. Energía y Desarrollo de la Humanidad. Visión Histórica. Grandes Hitos Científicos y Tecnológicos
* Introducción
Es conocido que el concepto de energía1 es fundamental e impres-cindible. Tanto como el de materia y el de espacio físico. Hacia el primer cuarto del siglo XIX, los físicos mismos no tenían una idea clara de lo que debía entenderse por energía. En nuestros días este concepto está presente en casi todos los espacios del conocimiento y la actividad humana.
Sin embargo, el hombre de la calle no lo entiende bien. En general, lo intuye como vigor, fuerza, actividad. Siendo que, en realidad, el concepto físico de energía es menos intuitivo.
Existe cierta propiedad común a todas las manifestaciones físicas de la energía que posibilita describirla, en forma más bien elemental, como lo hizo Rankine2 en 1852: Energía es la capacidad de producir trabajo. Descripción, o si se quiere, definición que, conceptualmente, se ha extendido en forma univer-sal. Aunque Planck3, entre otros, ha dado una definición diferente.
La energía es un capital codiciado, no sólo por el físico, sino también por el hombre y por todo ser viviente. Este capital puede hallarse en diversas for-mas y de hecho existe desde el comienzo mismo de los tiempos.
El Principio
En general se acepta que, como consecuencia del big bang, y cuando terminaron por aparecer los enjambres de galaxias, hace unos 15 000 millones de años, se formó el universo.
En 1755, Kant4 propuso que dentro de dicho universo, una nebulosa originaria de polvo y gas, se condensó para formar nuestro Sol y todo su sistema planetario. En 1798 Laplace5, en forma independiente, llegó a conclu-siones similares. Y a partir de 1944, otros astrónomos de fuste6, en forma sucesiva, terminaron por conformar la teoría que actualmente se acepta.
Por “datación” del uranio contenido en algunos meteoritos encontrados en la Tierra y en rocas de la Luna, se estima que el sistema Solar tiene alre-dedor de 4 600 millones de años de edad, es decir, que se formó después de más de 10 000 millones de años de la aparición de las galaxias.
Desde entonces, la estrella Sol y el planeta Tierra juegan un destino común bajo la acción de la fuerza de la gravedad y de la radiación solar.
Habiendo nacido después que el Sol, la Tierra al principio no albergaba vida, pero es posible que sí existieran en ella océano y atmósfera; constituidos por moléculas simples: agua, nitrógeno, metano, anhídrido carbónico, amo-níaco.
De cualquier forma, tanto la atmósfera como el océano, no debieron ser exactamente iguales a como ahora los conocemos, pero ya estaban sujetos al accionar de la energía.
En efecto, desde su nacimiento, nuestro planeta recibió del Sol, energía radiante7. Por otra parte, en la atmósfera se originarían rayos y otras descargas que son manifestaciones de la energía eléctrica. Además, por tener el planeta un interior muy caliente, se producían erupciones volcánicas y manantiales de agua caliente, manifestaciones de las energías térmica y geotérmica. Y puesto que tenía masa, atraía y era atraído por los otros cuerpos del sistema solar: estaba presente la fuerza de la gravedad.
Por efecto de la energía radiante, las aguas, la tierra y la atmósfera, estaban sujetas a calentamientos desiguales. Esto, por cuestiones de latitud, de marcha anual de la temperatura, de moléculas de constituciones diferentes, etc. Complementariamente, por efecto de la atracción de la luna, el sol y otros astros, en la atmósfera, se producían corrientes atmosféricas, es decir, expre-sión de la energía eólica; y, en las aguas, mareas meteorológicas, corrientes de marea y olas, es decir, expresiones de la energía mareo-motriz.
La energía radiante motorizaba en la atmósfera primitiva fenómenos claves para la modelación de la superficie del planeta y el posterior soporte de vida en el mismo: evaporación desde la superficie, condensación en la atmós-fera y, en situaciones propicias, precipitaciones.
Se establecía un clima…
Energía radiante, clima, y fuerzas accionando sobre las rocas, fue con-formando, de a poco, lo que hoy denominamos planeta Tierra8.
Después
Muchos millones de años después, comenzaron a manifestarse otras formas de energía. En efecto, se han encontrado en la corteza terrestre ves-tigios de bacterias, organismos unicelulares desprovistos de núcleos, denomi-nados procariotes, que datan de unos 3 500 millones de años atrás9; edad que se les asigna a las rocas en las que fueron encontrados. Algunos de estos organismos son de color azul, cianobacterias, que tienen gránulos verdes de clorofila; éstos, por mecanismos todavía desconocidos, transforman la energía lumínica que procede del Sol, en energía química que queda en la molécula orgánica. Con esa energía se puede descomponer agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se combina con el anhídrido carbónico para formar componentes celulares y el oxígeno se libera al aire. Proceso fenomenal que, a la par que le daba energía vital a las bacterias, fue cambiando -paulatinamente- la constitución de la atmósfera originaria del planeta. Las bacterias que no tenían clorofila para poder vivir, debían comer cianobacterias u obtener energía de moléculas orgánicas más simples, no vivas, formadas en base a pequeñas moléculas del aire y del agua.
