Estrategia vegetal ante la radiación solar
La vida en la Tierra depende, casi exclusivamente, del binomio Sol y vegetación; en primer lugar porque gracias a la radiación solar, junto con el efecto invernadero natural, se mantiene una temperatura adecuada para mantener la vida sobre nuestro planeta, en torno a los 16 ºC como temperatura media, y en segundo lugar porque, a través de los vegetales, es como obtenemos oxígeno, combustible y alimentos, a través de una ecuación tan simple como:
6CO2 + 6H2O + 686 kilocalorías/mol = C6H12O6 + 6O2
, es decir: Dióxido de carbono + Agua + Energía solar = Glucosa + Oxígeno
, que en resumen es la ecuación global de la fotosíntesis. Además las plantas consiguen de paso rebajar los crecientes niveles de CO2 de la atmósfera, ayudando por tanto a aliviar la tendencia al calentamiento global planetario, asociado al cambio climático.
Pero para que nosotros podamos aprovecharnos del potencial de la pareja Sol-Vegetación, esa vegetación debe desplegar su estrategia a la hora de captar la radiación solar, para hacerse con la mayor y mejor energía posible. Siguiendo esa estrategia, las plantas son selectivas, puesto que de todas las longitudes de onda que constituyen el espectro solar, prácticamente entre 0,3 y 4 micrómetros (1 micrómetro es la longitud equivalente a una millonésima parte del metro), a las plantas sólo les interesan para sus actividades fotosintéticas las que están comprendidas entre los 0,4 y los 0,7 micrómetros, que constituyen la llamada PAR (siglas que corresponden a la Photosynthetically Active Radiation, es decir la parte de la radiación incidente que es útil para la fotosíntesis).
Existe una notable similitud del proceso fotosintético que tiene lugar en las plantas, con el comportamiento de los colectores solares fabricados por el hombre para el aprovechamiento de la energía solar; recordemos que existen básicamente dos tipos de colectores solares, los térmicos, que transforman la radiación solar en calor que es transferido al fluido de trabajo circulante, y que captan fundamentalmente la radiación infrarroja, y los fotovoltaicos, que transforman la radiación solar en electricidad, liberando electrones de las células de silicio (componentes básicas de los módulos fotovoltaicos), y que trabajan con una banda del espectro visible, prácticamente coincidente con la PAR.
Pues bien, la fotosíntesis tiene lugar en dos etapas, en la primera de las cuales la radiación impacta en las moléculas de clorofila “a”, cuyos electrones son lanzados a niveles energéticos superiores, dando lugar así a una pequeña corriente eléctrica, de manera similar a lo que ocurre en los módulos fotovoltaicos. (NOTA: La clorofila “a” es el pigmento implicado directamente en la captación y transformación de la radiación naranja-roja, mientras que la clorofila “b” lo hace para la violeta-azul).
Por otra parte, en cuanto a la decisión de las plantas al elegir como fuente de vida y energía para su desarrollo esas longitudes de onda, entre los 0,4 y los 0,7 micrómetros, en la banda del espectro electromagnético, coincidiendo prácticamente con el espectro visible de la radiación solar, es una decisión acertada por varias razones. En primer lugar por razones de disponibilidad, ya que fuera de esa banda las radiaciones están sometidas dentro de la atmósfera a una fuerte absorción, bien por parte del oxígeno y del ozono para las de menor longitud de onda que la PAR, bien por parte del vapor de agua y del dióxido de carbono para las de mayor longitud de onda.
También por razones de seguridad y logística es acertada la elección; por seguridad, ya que las altas energías asociadas a la radiación ultravioleta, podrían poner en peligro los enlaces del hidrógeno, y otros igualmente débiles, que mantienen la configuración espacial y las relaciones entre las grandes y complejas moléculas orgánicas que forman el entramado de los seres vivos; y por logística, ya que, más allá de la PAR que le interesa a la planta, la radiación infrarroja se absorbe por el agua que constituye la gran masa de la vegetación provocando un calentamiento, que si bien constituye una aportación energética inmediata para la planta, no le es útil sin embargo para la conversión y almacenamiento, a más largo plazo, que la planta pretende conseguir.
