transferencia directa de electrones entre una bacteria viva y un electrodo de oro, en un espacio de cinco nanómetros. "Nunca antes se había conseguido visualizar de forma clara este proceso, pues dentro de una célula existen multitud de moléculas y no resulta sencillo saber cuáles son las importantes", detalla Juan Feliu, director del grupo de Electroquímica de Alicante.

Con este experimento, los investigadores consideran demostrado que bacterias como Geobacter generan electricidad por unas proteínas de la superficie celular denominadas citocromos C, como explica otro de los científicos implicados, Abraham Esteve Núñez, bioquímico del CAB, que tuvo la oportunidad de mostrar los resultados del trabajo en el Primer Simposio Internacional sobre Pilas de Combustible Microbianas, celebrado recientemente en Pensilvania (EE UU. Esteve Nuñez trabajaba como postdoctoral en el laboratorio de la Universidad de Massachussetts (EEUU) que, en 2002, descubrió que se podía obtener electricidad de la bacteria Geobacter a partir de su simple contacto con un ánodo, sin recurrir a mediadores químicos.

Entonces se había constatado que este género bacteriano que habita en el subsuelo respira rocas en lugar de compuestos solubles, lo que significa que utiliza óxidos de hierro de la tierra como aceptadores de los electrones para oxidar la materia orgánica. "El grupo de Massachussetts se planteó: ¿Si estas bacterias pueden transferir los electrones a las rocas, porque no comprobamos si esto funciona también en contacto con un sólido como el grafito que conduzca la electricidad?", cuenta este bioquímico. La idea funcionó y desde entonces investigadores de varios países intentan desarrollar una pila de combustible que genere electricidad a partir de la descomposición microbiana de la materia orgánica, como residuos vegetales o aguas residuales.

Así lo intenta, por ejemplo, el investigador François Buret, del Laboratorio Ampère, en la Escuela Central de Lyon, que está haciendo experimentos para generar electricidad con bacterias en una estación depuradora de esta ciudad francesa. Como detallaba este ingeniero en el Salón Europeo de la Investigación e Innovación celebrado recientemente en París, "en el agua que llega a la depuradora está el alimento y sólo hay que esperar que trabajen las bacterias". Su grupo trabaja con distintos modelos de biopilas en la depuradora de algunas decenas de litros y el objetivo es obtener datos con vistas a la adaptación industrial de esta tecnología.

"Tanto la pila de combustible de hidrógeno como la bacteriana se basa en una reacción de oxireducción", especifica Buret, "lo difícil es cómo conseguir que las buenas bacterias se peguen en el sitio adecuado, pues cuando se meten los electrodos en el efluente todavía deben pasar varios días para producir energía".

Aunque hace casi cien años que se describió por primera vez la generación de pequeñas corrientes eléctricas en presencia de microorganismos, no ha sido hasta ahora que ha comenzado a investigarse a fondo en los laboratorios y las pilas microbianas se encuentran todavía en fases muy iniciales. Aún así, como precisa Esteve Nuñez, en menos de cinco años la potencia eléctrica generada con estas biopilas se ha multiplicado por mil.

El mayor desafío ahora es que los ingenieros logren diseñar sistemas más eficientes y los científicos aprendan a sacar el máximo partido a las bacterias electrogénicas mejores.

¿Hasta dónde se puede llegar con las biopilas? "Dadas las altas necesidades energéticas de la sociedad actual, veo difícil el conseguir vivir de la electricidad generada por las bacterias", reconoce Esteve Núñez, que considera que el interés de la tecnología se centra más bien en aprovechar la energía química contenida en los residuos o incluso en la posibilidad de desarrollar biosensores a escala nanométrica que puedan funcionar con electricidad de estos microbios. Él señala que, según estimaciones, con la energía contenida en las aguas residuales las bacterias podrían generar diez veces la electricidad que se necesita para su depuración en las plantas de tratamiento.