En rocas, que datan de 1 400 millones de años, es decir, más de 2 000 millones de años después de la aparición de los procariotes, se han encontrado otros organismos unicelulares más complejos, denominados eucariotes, que tienen: núcleos, capaces de realizar tareas de reproducción; mitocondrias, que desarrollan oxígeno; cilios, especializados en el movimiento; ribosomas, elabo-radores de proteínas; cloroplastos, que contienen clorofila, etc.
Es posible que de esta especie de “división del trabajo” ocurrida en los eucariotes, se hayan desarrollado los organismos pluricelulares que se han encontrado en rocas que datan de sólo 800 millones de años atrás.
También es posible que estos organismos continuaran evolucionando desde allí, hasta que, hace unos 600 millones de años, aparecieron dos “reinos acuáticos” bien diferenciados: el vegetal y el animal.
450 millones de años atrás muchos vegetales se afincaron en tierra firme, un
. . procariotes, que datan de unos 3 500 millones de años atrás9; edad que se les asigna a las rocas en las que fueron encontrados. Algunos de estos organismos son de color azul, cianobacterias, que tienen gránulos verdes de clorofila; éstos, por mecanismos todavía desconocidos, transforman la energía lumínica que procede del Sol, en energía química que queda en la molécula orgánica. Con esa energía se puede descomponer agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se combina con el anhídrido carbónico para formar componentes celulares y el oxígeno se libera al aire. Proceso fenomenal que, a la par que le daba energía vital a las bacterias, fue cambiando -paulatinamente- la constitución de la atmósfera originaria del planeta. Las bacterias que no tenían clorofila para poder vivir, debían comer cianobacterias u obtener energía de moléculas orgánicas más simples, no vivas, formadas en base a pequeñas moléculas del aire y del agua.
En rocas, que datan de 1 400 millones de años, es decir, más de 2 000 millones de años después de la aparición de los procariotes, se han encontrado otros organismos unicelulares más complejos, denominados eucariotes, que tienen: núcleos, capaces de realizar tareas de reproducción; mitocondrias, que desarrollan oxígeno; cilios, especializados en el movimiento; ribosomas, elabo-radores de proteínas; cloroplastos, que contienen clorofila, etc.
Es posible que de esta especie de “división del trabajo” ocurrida en los eucariotes, se hayan desarrollado los organismos pluricelulares que se han encontrado en rocas que datan de sólo 800 millones de años atrás.
También es posible que estos organismos continuaran evolucionando desde allí, hasta que, hace unos 600 millones de años, aparecieron dos “reinos acuáticos” bien diferenciados: el vegetal y el animal.
450 millones de años atrás muchos vegetales se afincaron en tierra firme, un medio, sin duda, mucho más agresivo que el oceánico de donde provenían.
La presencia, fuera del agua, de los vegetales y posteriormente de los animales -fotosíntesis y ciclo hidrológico mediante- terminó por conformar el a-gua, el aire, la tierra y el clima de nuestro planeta, similar al lo que hoy conoce-mos.
Es posible que desde ese entonces, 450 millones de años atrás, se haya producido naturalmente fuego10 debido a incendios de bosques, plantas o pasti-zales por la acción de los rayos o la combustión de bolsones de oxigeno.
Esta energía diferente, manifestada en el fuego, producido por combus-tiones naturales existió, entonces, muchísimo tiempo antes que la aparición de los homínidos.
No obstante, recién hace 1 600 000 años -con la aparición del Homo erectus-, que se descubrió el fuego, porque este homínido lo utilizó, es decir aprendió a mantenerlo encendido, y se valió de él11.
Hasta que, unos 300 000 años atrás, con la aparición del homínido Ho-mo Neanderthalensis, se pudo descubrir cómo encender el fuego a voluntad. Con lo que, este homínido, comenzó a usar deliberadamente una forma de e-nergía diferente de su propia energía muscular y de la energía radiante origina-ria.
Muchos creen ver en esto, los albores de la tecnología.
El Homo sapiens, homínido con capacidad para tener un lenguaje ela-borado, recién apareció hace unos 50 000 años.
Y, finalmente, hace unos 30 000 años atrás, apareció el homínido Homo sapiens sapiens, antepasado del hombre actual, quién pobló todas las tierras firmes disponibles12.
