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Categoría: Tecnología
Necesitamos energía limpia y almacenable

Una energía limpia es un sistema de producción de energía que excluye cualquier tipo de contaminación medioambiental, es decir que no provoca daños en la atmósfera, ni en los recursos hídricos, ni en el suelo o el subsuelo, etc. Son pues aquellas que no generan ningún tipo de residuos y en cuya producción no interviene ni la combustión, ni reacción química alguna.

Dicho lo anterior, es interesante hacer notar que los recursos capaces de producir este tipo de energía provienen de la propia naturaleza (el sol, el viento, el agua). Por tanto, no es casualidad que la mayor parte de energías limpias sean, además de limpias, renovables, es decir, recursos inagotables de los que siempre podremos disponer. En efecto, durante miles de millones de años, no hay que preocuparse de que el Sol vaya a apagarse, o de que un día deje de soplar el viento, o de que desaparezca el agua del planeta.

Aunque de momento, hoy por hoy, el conjunto de todas las energías renovables (solar, eólica, geotérmica, biomasa, hidroeléctrica, mareomotriz, etc.) no constituye una verdadera alternativa que nos permita prescindir de los combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural, esquistos bituminosos, etc.) o de la energía nuclear (reactores de fisión nuclear); eso no significa que no podamos, y hasta debamos, contemplar la posibilidad de un futuro modelo energético limpio y renovable.

En este punto nos encontramos con algunos serios problemas; el primero de ellos es que la demanda y el consumo de energía crece de forma alarmante, y eso a pesar de que los conocidos como países del tercer mundo, o países en vías de desarrollo, no han dado todavía el paso, al que tienen todo el derecho del mundo, de pasar a ser países desarrollados, en condiciones de igualdad con los del primer mundo. ¿Podría el mundo actual enfrentarse al escenario que supondría el que esos países nos llevaran a subir ese enorme escalón de consumo energético, sin suicidarnos globalmente, desde el punto de vista climático?

La respuesta es evidentemente NO, ni ahora ni dentro de varios decenios o incluso siglos. Pero planteemos otra pregunta ¿Podría ese mundo futuro abastecer el creciente consumo esperado y previsible, SÓLO con energías limpias y renovables? Nuevamente la respuesta, vista desde nuestros conocimientos actuales, sería NO, pero en este caso está en manos de la ciencia, y de su inseparable compañera la tecnología, el que esa respuesta se convierta en SI.

Un caso, en principio muy sencillo y evidente, pero que se lleva un importante porcentaje de consumo energético, es el tema de la climatización (frío-calor) de nuestras viviendas o, más en general, de todos nuestros recintos de ocio o de trabajo, individual o colectivo; consideremos los ciclos meteorológicos (día-noche) o los climáticos (verano-invierno) ¿No sería una magnífica solución utilizar el fresco de las madrugadas estivales para hacer más llevaderos los calores de las horas centrales de esos días? O pasando del caso diario al estacional ¿No sería estupendo guardar el calor del verano para calentar nuestros inviernos o el frío de esos inviernos para resolver el problema contrario en los veranos?

Pero lo malo es que “guardar energía térmica directamente” pasa por almacenarla y esa energía guardada requiere, en principio, grandes volúmenes y además tiende a escaparse por todas partes. No debemos por tanto pensar en almacenar energía térmica, sino que se debe recurrir a los llamados “vectores energéticos”, que se pueden definir como elementos “portadores de energía”, es decir que no son en sí una fuente de energía primaria, puesto que no se encuentran libres, y por tanto aprovechables directamente, en la naturaleza, pero sí son capaces de suministrarnos la energía a voluntad.

Ejemplos típicos de vectores energéticos son las baterías, las pilas, los condensadores, el hidrógeno, el agua contenida en una represa, y multitud de variantes más, como los volantes inerciales, o incluso los depósitos de aire comprimido o un simple resorte. Entre los citados, un ejemplo claro de vector energético es el hidrógeno, que puede obtenerse a partir de energías primarias.

A partir del agua (H2O) pueden separarse el hidrógeno y el oxígeno de sus moléculas por métodos electrolíticos, que se basan en la ruptura de la molécula de agua, según la reacción (Agua + Energía => Hidrógeno + Oxígeno) y posteriormente, en la combustión del hidrógeno, que es la más limpia que podemos imaginar, se produce la reacción en sentido inverso, es decir (Hidrógeno + Oxígeno => Energía + Agua).

Es decir, renunciando un poco al rigor de una explicación más detallada, partimos de agua, separamos sus componentes, y tras utilizar el hidrógeno para obtener energía, recuperamos el agua como residuo de la combustión. Por tanto, la acumulación de hidrógeno sería ya una forma de aproximación a la solución del problema de la acumulación de energía cuando está disponible para utilizarla cuando es necesaria. Y eso es tan sencillo, y a la vez tan complicado, como resolver eficaz y eficientemente el tema de su almacenamiento.