De forma esquemática, el sistema de las biopilas es tan simple como dos electrodos (ánodo y cátodo) y un biofilm de bacterias creciendo sobre ellos. "El sistema funciona como una pila de combustible en la que la bacteria hace el trabajo del catalizador", detalla Juan Feliu, director del grupo de Electroquímica de la Universidad de Alicante.

Las pilas bacterianas pueden ser de dos tipos muy diferentes. La primera consiste en una especie de reactor con una cámara anódica (donde se opera la actividad bacteriana) y otra catódica, separadas por una membrana de intercambio catiónico. Ahora bien, la pila de combustible también puede emplazarse en un hábitat natural, para obtener la energía de comunidades bacterianas del propio lugar, que es lo que se denomina célula de combustible sedimentaria. En este caso se puede obtener la electricidad directamente del suelo, como subraya el bioquímico Esteve Nuñez. Él está investigando ahora la generación eléctrica en cultivos de arroz.

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Nuevo Récord de Eficiencia Para Células Solares

Una investigación conjunta de la Universidad Técnica de Eindhoven y el Instituto Fraunhofer ha logrado una mejora importante de la eficiencia de las células solares. Ello ha sido posible gracias al uso de una capa ultrafina de óxido de aluminio ubicada en la parte frontal de la célula, y hace presagiar grandes avances en el uso práctico de la energía solar.

Una mejora de poco más del 1 por ciento (en términos absolutos) puede parecer a primera vista modesta, pero permitirá que los fabricantes de células solares incrementen de manera importante el rendimiento de sus productos. Ello se debe a que una eficiencia mayor es una forma muy eficaz de reducir el precio del costo de la energía solar. Los costes de aplicar la capa delgada de óxido de aluminio se espera que sean relativamente bajos. Esto significará una reducción sustancial del costo de producir la electricidad solar.

La capa ultrafina de óxido de aluminio, desarrollada por el grupo de investigaciones sobre el plasma y el procesamiento de materiales (PMP, por sus siglas en inglés) de la Universidad Técnica de Eindhoven, puede llevar a una innovación en la tecnología de células solares. Varios de los principales fabricantes de células ya han mostrado su interés.

Durante años, las células solares han sido vistas como un medio muy prometedor para resolver, al menos en parte, el problema de las fuentes de energía contaminantes y no renovables. El Sol nos envía su energía día tras día, y para recogerla basta instalar células solares sobre superficies donde no molesten. La energía solar también ofrece posibilidades para su uso en países en vías de desarrollo, muchos de los cuales tienen altos niveles de insolación. Se espera que dentro de diez a quince años el precio de la electricidad generada por las células solares sea comparable al de la "electricidad convencional" obtenida de los combustibles fósiles. El nuevo desarrollo ahora logrado coloca a la célula solar más cerca de las aplicaciones prácticas de alta eficiencia.

Información adicional en:

• Universidad Técnica de Eindhoven

Estudian bacteria marina que obtiene energía de la luz sin hacer fotosíntesis

Un equipo del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha participado en el análisis del genoma de una bacteria marina que es capaz de obtener por sí misma energía de la luz solar sin poner en marcha el complejo mecanismo de la fotosíntesis, además de alimentarse de materia orgánica.

Según ha informado el CSIC, este microorganismo, que posee un metabolismo mixto a medio camino entre las algas y las bacterias, podría servir para desarrollar energías renovables en un futuro.

El microorganismo, aislado en muestras de agua del Mediterráneo, ha sido denominado "Polaribacter", ya que está relacionado con bacterias detectadas anteriormente en muestras de regiones polares.

Esta bacteria puede captar la energía de la luz porque sintetiza una proteína llamada proteorodopsina y un pigmento retinal, similar al de la retina de los seres humanos, según publica el último número de la revista Proceedings de la Academia Nacional de Ciencias estadounidense (PNAS).

Los científicos aseguran que el hallazgo tiene implicaciones sobre el papel que juegan las bacterias marinas en la regulación de la concentración de CO2 en la atmósfera y los mecanismos implicados en el cambio global.