De modo que el hombre dispuso desde su aparición: energía radiante y sus derivadas, energía muscular, fuego (energía química). Más tarde ideó el arco y la flecha (energía elástica) y domesticó animales: con ello pudo expandir su entorno alimentario. Luego pro-dujo lo que se conoce como la Revolución del Neolítico: ideó, hace unos 8 000 años, la agricultura; y con el auxilio de los animales domesticados, que ampliaron la capacidad de su energía muscular, fue abandonando la cultura nómada por el sedentarismo.
Y sobre estas bases, comenzó su gran aventura: construir ciudades…
Posteriormente, aprendió a aprovechar otras energías: eólica; hidráulica; térmica y mecánica; eléctrica; geotérmica… así, hasta llegar a utilizar la energía atómica.
Y, mañana, las que tal vez se descubran y aprovechen...
Toda esta vida y todo su entorno necesitaron de la fotosíntesis. Así, las plantas verdes para cumplir su ciclo, la utilizan y los animales, para subsistir, deben alimentarse de las plantas o de otros animales.
Completando el círculo, tanto los organismos del reino animal como del vegetal, después de muertos, por procesos de putrefacción, fosilización, carbu-ración, y otros, guardaron, acumularon, la energía química obtenida, vía foto-síntesis, de la luz del sol
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Formas y Fuentes de Energía
Con todo, la energía del Universo se manifiesta en diversas formas físicas y químicas. Sin embargo, 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. 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.
Una fuente de energía, por ejemplo el petróleo, puede producir diferentes formas de energía: térmica, mecánica, química o eléctrica.
Fuentes de Energía. Visión Histórica. Grandes Hitos
Analizaremos las principales fuentes de energía conocidas según un patrón de secuencia temporal, para analizar como existían o fueron descubiertas por el hombre:
1) Energía Solar
La energía enviada por el Sol es, de origen nuclear13. Sin ella, no habría vida en la Tierra.
Euclides menciona que es posible obtener temperaturas elevadas mediante un espejo cóncavo, y Filón de Bizancio aprovechó el calor del Sol en un termoscopio14.
Se cree que en el año 212 a.C., a pedido del rey Herón, Arquímedes quemó las naves romanas que sitiaban Siracusa15.
En la época del Renacimiento16, de Caus construyó una bomba de agua accionada por un motor de su invención, cuya fuerza motriz provenía del vapor calentado por los rayos solares.
Después de 1 700 Lavoisier17, construyó un horno solar provisto de una lente, en el que se alcanzó temperaturas de 1 700º C. En él, se podía fundir platino.
En el siglo XIX, Stirling18, construyó un motor de aire caliente con un pistón acoplado a un espejo parabólico.
En 1839, Becquerel19, mientras trabajaba con celdas electrolíticas ob-servó que al iluminar uno de los electrodos se producía un voltaje: había descu-bierto el efecto fotovoltaico.
En 1868, Ericsson20 construyó, en Nueva York, un motor solar.
Hacia 1875, Smith encontró que el selenio tenía propiedades fotovol-taicas y luego Fritts, construyó celdas solares de selenio.
En 1905, Einstein21, partiendo del concepto de cuanto, introducido en 1900 por Planck, propuso que la luz está compuesta de cuantos o paquetes de energía llamados fotones22.
A fines de 1920, la mecánica cuántica23, señaló que la luz tiene mani-festaciones de partícula y de onda y no se pueden excluir ambos conceptos. La luz se comporta como onda o como partícula, según el instrumento que se use para analizarla.
En 1913, Shuman y Boys24 hicieron una máquina termosolar de 50 CV, que se usó en El Cairo, para extraer agua del Nilo con fines de riego.
Hacia 1970, algunos investigadores25, utilizaron silicio con impurezas en lugar de selenio para fabricar celdas solares. Una de las desventajas era su elevado costo. Cuando se las empezaba a olvidar, la NASA pensó que la fuente de energía más indicada para los satélites espaciales era la celda solar y le dedicó mucho tiempo y dinero para producirla.
En las últimas décadas, la energía solar ha cobrado importancia como posible fuente energética, porque las reservas de combustibles fósiles tienen expectativas de existencia, limitadas.
La energía solar contribuye modestamente al espectro energético dispo-nible como una opción más, con sus deficiencias tecnológicas, sus desventajas económicas actuales y sus eventuales ventajas a largo plazo.
De cualquier forma, la energía solar es la causa indirecta de que pueda aprovecharse la energía que proporcionan las plantas y los animales, como biomasa. También al Sol se deben los movimientos de las diferentes masas de aire que ocasionan los vientos; así, la energía eólica y de las olas son indirecta-mente 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. Otro tanto ocurre con la energía hidroeléctrica: proviene de una enorme máquina térmica cuyo combustible es, precisamente, la energía solar. Algo similar puede considerar-se de la energía geotérmica, puesto que la Tierra nació de la misma fuente que el Sol.