En la segunda de las etapas de la fotosíntesis tienen lugar una secuencia de complejas reacciones, como consecuencia de las cuales la energía captada por la vegetación es transformada en energía química, que es transferida a las moléculas diseñadas para el transporte y almacenaje en la propia planta. Podría aducirse aquí que el paralelismo entre las plantas como colectores solares y los propios colectores fruto de la tecnología humana, se rompe al no estar presente en éstos la parte equivalente a la segunda etapa de la fotosíntesis.
La respuesta está en que el hombre no sabe cómo conseguirlo, o al menos no a costes razonables, de manera que el almacenamiento estacional e interanual que la planta hace de la energía solar es una asignatura pendiente para los técnicos humanos, y si bien la investigación en este campo continúa abierta, siguiendo varias líneas, pero sobre todo la fotoquímica que imitaría en buena medida la segunda etapa de la fotosíntesis, lo cierto es que en la práctica la acumulación inter-estacional ni siquiera se intenta para los colectores térmicos, y que para los fotovoltaicos se recurre a los acumuladores eléctricos (baterías) convencionales, de gran peso y volumen, y con pérdidas importantes asociadas a la auto descarga.
De toda la energía solar que alcanza el suelo, la parte incluida en la PAR varía en cada momento en función de una serie de factores como pueden ser la época del año, la latitud del lugar, las condiciones atmosféricas (presencia de nubosidad, polvo, aerosoles, etc.) y otros, pero puede estimarse como valor medio orientativo que la PAR supone el 50% de la radiación solar global. Esto convierte a la agricultura y la silvicultura en los principales usuarios de la energía solar para la humanidad, suministrando a ésta alimentos, materias primas y energía en forma de biomasa.
Hace años el aprovechamiento de la biomasa con fines energéticos se limitaba a la combustión de los residuos resultantes de la utilización primaria, sin embargo son cada vez más frecuentes en la actualidad los denominados “cultivos de energía”, es decir plantaciones encaminadas a obtener como producto base la biomasa , para ser convertida posteriormente en energía bien mediante combustión directa, bien a través de su conversión, en combustibles líquidos o gaseosos, susceptibles de ser utilizados en motores de combustión interna.
En general, el rendimiento asociado al funcionamiento de las plantas como colectores solares, es bajo, aunque eso depende del cultivo de que se trate, así como de la distribución y geometría de sus hojas. En algunos cultivos densos, con hojas elevadas y orientadas adecuadamente, prácticamente toda la PAR es absorbida; sin embargo entre las hojas superiores y las inferiores del mismo cultivo, o bien entre las hojas de dos o más cultivos situadas en planos horizontales diferentes y superpuestos, las cosas suceden de forma muy compleja.
Finalmente, entre otras varias respuestas de la estrategia de las plantas ante la insolación, existen dos que resultan de gran interés, una es el fototropismo (crecimiento de las plantas orientado a la luz), y otra el seguimiento “alt-azimutal” diario que es capaz de desarrollar el girasol (Helianthus annuus, o flor del sol anual) a lo largo del fotoperiodo (tiempo durante el que la planta dispone de luz suficiente para su desarrollo), manteniendo orientada su cabeza hacia el disco solar, de orto a ocaso, consiguiendo con ello la máxima recepción posible de radiación solar directa. La explicación de estos dos fenómenos, absolutamente naturales, se basa en una serie de procesos bioquímicos y biofísicos cuya comprensión resulta más o menos laboriosa, dependiendo de los conocimientos que se tengan, pero cuya reproducción a escala industrial, operativa desde el punto de vista humano, resulta enormemente compleja.
En el caso particular del seguimiento por parte del girasol del movimiento aparente del disco solar a través del cielo, parece que la planta conoce perfectamente la Ley de Lambert (la intensidad luminosa que llega a una superficie es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de dicha superficie al foco luminoso y directamente proporcional al coseno del ángulo formado por los rayos luminosos y la normal a la superficie), de forma que toma las medidas necesarias para maximizar la incidencia de energía.
El conseguir ese mismo resultado para los heliostatos de una central solar de concentración, para un concentrador parabólico, o bien para un simple colector térmico o fotovoltaico, requiere la puesta en operación de complicados sistemas de programación, detección y seguimiento en base a servomecanismos, con tal cantidad de fallos en la práctica que la contemplación simultanea de un campo de heliostatos, programados para el seguimiento, y de un campo de girasoles nos hacen pensar en lo mucho que nos queda por aprender de la naturaleza.