Ideas de los vegetales, para capturar energía solar | Ciencia Fácil - Blogs hoy.es

Blogs

Adolfo Marroquín

Ciencia Fácil

Ideas de los vegetales, para capturar energía solar

01-sol-vegatacion-y-fotosintesisLa vida en la Tierra depende de la fotosíntesis, con la que las plantas verdes, capturan la radiación solar que utilizan para la fabricación de glúcidos y otras moléculas orgánicas que forman la estructura vegetal, la cual sirve de alimento a los animales herbívoros, que a su vez alimentan a otros animales, dando lugar así a una cadena que llega hasta el hombre. De manera que puede afirmarse que la fotosíntesis es el proceso que alimenta, en el más estricto sentido de la palabra, casi toda la vida del planeta.

Vida que depende totalmente del Sol, y no sólo porque gracias a su radiación, junto con el efecto invernadero natural, nos proporciona una temperatura adecuada, en torno a los 15 ºC como temperatura media planetaria, sino además porque es capaz de suministrarnos oxígeno, combustible y alimentos, a través de una ecuación tan simple como:  Dióxido de carbono + Agua + Energía solar = Glucosa + Oxígeno , en la que se resume la fotosíntesis. A lo que hay que añadir que las plantas nos suministran todo lo anterior, consiguiendo de paso rebajar los crecientes niveles del dióxido de carbono generado por el hombre; ayudando con todo ello a aliviar el calentamiento global planetario, que es uno de los indeseables efectos asociados al cambio climático.

Las relaciones entre las plantas y la atmósfera en la que viven inmersas, resultan tan interesantes como variadas y complejas. Análogamente su distribución geográfica y la adaptación de sus formas a las condiciones de contorno, de acuerdo con los elementos y factores climáticos, plantea también todo un amplio mundo de posibilidades para el estudio científico. Dentro de este contexto, conviene tener en cuenta que las plantas son en realidad colectores solares, y aún más “colectores solares inteligentes”, capaces por tanto de plantearse y adoptar estrategias de respuesta, ante los problemas que puedan encontrar en su camino hacia la obtención de la radiación solar que necesitan para su desarrollo.

La “decisión” de las plantas al elegir como fuente de vida y energía para su desarrollo 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, bien por parte del vapor de agua y del dióxido de carbono para las de mayor longitud de onda. Y en segundo lugar por razones de seguridad y logística; 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 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, no le es útil a la planta para la conversión y almacenamiento que ésta pretende conseguir.

Para remarcar la similitud entre el 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 trabajan fundamentalmente con la radiación infrarroja y la parte más alta del espectro visible, y los fotovoltaicos, que transforman la radiación solar en electricidad, liberando electrones en las células de los módulos fotovoltaicos.

02-espectro-y-bombilla-con-pv

De toda la energía solar que alcanza el suelo, la parte incluida en la fotosíntesis varía en cada momento en función de una serie de factores como pueden ser la época del año, la latitud del lugar o las condiciones atmosféricas (presencia de nubosidad, polvo, aerosoles, etc.) y otros, pero puede estimarse como valor medio orientativo que la cantidad de energía aprovechable 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 no solamente alimentos y materias primas, sino también energía en forma de biomasa, energía que resulta esencial para buena parte de la población mundial, en particular en los países en vías de desarrollo, y que en los países desarrollados va adquiriendo cuotas importantes, dentro de las energías renovables.

Entre las diversas causas implicadas en el bajo rendimiento asociado al funcionamiento de las plantas como colectores solares, una de las primeras limitaciones radica en las propiedades de la superficie de las hojas, en concreto su albedo, lo que da lugar a pérdidas por reflectancia de la radiación. Frecuentemente se acepta que, dentro de un cultivo desarrollado, la cantidad de radiación absorbida es de alrededor del 80%. Sin embargo, esto 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 radiación 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.

En primer lugar puede haber importantes cambios en la composición espectral de la radiación que alcanza las diferentes capas, con componentes directa, reflejada y difusa distintas, obligando a los distintos subconjuntos de hojas a adaptaciones a esas condiciones. En segundo lugar, el movimiento de la cubierta, por ejemplo como consecuencia del viento, dará lugar a que las hojas de los pisos inferiores estén sometidas a enormes variaciones respecto al nivel medio de su irradiación, tanto en cantidad como en su composición espectral, pudiendo pasarse de una incidencia directa total sobre las hojas, a niveles de la misma casi nulos, en una secuencia temporal absolutamente aleatoria.

03-arboles-peleando-por-el-sol

Desde el punto de vista de su estrategia para la captura de la radiación solar, la planta tratará de situar sus órganos activos de captación, es decir sus hojas, en la forma más eficaz posible para conseguir sus objetivos. Así, la estructura de una hoja es una muestra de equilibrio entre tres aspectos que frecuentemente entran en conflicto a lo largo del proceso evolutivo: la necesidad de una superficie fotosintética máxima y bien orientada respecto a la radiación incidente, la necesidad de conservar al máximo el agua de que dispone, y la necesidad de intercambiar gases con el exterior durante la fotosíntesis.

La planta resuelve este complejo problema alcanzando soluciones de compromiso mediante estructuras de sus hojas tipo “sandwich” formado esquemáticamente por dos capas epidérmicas, el haz y el envés, y entre ellas las células responsables de la captación de energía. A medida que las plantas crecen en altura se desencadena la competencia por la radiación solar, que en casos extremos, como el de las selvas tropicales húmedas, obliga a las plantas a crecer con enormes troncos, rectos como columnas, en la cima de los cuales concentran las ramas y hojas, en busca de la energía solar.

Finalmente, entre otras varias respuestas de la estrategia de las plantas ante la insolación, existen dos que resultan de gran interés, una es el crecimiento de las plantas orientándose hacia la luz, y otra el seguimiento diario que es capaz de desarrollar el girasol, a lo largo del periodo de disposición de luz, manteniendo orientada su cabeza, compuesta de multitud de pequeñas flores, al disco solar, desde el orto hasta el ocaso, consiguiendo con ello la máxima recepción posible de radiación solar directa.

04-girasoles-lambert-y-paraboloides

La explicación de estos dos fenómenos, absolutamente naturales, se fundamenta 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 resulta enormemente compleja. En el caso particular del seguimiento por parte de esta planta, del movimiento aparente del disco solar a través del cielo, parece que todo girasol conoce perfectamente la Ley de Lambert, ley física, que viene a decir algo así como “cuanto más oblicuo, menos luz”, tomando por tanto la planta las medidas necesarias para maximizar la incidencia de energía. Sin embargo, para nosotros los técnicos “humanos”, el conseguir ese mismo resultado con los espejos de una central solar de concentración, o 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 muchos fallos en la práctica, lo que nos hace pensar que nos queda mucho por aprender de la naturaleza.

Adolfo Marroquín Santoña

Noticias y comentarios sobre temas científicos

Sobre el autor

Adolfo Marroquín, Doctor en Física, Geofísico, Ingeniero Técnico Industrial, Meteorólogo, Climatólogo, y desde 1965 huésped de Extremadura, una tierra magnífica, cuna y hogar de gente fantástica, donde he enseñado y he aprendido muchas cosas, he publicado numerosos artículos, impartido conferencias y dado clases a alumnos de todo tipo y nivel, desde el bachillerato hasta el doctorado. Desde este blog, trataré de contar curiosidades científicas, sobre el clima y sus cambios, la naturaleza, el medio ambiente, etc., de la forma más fácil y clara que me sea posible.


julio 2018
MTWTFSS
      1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031