2) Energía Eólica
Es la energía cinética de los vientos, que puede aprovecharse como tal o convertirse en electricidad; es casi inagotable, no contamina y es intermitente.
Se empezó a utilizar hacia el año 3 500 a.C., cuando los sumerios arma-ron sus primeras embarcaciones de vela y los egipcios empezaron a remontar el Nilo.
Mucho tiempo después, los griegos construyeron máquinas que funcio-naban con el viento.
Acerca de la invención de los molinos de viento hay controversia. Al-gunos afirman que el primero surgió en Seistán, Persia (hoy Irán); otros, que existieron antes, en Míconos (Grecia).
En Europa aparecen en el año 1105, cuando por encargo del Papa, el Abad de Savigny construyó varios molinos en diversas provincias francesas, en particular para moler granos.
Al final del siglo XIII aparecen los famosos molinos holandeses usados para bombear agua.
La Revolución Industrial, apoyada en las máquinas térmicas (Motor Watt), más eficientes y más baratas hicieron olvidar, por entonces, a los discon-tinuos aerogeneradores.
Hacia el año 1881, la electricidad tomó impulso, por lo que se volvió a despertar el interés en los aerogeneradores26.
3) Energía Geotérmica
Es la energía térmica del centro de la Tierra27, la que se transforma en mecánica y eléctrica a través de un turbogenerador. La palabra "geotérmica" se originó hace más de diez mil años.
El agua filtrada por fisuras de la corteza, a lo largo de muchos años y que se encuentra cerca del magma, se ha calentado porque 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 queda-do atrapada, formando un acuífero de agua caliente28.
Las aguas termales, los géyseres, los volcanes de lodo, las fumarolas y las erupciones volcánicas, se generan similarmente.
Una antigua cultura indígena aprovechó el recurso natural de ciertos manantiales como aguas termales.
Hacia 1830, ya se usaban tres baños termales de manantiales, en la ciu-dad de Hot Springs, Arkansas.
La energía geotérmica se explota actualmente con una tecnología confiable, con muchos usos alrededor del mundo. No obstante, cada vez debe garantizarse que, las sales que acompañan al agua extraída, no contaminen la superficie terrestre.
4) Energía Hidráulica
La energía hidráulica es energía mecánica: primero potencial, cuando el agua de un río es detenida por una presa y se establece una diferencia de altura y, después, cinética cuando se deja caer el agua desde la presa. Dicha energía cinética es la que se utiliza para mover un turbogenerador y producir energía eléctrica.
La utilización de la energía hidráulica, data de la época de los griegos, quienes empleaban para elevar agua la rueda hidráulica, llamada noria, que inventó Filón de Bizancio en el siglo III a.C.
Tanto la rueda hidráulica vertical como la horizontal se usaron en la E-dad Media y el Renacimiento: en la agricultura, en las minas, en la industria textil, en la maderera y en el transporte.
En el siglo XVIII, Parent calculó, por primera vez, la potencia máxima que podría obtenerse de un curso de agua.
Entre 1835 y 1837 se instaló la primera turbina hidráulica29. La palabra turbina la inventó Burdin30.
En el año de 1881 se construyó en Inglaterra, la primera planta hidroe-léctrica. La producción de energía eléctrica, a gran escala, empezó en 1895 cuando se construyó una presa, de 3,75 MW, en las cataratas del Niágara31.
5) Energía Vital
La energía que nos proporcionan los alimentos se transforma en energía utilizable para desempeñar todas nuestras actividades32.
Los alimentos que ingerimos se transforman, por reacciones de oxida-ción. Es decir, el oxígeno que respiramos se emplea para transformar los ali-mentos en energía química. Ésta, a su vez, se transforma en energía mecánica que permite mover los músculos. Parte de la energía química se pierde inevi-tablemente en forma de calor.
Desde su aparición, el hombre utilizó la energía mecánica de sus músculos para desplazarse y efectuar las labores. La domesticación de los animales de carga y de tracción -que también requieren alimentos- le facilitó el transporte de cargas pesadas y las labores agrícolas.
La energía química, posibilita que nuestros órganos funcionen, en parti-cular nuestro cerebro.
A propósito, una pregunta me acecha: Todo nuestro producto de elabo-ración mental (energía mental), cálculos, proyectos, memorias, ensayos, litera-tura, etc., las que se publican y las que van al canasto: ¿Hay alguien que lo a-provecha? ¿Cómo?
6) Energía de la Biomasa
Surge del aprovechamiento de la materia viva y los desechos orgánicos como combustibles; por tanto, se trata de energía química renovable y pasible de transformar. Existen dos formas de aprovecharla: la conversión termoquí-mica y la biológica.