Pero las energías limpias y renovables, como la solar, la eólica o la hidroeléctrica, entre otras, tienen dos serios inconvenientes, el primero su discontinuidad en el suministro, ya que no siempre luce el sol, no siempre hay viento suficiente, no siempre llueve adecuadamente, etc., y el segundo que se trata de energía poco concentrada, por lo que hemos de recurrir a su concentración previa.

La penetración de fuentes renovables en las redes de los sistemas eléctricos de potencia, se ha incrementado notablemente en los últimos años. Sin embargo, la potencia suministrada por estas fuentes de energía no es tan segura y fácil de ajustar a los cambios en la demanda, como la potencia suministrada por los sistemas energéticos tradicionales. En consecuencia, y para garantizar la fiabilidad, calidad y continuidad de estos sistemas, se están integrando ya en las redes, simultáneamente con estas fuentes, dispositivos de almacenamiento de energía.

Pero si bien es cierto que la electricidad no se puede almacenar como tal, también es cierto que se puede recurrir a algunos vectores energéticos, con lo que se puede transformar en formas de energía almacenable. Para entender la necesidad del almacenamiento de energía eléctrica debe tenerse en cuenta que, en la actualidad, la generación y el consumo de electricidad no son ni constantes ni simultáneos, sino que varían fuertemente a lo largo del día, de la semana y por supuesto a lo largo del año.

Como hemos dicho, una de las principales limitaciones de las fuentes renovables de energía, como la solar fotovoltaica, la solar térmica o la eólica, es su intermitencia. El camino para que esas fuentes puedan sustituir eficazmente a las convencionales como los combustibles fósiles es, nuevamente, disponer de formas baratas (o al menos no demasiado caras) y masivas de almacenamiento de la energía que no se consume de inmediato.

En el caso concreto de la energía solar, uno de los grandes retos es la capacidad de almacenamiento, para poder aprovechar su uso cuando no luce el sol o durante la noche. La alternativa de acumular ese calor en sales minerales fundidas es una de las opciones de futuro que se está demostrando más operativa en este campo.

La tecnología solar más madura y extendida a escala comercial, es la cilindro-parabólica, en la que se utiliza un aceite sintético como fluido portador del calor, desde el campo de colectores, en el que ese aceite se calienta hasta una temperatura máxima de 300 a 400ºC, hasta la sala de alternadores, en los que se genera la energía eléctrica. Pero esa temperatura, siendo elevada, no es suficiente para que los alternadores funcionen con un rendimiento adecuado; por ello, en los últimos años la tecnología de torre ha ganado impulso respecto a la cilindro-parabólica. Las instalaciones de torre pueden utilizar como fluido de transferencia tanto vapor como sales inorgánicas que permiten mayores temperaturas de operación, en el rango de los 500 a 600ºC, lo que permite mayores eficiencias de conversión de la energía térmica a energía eléctrica.

En estas dos tecnologías, al igual que en cualquier otra central de generación de energía, los dispositivos de almacenamiento de energía térmica ayudan a estabilizar la producción, para alargar los periodos de suministro, lo que posibilitará una mayor integración de las energías renovables, en la red eléctrica de suministro, evitando vertidos indeseados de energía limpia en periodos valle, y al mismo tiempo aportará más seguridad al sistema eléctrico.

La energía eléctrica puede ser generada, transportada y transformada con facilidad, sin embargo, resulta muy complicado almacenarla en grandes cantidades, de ahí que una opción muy esperanzadora, pensada en concreto para los parques eólicos y para las centrales fotovoltaicas, sea el uso de hidrógeno como combustible limpio, porque es un elemento abundante en el Universo y además porque puede actuar como vector energético para el almacenamiento de energía, con la ventaja de que su reconversión en energía eléctrica, a través de las pilas de combustible, respeta el medio ambiente.

La empresa alemana Siemens ha construido la instalación más grande del mundo para el aprovechamiento del exceso de las energías renovables, consiguiendo procesar hasta seis megavatios de electricidad y almacenando el hidrógeno en contenedores especiales durante largos periodos de tiempo. Con ello, se consigue evitar que se desperdicie la energía eólica y solar fotovoltaica, que no puede ser inyectada a las redes eléctricas, por no coincidir su generación con la demanda.

Se piensa que la combinación del hidrógeno con las pilas de combustible podría tener un enorme futuro en la racionalización del aberrante modelo energético actual; naturalmente siempre y cuando el hidrógeno utilizado sea totalmente limpio, para lo cual debe haber sido producido mediante energías limpias, como la solar o la eólica,

Adolfo Marroquín Santoña

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Machu Picchu, piedras llenas de preguntas

Algunas preguntas que se presentan al estudiar las características de muchos monumentos megalíticos son las de “para qué, quién y cómo” se construyeron aquellas descomunales obras. En dos artículos anteriores “Grandes enigmas que nos plantean las grandes piedras” y “El misterioso ajuste de las piedras poligonales” comentaba algunos aspectos relacionados con esas preguntas en obras megalíticas construidas hace siglos, e incluso milenios, pero que siguen guardando las respuestas a esas tres preguntas, como misterios no resueltos.