La primera refiere a la utilización de vegetales y desechos orgánicos para producir calor mediante la combustión.
La segunda refiere a la fermentación aeróbica, en la cual se aprovecha el calor obtenido de la descomposición por las bacterias aeróbicas33.
El ejemplo más conocido de utilización directa de la biomasa es la made-ra: la fuente de energía más antigua que conoce la humanidad y, en algún mo-mento posterior, la del carbón de leña34.
Otro ejemplo es la utilización del etanol, un alcohol que se obtiene de la caña de azúcar. En el caso de Brasil, el etanol, proporciona una quinta parte del combustible que utiliza en transporte.
Lo que conocemos por combustibles fósiles (carbón, gas natural y petróleo) no son otra cosa que “biomasa fósil”, producida en determinados períodos geológicos. Se formaron una vez enterrada la biomasa, a través de mecanismos bioquímicos o condiciones físico-químicas o por la conjunción de ambos tipos de acciones
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7) Energía Química: del Carbón, Petróleo y Gas Natural.
7a) Energía del Carbón
Hace aproximadamente 300 millones de años en el periodo llamado Car-bonífero, aunque también durante otros periodos, se formó gran parte del carbón mineral que existe en nuestro planeta. Se formó a partir de la descom-posición anaeróbica de materia orgánica, principalmente plantas superiores terrestres. Por la acción de bacterias anaeróbicas, la materia orgánica fue ga-nando carbono y perdiendo oxígeno e hidrógeno; este proceso, aunado a los incrementos de presión y temperatura con el paso del tiempo provocaron cam-bios físicos y químicos en los restos orgánicos y los transformaron en carbón35.
El carbón mineral se empezó a utilizar como combustible en China hace aproximadamente 2 000 años. Posteriormente lo utilizaron los romanos. En el siglo XIII, los ingleses lo explotaban y transportaban en barcos a Londres, don-de lo utilizaban para producir calor. Los indios hopi lo emplearon en lo que hoy es Arizona.
En 1670, Clayton36 informó de la generación de un gas luminoso que se obtenía al calentar carbón en una retorta. En 1792, Murdock37, iluminó su casa con gas obtenido en la destilación.
Recién en la época de la reina Isabel I este combustible empezó a uti-lizarse ampliamente en las ciudades inglesas38. El carbón adquirió más impor-tancia cuando Darby descubrió el proceso que permite obtener coque a partir de él.
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 Watt, en 176539. Joule se dio cuenta de la relación que existe entre la máquina de vapor y el uso directo del carbón 40.
Entre 1860 y la primera Guerra Mundial el carbón desplazó a la madera como combustible fundamental.
Entre ambas guerras mundiales el petróleo sustituyó al carbón como principal fuente de energía; esto se acentuó en la posguerra.
7b) Energía del Petróleo y del Gas Natural.
El petróleo se origina por la acumulación de plancton verde y restos de animales en los sedimentos del fondo marino, los que, mediante una descom-posición anaeróbica se transforma lentamente por procesos bioquímicos e inor-gánicos en gotas de petróleo o hidrocarburos. Estas gotas se alojan en una ro-ca sedimentaria, llamada roca madre, de donde su extracción es casi imposi-ble.
Por diversos procesos de migración llega a rocas de grano fino imper-meable, en donde queda entrampado y puede extraerse.
El conocimiento del petróleo es antiquísimo. En la Biblia41 se lo cita como asfalto, utilizado como mezcla para asentar los ladrillos de la Torre de Babel y, también, como elemento de guerra42.
Algunos indígenas precolombinos lo usaban para impermeabilizar sus embarcaciones y los chinos utilizaron el gas del petróleo para cocinar sus ali-mentos.
El primer pozo de petróleo lo perforó Drake en EE.UU en 1859. Logró extraer petróleo existente a una profundidad de 21 m.
El mismo Drake, extrajo kerosén del petróleo y propició su utilización co-mo combustible para las lámparas que hasta entonces usaban aceite de balle-na43.
Sin embargo, no fue sino hasta fines del siglo XIX, con el inicio del consumo de las naftas por parte de los automóviles, vehículos y máquinas con motores a combustión, que tuvo y tiene un incremento de uso, incesante44. Hoy se avizora la posibilidad de que entre 50 y 75 años más, se produzca su ago-tamiento.
7c) Explosivos
Explosivo es toda sustancia química o mezcla (sólida, líquida o gaseosa) capaz de descomponer rápidamente, desarrollando un gran volumen de gases y calor en un espacio incapaz de contenerlo a la presión atmosférica; deben ser sometidos a ignición a través de detonadores para que se produzca la explo-sión.
Sin su concurso sería imposible la extracción en gran escala de minerales y rocas y realizar casi cualquier gran obra pública. En el mundo se consumen al año unos 10 millones de toneladas de explosivos, con las que se arrancan unos 10 000 millones de m3 de minerales y rocas (1 x 2 500).
El explosivo pólvora negra45 fue inventado en el siglo XIV posiblemente por el monje alemán Schwartz. Fue decisivo en la batalla de Crecy, en 134646.
El descubrimiento del uso de la pólvora negra para desarrollar trabajos mecánicos puede considerarse como el comienzo real de la historia de los explosivos. En 1818 se preparó la Nitrocelulosa con papel nitrado y sus propie-dades explosivas fueron descubiertas en 1846 por Schumbert y Bottger, de ma-nera independiente.
En 1847, Sobrero preparó la nitroglicerina47 y en 1867, Nóbel la dina-mita48, asegurando las detonaciones de ésta con la invención, en el mismo año, del Fulminato de Mercurio.
A partir del advenimiento de estas sustancias, se ha observado un desa-rrollo continuo de los explosivos con fines bélicos49 y terroristas y, claramente, con fines útiles en trabajos de ingeniería50.
8) Energía Nuclear.
La energía que une a los núcleos de los átomos se transforma en ener-gía térmica, y ésta, a su vez, en mecánica y eléctrica.
8a) Fisión Nuclear
En 1932 Chadwick51 descubre el neutrón el que, junto con el protón, for-ma el núcleo de un átomo.
Al bombardear un átomo pesado con neutrones, el núcleo de éste se rompe, 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.
El descubrimiento del neutrón fue decisivo para producir energía útil en un reactor nuclear.
En 1933, los esposos Joliot-Curie descubren que al bombardear una delgada lámina de aluminio con partículas alfa, se produce una radiación muy intensa. Fue el origen de la radiactividad artificial.
Fermi52 demostró, en 1934, que al hacer incidir un haz de neutrones en 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. Más tarde construyó la primera pila de uranio.
Poco después, Bohr y Wheeler exponen la teoría de que el isótopo ura-nio-238 produce fisión sólo si se bombardea con neutrones rápidos, mientras que el uranio-235 se puede fisionar con neutrones lentos. Más tarde, Nier y Dunning confirmaron experimentalmente esta teoría.
En 1940 McMillan, Kennedy y Wahl descubren el plutonio, elemento que es producido en los reactores nucleares y utilizado para hacer la bomba atómi-ca en el ciclotrón de Berkeley.
Poco después, el Proyecto Manhattan, dirigido por el general L. Groves y con J. R. Oppenheimer, como uno de los jefes, dio su fruto letal: las tres pri-meras bombas atómicas construidas en Los Alamos, Nuevo México.
El horror de utilizar la energía de la fisión en las bombas atómicas lanza-das sobre Hiroshima y Nagasaki, tuvo su contraparte en la construcción del reactor nuclear. Después del reactor de Chicago se construyeron rápidamente centrales nucleares en Canadá, Francia, la ex URSS, Alemania, Inglaterra, etc.
8b) Fusión Nuclear
En una reacción de fusión dos núcleos de elementos ligeros como el hi-drógeno se unen para formar uno pesado, con una energía de amarre mayor que cualquiera de los núcleos ligeros. Hay un déficit de masa o masa faltante, que se manifiesta de acuerdo con la fórmula de Einstein, como una gran libe-ración de energía.
En todas las estrellas y, por tanto, en el Sol se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear. A temperaturas de millones de grados los átomos se diso-cian 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 y se pueden unir los núcleos de los átomos, liberando grandes cantidades de energía.
Las reacciones nucleares que ocurren en las estrellas se han reprodu-cido en condiciones simplificadas y artificiales en laboratorios terrestres.
Para producir artificialmente una reacción de fusión se necesita vencer la fuerza de repulsión de los núcleos que se quieren fusionar. Esto se ha logrado de dos maneras diferentes:
1) Elevando la temperatura del combustible de fusión hasta el estado de plasma53.
2) El método de confinamiento inercial, utilizando un láser muy potente.
Hasta ahora no se ha logrado construir un reactor de fusión comercial capaz de producir energía eléctrica. Sin embargo, en varias naciones se han obtenido progresos.
Una de las grandes ventajas de la fusión controlada es la escasa radia-ción producida, así como la corta vida de los elementos radiactivos como el tritio, que en realidad es el único producto radiactivo de las reacciones de fusión.
Debe tenerse en cuenta que se puede producir hasta 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 invier-te para lograr la fusión.
El Futuro
Esta visión histórica que se ha compilado, además de oficiar como un imaginario hilo que ayude a enhebrar las conferencias siguientes, es útil para comprender los intentos actuales que se realizan con el fin de ampliar las dis-ponibilidades energéticas.