En el caso de las ruinas de Machu Picchu, que permanecieron ocultas y abandonadas, durante 400 años, rodeadas de selva y en medio de impresionantes picos andinos, las preguntas quedan flotando en el aire de aquellas alturas. Cuando a comienzos del siglo XX fue redescubierto este lugar, no se encontraron en él registros escritos o grabados, ni nada que pudiera arrojar luz sobre su historia; de forma que, a diferencia de otras grandes obras megalíticas, como las pirámides de Guiza, en las que aparecen numerosas inscripciones, en Machu Picchu hay que basarse, casi exclusivamente, en suposiciones.

No se sabe siquiera cuál sería el nombre original de estas ruinas, aunque se especula con que ese nombre podría haber sido Llaqtapata; sin embargo, el nombre por el que es conocido en la actualidad, el de Machu Picchu, proviene simplemente de su orografía y tamaño; la traducción más exacta se refiere al tamaño, significando Machu Picchu, el pico más grande y Huayna Picchu, el pico más pequeño.

Lo cierto es que el conjunto está considerado como una obra maestra de la arquitectura y la ingeniería, con algunas características que llaman la atención, como su sistema de drenaje, que comentaremos después, y la manera perfecta de encajar cada piedra con las que le rodean. Es destacable que las piedras en los muros eran trabajadas de manera individual, recurriendo para ello al método de las piedras poligonales, que ya comentamos en un artículo anterior, adaptando los bordes y ángulos a los variables formatos e inclinaciones de los lados correspondientes a las piedras vecinas.

Todo el conjunto se construyó en un área situada a una elevación del orden de 2.400 metros sobre el nivel del mar, y en la proximidad de la zona existen dos fallas geológicas, que apuntan al riesgo de potenciales movimientos sísmicos, pese a lo cual las edificaciones han permanecido piedra sobre piedra, si bien algunas de estas piedras, como se muestra en la figura, han sufrido los efectos de los sismos, pudiendo apreciarse grandes grietas, a diferencia del perfecto encaje original de las piedras próximas no afectadas.

 

Las construcciones en Machu Picchu presentan recintos rectangulares, muchos de los cuales conservan sólo las paredes, siendo esas paredes frecuentemente diferentes entre sí, incluso aquellas que formaban parte del mismo recinto; las cubiertas de estas construcciones, a modo de techado, se hacían con troncos de árbol, ramas y paja. Las puertas y ventanas estaban construidas con formas trapezoidales, más anchas en la base que en el dintel, siendo ese dintel de madera o de piedra, y muy a menudo de un solo gran bloque.

No se ha conservado ninguna techumbre original, pero se está de acuerdo en que la mayoría de las construcciones tenían tejados a dos o cuatro aguas, y estaban formados por una armazón de troncos amarrados y cubierto por capas de paja. La fragilidad del tipo de paja y la copiosidad de las lluvias en la región hizo necesario que estas techumbres tuvieran grandes pendientes, de más de 60º, con lo que la altura de los techos duplicaba con frecuencia la altura del resto del edificio.

En el interior de los recintos era frecuente preparar nichos en las paredes, donde se colocarían ídolos u otros objetos; asimismo, bloques cilíndricos o rectangulares sobresalían a menudo de los muros, como si fueran grandes percheros, dispuestos en forma simétrica entre las hornacinas, los nichos y las ventanas, cuando las había.

El área edificada en Machu Picchu es de unos 530 metros de largo por 200 de ancho e incluye al menos 172 recintos. El complejo está dividido en dos grandes zonas: la zona agrícola, formada por conjuntos de terrazas de cultivo; y la zona urbana, que es donde vivieron sus ocupantes y donde se desarrollaron las principales actividades civiles y religiosas. Ambas zonas están separadas por un muro, un foso y una escalinata.

Una parte apreciable de las ruinas que se pueden ver en la actualidad son en realidad reconstrucciones recientes, como se aprecia al comparar las imágenes obtenidas en la década de 1910, durante su redescubrimiento, con las actuales.

 

La materia prima de todas las construcciones conservadas era el granito, de color blancuzco, que procedía de las canteras situadas en el entorno del propio complejo incaico y que fue trabajado con barras y otras herramientas de bronce, puesto que no se usaban herramientas de hierro en el antiguo Perú, y con martillos hechos con rocas más duras, siendo alisadas por abrasión, utilizando arena.

Las terrazas de cultivo de Machu Picchu tienen el aspecto de grandes escalones construidos sobre la ladera. Son estructuras formadas por un muro de piedra y un relleno de diferentes capas de material que facilitan el drenaje, evitando que el agua se estanque en ellos, lo que provocaría el desmorone de su estructura. Este tipo de construcción permitió que se cultivara sobre esas terrazas, mientras que otros andenes de menor ancho, que se encuentran en la parte baja de Machu Picchu, alrededor de toda la ciudad, no tenían fines agrícolas, sino que servían como auténticos muros de contención del conjunto.