No hace falta ser un experto para comprender que la cultura del hombre actual necesita y necesitará energía barata y en grandes cantidades para satisfacer demandas tan diversas como: alimentación, educación, comunica-ción, transporte, diversión, medicina, fármacos, investigación… y, entre medio de ellas, el siniestro despilfarro…
En cualquier prospectiva que se realice, habrá un lugar común: la existencia de una mayor cantidad de habitantes pugnando por un espacio que se irá reduciendo por efecto de: la contaminación, la desertificación, y el propio incremento poblacional; exigiendo siempre mayor disponibilidad de energía.
Los días que vivimos son críticos. En el esfuerzo cotidiano, ciencia y alta tecnología se asocian en una especie de simbiosis fructuosa para encontrar reemplazos a las fuentes de energía que, como el carbón y los hidrocarburos, se agotarán. Lo primero debería ser mejorar las tecnologías de explotación de las energías renovables que ya disponemos: hidroeléctrica, mareomotriz, eó-lica, solar, de la biomasa y de las que se estudian: hidrógeno, fusión nuclear… Habrá que incluir un desiderátum: los almacenamientos.
En la prospectiva que hace este ingeniero, hay un deseo ferviente: que la ciencia y la tecnología que el hombre aplique, se inscriban en la ética más leal…
Muchas gracias.
La Plata, 12/05/06
Referencias
1 Según el diccionario, proviene del latín: energia y éste, a su vez, del griego: enérgueia: eficacia, poder, aptitud para obrar.
2 Rankine, Guillermo, ingeniero y físico escocés (1820-1872). Uno de los fundadores de la Termodiná-mica.
3 Planck, Max, físico alemán (1858-1947). Premio Nóbel 1918. Autor de la teoría de los quanta. Definió la energía: “Se entiende por energía de un cuerpo o sistema de cuerpos, la magnitud de un efecto que depende del estado físico real en el que se encuentra el cuerpo o el sistema.” Según esta definición, es necesario conocer el estado real y, establecer, un estado normal, para poder relacionarlo. Este último estado puede ser tomado con libre criterio. En física se ha elegido: 00 C, para la temperatura y 1013,25 hPa, para la presión.
4 Immanuel Kant (1724-1804), filósofo alemán.
5 Pierre-Simon de Laplace (1749-1827), astrónomo francés. 1900
6 Entre ellos: Hannes Olaf Gösta Alfvén, astrónomo y físico sueco,( …), Pre energía. Lo probado es que habían procariotes hace unos 3.500 millones de años atrás.
10 Energía química liberada.
11 En cuevas chinas de Chukutien se han encontrado indicios de que el homínido australopitecus, lo usó.
12 Excepto la región Antártica, a la que ocupó recién hace unos quinientos años.
13 En el interior del Sol, como en todas las estrellas, se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear. Su núcleo tiene una temperatura de 15 millones de grados Celsius.
14 Un termómetro rudimentario, que indica la diferencia de temperatura sin precisar su magnitud.
15 Para ello utilizó varios espejos planos o tal vez escudos pulidos que en conjunto formaban un gran espejo cóncavo, para concentrar la luz del Sol.
16 Salomón de Caus, ingeniero francés (1576-1626). Descubrió las propiedades del vapor como fuerza motriz.
17 Antonio Lorenzo de Lavoisier, químico francés (1743-1794). Estableció la ley de la conservación de la materia. Descubrió el papel del oxígeno en la respiración y en las combustiones. Ideó la nomenclatura química y descubrió la composición del aire. Fue ejecutado durante la Revolución Francesa.
18 Robert Stirling, clérigo escocés, (1790-1878), inventor.
19 Edmund Becquerel (1829-1891), físico francés, ideó la espectroscopia. Abuelo de Henry Becquerel, (1852-1908), físico francés descubridor de la radiactividad natural. Premio Nóbel 1903, compartido con los esposos Curie.
20 Johan Ericsson (1803-1889), ingeniero sueco, también inventó un propulsor helicoidal.
21 Albert Einstein, físico alemán (1879-1955), se naturalizó norteamericano en 1940. Autor de la teoría de la relatividad. Premio Nóbel de Física 1921.
22 Término acuñado, en 1926, por Gilbert Newton Lewis, químico norteamericano, (1875-1946).
23 Teoría fundada, entre otros, por: Niels Bohr, físico danés (1885-1962), Premio Nóbel de Física 1922, en 1958 recibió el Premio Átomos para la Paz; Max Born, físico alemán, nacionalizado británico,(1882-1970), Premio Nóbel de Física 1954; Louis Victor de Broglie, físico francés (1892-1987), Premio Nóbel de Física 1929; Werner Heisenberg, físico y matemático alemán, (1901-1976), Premio Nóbel de Física 1932; Erwin Schrödinger, físico austríaco, (1887-1961), Premio Nóbel de Física 1933; Paul Adrien Maurice Dirac, (1902-1984), Premio Nóbel de Física 1933 y Wolfgang Ernest Pauli, físico austríaco,(1900-1958), predijo la existencia del neutrino.