 

Por otra parte, como decíamos, la gran pluviometría de la zona, en la que se registran cantidades de precipitación que superan incluso los 2.000 litros por metro cuadrado al año, obligaron a construir muchas y empinadas terrazas, dotadas de un magnífico drenaje, que evitara la acumulación del agua, y que además permitieran canalizar el agua sobrante, que era dirigida para aportar permanentemente agua a las numerosas fuentes construidas en distintos puntos del área.

Existen en la ciudad más de 600 terrazas, limitadas por un muro de piedra, y conteniendo en su interior las diferentes capas que garantizaban el necesario drenaje; en la base inferior había un relleno de piedras grandes, que aportaban estabilidad al conjunto, y sobre ese relleno se situaban una capa de piedras más pequeñas, otra capa de grava y otra de arena. Finalmente el conjunto se cubría con tierra de cultivo, con un espesor del orden de un metro, tierra que solía proceder del valle, al pie de la montaña.

 

Otra obra de magnífica ingeniería, dentro del recinto de Machu Picchu, es la canalización del agua, procedente, por una parte de un manantial situado a 2.458 metros de elevación, y por otra de la infiltración de las aguas de lluvia, directamente o a través de los sistemas de drenaje de las terrazas. La distribución del agua se hizo mediante un sistema de 16 caídas artificiales de agua, la mayoría de las cuales están cuidadosamente talladas en bloques poligonales, y rodeadas de canaletas labradas en la roca para dirigir el agua.

 

En la actualidad, desde 1983, Machu Picchu forma parte de la Lista de Lugares Patrimonio de la Humanidad de la UNESCO, como parte de todo un conjunto cultural y ecológico conocido bajo la denominación de Santuario Histórico de Machu Picchu. Más recientemente, el 7 de julio de 2007, fue declarada una de las nuevas siete maravillas del mundo moderno en una ceremonia celebrada en Lisboa (Portugal).

Esas nuevas siete maravillas del mundo moderno se eligieron por votación popular bajo criterios estéticos, económicos, turísticos y recreativos más que por su importancia histórica o su mérito artístico; no obstante, la distinción cuenta con gran eco, lo que deriva en un importante reclamo mundial para la captación de turismo. De hecho, Machu Picchu constituye hoy en día el principal destino turístico del Perú con más de 600.000 visitantes al año, siendo uno de los destinos más deseados por los viajeros de todo el mundo.

Adolfo Marroquín Santoña

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El agua crea vida y ayuda a mantenerla

El agua y en general el conjunto de los recursos hídricos del planeta, son ya esenciales en la actualidad, pero pueden pasar a ser nuestro único medio de supervivencia y de desarrollo sostenible a medida que avanza el siglo XXI.

Aparentemente el agua es un fluido enormemente simple, cuya molécula (H2O) está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, elementos muy simples a su vez, de forma que la estructura química del agua parece en efecto muy sencilla. Por otra parte, el agua es la sustancia que más abunda en la Tierra y es la única que se encuentra en nuestro planeta, de forma simultánea, en los tres estados, líquido, sólido y gaseoso.

Esto resulta ya una propiedad no muy frecuente, pero si profundizamos un poco más en “las cosas del agua”, encontramos aspectos que hacen de éste elemento un fluido esencial para la vida, a pesar de que su comportamiento a menudo difiera bastante de lo que podría considerarse un fluido “normalito”. De hecho, actualmente se conocen decenas de anomalías en la composición, estructura y comportamiento del agua. Una de esas anomalías, muy útil por cierto, es el hecho de que su máxima densidad se presenta a una temperatura de 4 ºC, gracias a lo cual los peces y muchos otros seres vivos pueden sobrevivir en ríos, mares o lagos helados, puesto que el hielo flota en la superficie, mientras que el agua en estado líquido queda al fondo.

 

A la presión atmosférica normal (1013 milibares o 760 mm de mercurio) el punto de fusión del agua pura es de 0ºC, cristalizando en el sistema hexagonal, presentándose como nieve o hielo, que son dos aspectos de la misma cosa; al congelarse aumenta de volumen, por lo que su densidad como hielo es menor que la del agua líquida, flotando por tanto sobre ésta.

Como decíamos, el agua alcanza su densidad máxima a una temperatura de 4 ºC, siendo esa densidad de 1 gramo por centímetro cúbico, y su capacidad calorífica es muy alta, con un calor específico de 1 caloría/gramo, gracias a lo cual una masa de agua puede absorber o desprender grandes cantidades de calor, sin experimentar apenas cambios de temperatura, lo que tiene gran influencia en el clima de nuestro planeta, donde las grandes masas de agua de los océanos tardan más tiempo en calentarse y enfriarse que el suelo terrestre, jugando por ello un importante papel en el clima terrestre.

 El calor latente de evaporación o condensación del agua, es decir la energía necesaria para pasar de líquido a vapor o de vapor a líquido, es de 540 calorías por gramo (cal/g) y el calor latente de congelación o fusión  del agua,es decir la energía necesaria para pasar de líquido a sólido o de sólido a líquido, es de 80 cal/g. Ambos valores resultan ser excepcionalmente elevados y excepcionalmente útiles a la hora de formar las nubes, de recargarlas de energía y de transportar esa agua y esa energía, de unas áreas a otras del planeta.

 

Otro ejemplo de lo raro que es el comportamiento del agua (sin impurezas), es el hecho de que puede alcanzar temperaturas extremadamente bajas en estado líquido y sin congelarse, pudiendo llegar hasta los -47 ºC, dentro de una planta, permaneciendo en estado líquido, y en el laboratorio se puede llegar hasta los -92 ºC, sin que el agua llegue a congelarse; ciertamente son estados metaestables, es decir estados del sistema que se encuentran un en equilibrio aparente, pero que cambiarán a un estado más estable, ante cualquier pequeña modificación de su entorno, pero, mientras eso no ocurre, la naturaleza lo aprovecha.

 De entrada, simplemente observando su aspecto, nadie diría que el agua líquida, el hielo y el vapor de agua son la misma cosa, la misma sustancia. En efecto, comparando un salto de agua como el de unas cataratas, con un glaciar, o con la cumbre nevada de una montaña, se podría pensar que se trata de cosas diferentes. Y sin embargo es prácticamente la misma composición química molecular, las mismas moléculas de agua, con su hidrógeno y su oxígeno, variando “casi únicamente” su aspecto final.

Hasta el siglo XVIII se creyó que el agua era en sí un único elemento, y fue el químico ingles Cavendish quien obtuvo agua a partir de una combustión de aire e hidrógeno; sin embargo, los resultados de este experimento no fueron interpretados hasta años más tarde, cuando Lavoisier concluyó definitivamente que el agua no era un elemento simple, sino un compuesto formado por dos elementos simples, oxígeno e hidrógeno.

Como queda dicho, el agua es absolutamente esencial para la vida; de hecho, cuando el hombre trata de encontrar vida por el espacio, en cualquiera de los planetas de nuestro sistema solar o en los exoplanetas, exteriores a nuestro sistema, empieza por buscar agua o bien huellas de las que se pueda deducir que al menos hubo agua allí, alguna vez.

Lo cierto es que, a pesar de ser un elemento esencial y enormemente abundante, que está presente casi por doquier, formando parte de casi todos los seres y objetos, vivos o inanimados, a pesar de ello digo, escasea en muchas y grandes áreas de nuestro planeta, y lamentablemente es escasa para millones de personas en todo el mundo.

Los desastres naturales relacionados con el agua como sequías, inundaciones, tormentas tropicales, tsunamis, etc., tienen una enorme repercusión en la vida del día a día de nuestro planeta. Gran importancia tiene, en estos aspectos, la forma bajo la que se presenta el agua. Sabemos que, bajo la forma líquida, la ausencia o la excesiva presencia de este elemento nos crea bastantes problemas, puesto que la sequía azota periódicamente a muchos países, entre ellos algunos de los más pobres del planeta y, por otra parte, las inundaciones provocan grandes daños, a veces en esos mismos países. Estos aspectos perjudiciales de ausencias o excesos del agua, en su fase líquida, están básicamente ligados al clima y a la meteorología, respectivamente y, si lo ampliamos a la fase sólida, con el agua bajo la forma de nieve o hielo, resulta que su importancia sobre nuestras vidas y haciendas crece enormemente.

La acumulación de nieve puede servir como depósito de bienestar (“Año de nieves, año de bienes”, dice el refrán), pero también puede ser fuente de serios problemas si se acumula en las poblaciones o en las carreteras, o si se funde rápidamente y a destiempo, puesto que daría lugar a inundaciones. Por otra parte, evidentemente su caída, en forma hielo, desde las nubes al suelo tiene aspectos muy negativos para los cultivos agrícolas, e incluso para la integridad de las casas y de las cosas, terrazas, tejados, cubiertas, vehículos, etc.

Al mismo tiempo, el papel del agua, una vez depositada sobre el terreno, bajo su forma sólida, juega un papel absolutamente esencial en el clima de nuestro planeta; pensemos que los mayores depósitos de hielo que existen en la Tierra, la Antártida, el Ártico y los glaciares, son, junto con las corrientes oceánicas (también agua; aunque esta vez en fase líquida),los auténticos rectores del clima.

Prácticamente todas las reacciones químicas que ocurren en el organismo humano, y en los de la mayoría de los seres vivos, tanto animales como vegetales, utilizan el agua como solvente. En las diferentes funciones vitales de su cuerpo, el hombre pierde grandes cantidades de agua, que deben ser recuperadas; de ahí las frecuentes recomendaciones de tomar agua cada día, aparte de la que ya ingerimos a través de los diferentes alimentos.

 

Otro aspecto, de los muchos que podríamos seguir añadiendo a la importancia fundamental del agua en nuestro planeta, es el hecho de que, más allá de cubrir las necesidades básicas del ser humano, en muchas partes del mundo, el agua constituye una de las principales fuentes de energía, a través de la producción hidráulica. Pero, a no mucho tardar, es muy probable que esta ayuda energética del agua, se vea aumentada notablemente.