24 Franck Shuman y C. V. Boys.
25 Gordon Pearson, Darryl Chapin y Calvin Fuller, investigadores de los Laboratorios Telefónicos Bell, en 1970.
26 El alto costo de los aerogeneradores constituye la mayor desventaja para que compitan en la mediana escala. Algo análogo ocurre con los sistemas de almacenamiento de la energía que producen.
27 Que tiene 4 000 ° C de temperatura.
28 Las profundidades a las que penetra un pozo geotérmico, oscilan entre 200 y 3500 m. La eficiencia real de una planta geotérmica es de 11 a 13% y su vida media, es de unos 10 años.
29 Construida por el ingeniero Bénoit Fourmeyron.
30 Claude Burdin, ingeniero francés.
31 Entre las ventajas que tiene una central hidroeléctrica está su eficiencia (80-90%) y que una eventual contaminación, se puede controlar. Entre las desventajas, la eventual acumulación de sedimentos, que ocasiona una reducción en su vida útil. Además, son escasos los lugares adecuados para construirlas.
32 Un ser humano promedio debe consumir alimentos que le proporcionen unas 3 000 kilocalorías dia-rias.
33 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, llamadas metanogénicas, porque producen gas metano.
34 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, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y ácido sulfhídrico, en recipientes perfectamente sellados que se conocen con el nombre de digestores anaeróbicos. Los subproductos del proceso, nitrógeno, fósforo y potasio, se pueden usar como fertilizantes.
35 En tiempos geológicos primero se formó la turba, posteriormente el carbón café; éste se convirtió en lignito (50 a 69% de carbono fijo), que a su vez pasó a ser carbón subituminoso; que se transformó en carbón bituminoso (69 a 86%), que incluye a la hulla, y finalmente en antracita (92 a 98%).
36 El reverendo John Clayton.
37 En Corwall, Escocia.
38 Sacado de las minas de Newcastle y Cardiff.
39 El propio James Watt, inventor e ingeniero mecánico escocés, (1736-1819), diseñó, en 1803, un sis-tema de alumbrado para las calles y las casas, en el que se aprovechaba el gas producido del carbón.
40 Entre los productos de la combustión que liberan a la atmósfera las centrales carboeléctricas está el dióxido de carbono y el dióxido de azufre; este último es un contaminante bastante peligroso. Por eso, las termoeléctricas que trabajan con carbón, tienen equipos que evitan que estas sustancias salgan a la atmósfera.
41 Génesis, capítulo 11, versículo 3 y capítulo 14, versículo 10.
42 Derrota de los reyes de Sodoma y Gomorra (cayeron en los pozos de asfalto) en el valle de Sidím.
43 Por este motivo, en peligro de extinción.
44 En particular, las demandas de las naftas aumentó considerablemente con la invención de la produc-ción en serie de automóviles, a principios de 1920; época en la que, además, comenzó a reemplazar al carbón.
45 Mezcla de nitrato potásico, carbón vegetal y azufre.
46 Las tropas de Eduardo III Rey de Inglaterra emplearon cañones de madera para derrotar a las de Felipe Rey de Francia.
47 Ascanio Sobrero (1812-1888), químico italiano, mezclando ácido nítrico, ácido sulfúrico y glicerina.
48 Alfred Bernhard Nóbel (1833-1896), inventor sueco, impregnó accidentalmente nitroglicerina con ba-rros de diatomea. Necesita un detonador para estallar.
49 Su uso en armamentos modificó la estructura política y social.
50 En minería, construcción de caminos y ferrocarriles, obras hidráulicas, demoliciones, petróleo, túneles.
51 James Chadwick,(1891-1974), físico inglés, Premio Nóbel de Física 1935.
52 Enrico Fermi, físico italiano (1901-1954). Construyó, en Chicago, la primera pila de uranio. Premio Nóbel de Física 1938.
53 En términos generales consiste en un gas cargado eléctricamente, en el cual las elevadas tempe-raturas hacen que se separen los electrones del gas. El dispositivo más usado para lograrlo fue pro-puesto, en 1950, por los físicos soviéticos Igor E. Tamm (1895-1971) y Andréi D. Sakharov (1921-1989), Premio Nóbel de la Paz 1975. Se denomina TOKAMAK, que es un acróstico de toroid (toroide), kamera (cámara), magnet (imán) y katushka (bobina).
* Por Aníbal Jorge Barbero, Ex Profesor Titular de la UNLP. Ingeniero Consultor en temas hidrológicos, fluviales y de riego.