La dramática disminución de las reservas mundiales de petróleo llevará en pocos años, si no se encuentra antes una solución alternativa, a una crisis energética sin precedentes que obligaría a cambiar drásticamente el actual modelo energético, y con él nuestro modo de vida. Llegados a esa situación, todo parece indicar que el futuro de la energía pasa por el hidrógeno, el combustible más limpio que existe, muy versátil y eficaz, que puede transformar las relaciones sociales y económicas en todo el mundo, al tiempo que supone una esperanza en la conquista de una economía energética sostenida y sostenible.

Las ventajas de la utilización del hidrógeno como carburante son evidentes: es una fuente de energía abundante y su combustión sólo origina vapor de agua como residuo, siendo un sistema energético absolutamente no contaminante.

Un problema es que no existen yacimientos de hidrógeno en los que acceder directamente a él, pero sabemos que éste se encuentra en la madera, el carbón, el petróleo, el gas, etc., y sobre todo en el agua, de la que la manera más simple y limpia de extraer ese hidrógeno es por medio de la llamada electrólisis, que separa el hidrógeno del oxígeno mediante una corriente eléctrica. En la línea de proteger el medio ambiente sería muy deseable que esa corriente eléctrica provenga de fuentes de energía renovables, como las instalaciones solares fotovoltaicas o bien de los parques eólicos, con la gran ventaja de que, al ser el hidrógeno un gas, podría almacenarse, ayudando así a resolver uno de los mayores problemas de la energía, como es la acumulación para poder disponer de ella, cuando y donde se necesite.

Así las cosas, como decíamos al principio, los recursos hídricos del planeta, que ya son esenciales en la actualidad, pueden pasar a ser uno de los pocos medios de supervivencia y de desarrollo sostenible a lo largo del actual siglo XXI.

Adolfo Marroquín Santoña

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Vigilando riesgos en el planeta desde el espacio

Recientemente diversas partes del planeta han sufrido lamentables catástrofes, de origen geofísico (meteorológico o geológico), como enormes tormentas, huracanes, erupciones volcánicas y violentos terremotos, que han puesto en riesgo a la población residente en las zonas afectadas, provocando a veces lamentables pérdidas de vidas humanas. Pues bien, con tantos satélites orbitando permanentemente la Tierra, tanto desde órbitas polares como desde órbitas geoestacionarias (ecuatoriales), disponemos de unas herramientas de observación que sería imperdonable no aprovechar para la vigilancia de riesgos.

Pero, antes de seguir adelante, repasemos algunas de características de estas extraordinarias herramientas de observación. Un satélite puede permanecer en la misma órbita durante un largo periodo de tiempo ya que la atracción gravitatoria de la Tierra se contrarresta con la fuerza centrífuga debida a la velocidad del giro del satélite en su órbita; por otra parte, como esas órbitas están fuera de la atmósfera, no les afecta la resistencia del aire, por lo que no existe ninguna fuerza exterior sobre el satélite, de forma que, de acuerdo con la Primera Ley de Newton, o ley de inercia, que establece que un objeto en movimiento mantiene su velocidad si no se aplica ninguna fuerza sobre él, resulta que la velocidad del satélite se mantiene constante, y puede girar alrededor de la Tierra durante muchos años.

Básicamente son dos los tipos de nuestros satélites, según sea la órbita en que naveguen, los geoestacionarios (ecuatoriales) y los polares. Los geoestacionarios se sitúan sobre el Ecuador terrestre, en una órbita a unos 36.000 kilómetros de altura sobre la superficie de la Tierra, permaneciendo siempre en la vertical de un punto determinado del planeta y acompañando a éste en su movimiento de rotación, de forma que el satélite siempre ve la imagen de la Tierra desde la misma posición, por lo que puede registrar series de imágenes de dicha zona a breves intervalos de tiempo. Esto es enormemente útil para observar las condiciones meteorológicas y su evolución, pero tiene el inconveniente de que al estar las cámaras (radiómetros) del satélite a tan gran distancia de la Tierra, se reduce la resolución espacial que se puede lograr, con lo que no se pueden obtener pequeños detalles en las imágenes. Éste es el caso del conocido Meteosat, situado prácticamente sobre el punto de coordenadas (0,0), es decir en la vertical de la intersección del meridiano cero y el Ecuador, desde el que se obtienen imágenes de los continentes europeo y africano.

En cuanto a los satélites polares, podemos decir que sus órbitas pasan por la proximidad de la vertical de ambos polos terrestres, y que la altura de dichas órbitas es relativamente baja, entre 300 y 1.500 kilómetros sobre el suelo, de forma que permite observaciones con mucha más resolución que los satélites ecuatoriales, es decir detalles mucho más pequeños. Cada vez que el satélite da una vuelta se escanea una nueva franja de la superficie de la Tierra y, pasado un cierto número de vueltas, se habrá obtenido una imagen de toda la superficie de la Tierra, con una precisión de imagen que permitirá un elevado nivel de vigilancia.

De los satélites ecuatoriales, como el citado Meteosat, es bien conocido su papel como vigilantes de la meteorología del planeta, y cada día los medios de comunicación nos muestran imágenes que permiten ver, con suficiente detalle la formación, el desarrollo y el desplazamiento de los sistemas meteorológicos que recorren el mundo.

La detección del nacimiento de los huracanes, de las formaciones nubosas que les acompañan, y el conocimiento de las características físicas de la atmósfera y sobre todo de los océanos, son características proporcionadas también por los satélites de observación, y que, en el caso de los océanos, miden sobre todo la temperatura del agua, que es lo que va a alimentar esas perturbaciones. Todo esto ha permitido grandes avances en la predicción de la intensidad y las trayectorias de estos peligrosos fenómenos. La vigilancia y los avisos que pueden hacerse llegar a las poblaciones en riesgo, con hasta varios días de antelación, son de gran ayuda para minimizar los potenciales daños.

Pues bien, el nivel de detalle que se puede conseguir mediante los satélites polares, permite estudiar también los riesgos asociados a volcanes y terremotos. En la actualidad, la ESA (la Agencia Espacial Europea), está vigilando desde el espacio, tanto las potenciales zonas sísmicas, como los volcanes más activos de la Tierra. El proyectoCopernicus, antes conocido como GMES (Monitoreo Global para el Medio Ambiente y la Seguridad), es el Programa Europeo creado para el establecimiento de una red europea para la observación de la Tierra, con fines de vigilancia y prevención, lo que permitiría emitir avisos de terremotos o de erupciones, como ya se está haciendo con los fenómenos meteorológicos adversos que se consideran peligrosos.

La ESA está desarrollando una nueva familia de misiones llamada Sentinels (Centinelas) específicamente para las necesidades operacionales del programa Copernicus (Copérnico), que agrupa, estudia y obtiene las conclusiones del conjunto de todos los Centinelas.

Cada misión de un Centinela, se compone de dos satélites trabajando de forma sincronizada, para cumplir los requisitos de cobertura adecuada, proporcionando suficientes y valiosos datos, para ser estudiados por los Servicios de Copérnico. Cada una de estas misiones lleva instrumentos del tipo radar y radiómetros multi-espectrales.

Las secuencias de imágenes obtenidas mediante los satélites polares, facilitan elegir las partes en las que se desea profundizar el estudio de que se trate; como ejemplo, en la imagen siguiente, vemos a la izquierda un satélite de órbita polar tomando imágenes a lo largo de su trayectoria, y a la derecha una selección de los pixeles (partes componentes de la imagen global) formada por las zonas que se quieren estudiar; el tamaño de estos píxeles puede ser tan pequeño como cuadrados de 200 metros de lado.

En este caso, las áreas seleccionadas son zonas del sur de España, parte de Marruecos, Argelia y Túnez, así como de Italia, Grecia, Turquía, etc., regiones en las que se han producido movimientos sísmicos y de las que se dispone de mediciones satelitales simultaneas de los movimientos del terreno, producidos antes, durante y después del seísmo.

 

Se espera que el estudio de todos estos datos, conduzca a establecer modelos que permitan en un futuro, esperemos que no muy lejano, emitir avisos sobre la probabilidad de ocurrencia de movimientos sísmicos, detallando en lo posible las zonas presuntas de influencia y la intensidad esperada del fenómeno, lo que permitiría tomar las medidas necesarias para evitar daños a las personas en aquellas zonas.

Un claro ejemplo del nivel de precisión que puede obtenerse mediante el uso de la observación satelital son las imágenes adjuntas, referidas al reciente terremoto registrado en el centro de Italia, en las que pueden verse los valores de los datos, medidos desde el satélite, del desplazamiento del terreno en centímetros, tanto en desplazamiento vertical, como en la dirección Este-Oeste.

Estos Centinelas de la ESA están también observando los volcanes terrestres activos; como ejemplo, en la imagen siguiente vemos el volcán Colima de México, cuya erupción continúa y de la que, en estos momentos, se está realizando un seguimiento tanto por los instrumentos en tierra, como desde el espacio.  En la actualidad, este volcán Colima es uno de los 22 volcanes activos en todo el mundo, que están siendo monitoreados por satélites.

 

En estas tres imágenes puede verse, a la izquierda, la obtenida por el canal infrarrojo del satélite, en la que se aprecia la elevada temperatura del terreno que rodea el cráter, en el centro una imagen del cono del volcán y sus alrededores, tomada por el canal visible y finalmente, a la derecha, una fotografía, tomada desde tierra, del penacho de humo, cenizas y aerosoles emitidos. Se han seleccionado estos 22 volcanes de entre los alrededor de 1.500 volcanes terrestres potencialmente activos, para tratar, en base a sus datos, de desarrollar modelos que permitan obtener información suficiente para emitir avisos, a partir de los datos satelitales, de erupciones potencialmente peligrosas.

De la importancia de este proyecto de vigilancia, modelización y generación de avisos da idea el hecho de que son más de 500 millones de personas en todo el mundo, que se estima viven dentro del área de exposición potencial de alguno de los volcanes que van a ser monitorizados.

Y, como decía al comenzó de este artículo, ya que actualmente disponemos de unos avances en tecnología aeroespacial que nos permiten acceder a esas extraordinarias herramientas de observación, sería imperdonable no aprovecharlas para la vigilancia de riesgos, por tanto ahora tenemos que ponernos a la tarea de analizar los millones de datos de que ya se dispone y de los que están entrando de forma continua, minuto a minuto, estudiarlos, interpretarlos y conseguir llegar, cuanto antes, a la fase operativa de emisión de avisos de riesgos, para prevención de los mismos.

Adolfo Marroquín Santoña

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Nos urge la energía del Sol, es decir la fusión nuclear

Una de las principales causas del actual deterioro del medioambiente, así como del cambio climático a que nos ha llevado, es la generación de energía a gran escala a partir de combustibles fósiles. Con frecuencia se habla ahora de salir de ese agujero ambiental en que nos hemos metido, recurriendo para ello a energías alternativas, lo que está muy bien, pero aclarando antes que no se debe confundir energía alternativa con energía renovable.

El propio diccionario de la RAE (Real Academia Española), que acierta cuando define la energía renovable como “aquella energía cuyas fuentes se presentan en la naturaleza de modo continuo y prácticamente inagotable, p. ej., la hidráulica, la solar o la eólica.”, se equivoca después, al poner el ejemplo, tras definir la energía alternativa, como “aquella energía procedente de fuentes distintas a las habituales como el carbón, el petróleo o el gas; p. ej., la energía eólica.”, puesto que la energía eólica que es una magnífica fuente de energía renovable, no es, sin embargo, una energía alternativa. En efecto el propio citado diccionario define una alternativa como lo que es “capaz de alternar algo con función igual o semejante.”, y resulta totalmente evidente que ni la eólica sólo, ni siquiera el conjunto de todas las energías renovables que hoy conocemos, serían capaces de alternar, con función igual, con el actual modelo energético global.

Dicho lo anterior, la que sí sería una energía alternativa es la energía nuclear de fusión, pero que nadie se alarme, puesto que esta energía tiene muy poco que ver con la nuclear de fisión, que es la que ahora se maneja todos los reactores en funcionamiento. En efecto, la fusión es una importante fuente de energía alternativa a largo plazo, que puede solucionar gran parte de nuestros problemas energéticos.

Hace ya bastante tiempo, concretamente el 11 de marzo de 1992, publicaba el Diario HOY de Extremadura, una entrevista que amablemente me hicieron con motivo del regreso de uno de mis viajes a la Antártida, y en aquella entrevista decía, entre otras cosas que mantengo hoy, lo que figura en el recorte de prensa que adjunto en la columna de la izquierda.

La fusión nuclear es el proceso que genera la energía del sol y de las estrellas. Desde que la ciencia se dio cuenta por primera vez, en los años veinte del siglo pasado, cuál era el verdadero origen de la cantidad ingente de energía que irradia el Sol, ha sido un sueño de la humanidad aprender a controlar esta fuente de energía en la Tierra. Al inicio de los estudios sobre la fusión nuclear se predijo que un reactor basado en la fusión podría entrar en funcionamiento en unos veinte años, pero esta estimación se ha mostrado demasiado optimista. Reconozco que yo mismo decía, en la entrevista antes mencionada de 1991, que para el año 2030 estarían en funcionamiento los primeros reactores comerciales basados en la energía nuclear de fusión, pero habrá que seguir esperando.

En un reactor de fusión se fusionan núcleos de átomos ligeros (isótopos de hidrógeno), liberando mucha energía en el proceso. La reacción de fusión se produce a temperaturas extremas, del orden de decenas de millones de grados centígrados. Cuando se calienta la materia a estas temperaturas, se encuentra en el estado de plasma, que es el término que se usa para un gas caliente de partículas cargadas eléctricamente (iones). Un plasma se puede contener (“confinar”) en un reactor en forma de anillo, mediante campos magnéticos, para así evitar que el plasma caliente entre en contacto con la vasija que lo rodea.

A partir de ahí, la enorme cantidad de energía que se libera en las reacciones de fusión puede usarse para generar electricidad, como forma más sencilla para ser distribuida a través de las redes eléctricas, con importantes ventajas medioambientales y de seguridad. Seguridad que se basa en que la reacción de fusión no es una reacción en cadena, por lo que no es posible que se pierda el control de la misma.

En cualquier momento se puede parar la reacción, cerrando sencillamente el suministro de combustible, cuyos componentes serían deuterio y litio, disponibles en cualquier parte, y hay suficiente materia combustible para la generación de energía durante millones de años. Además, la fusión no produce gases que contribuyan al efecto invernadero. La reacción en sí sólo produce helio, un gas inofensivo, usado habitualmente para inflar los globos de los niños, que flotan así en el aire.

La meta de la investigación internacional sobre este tipo de nueva-vieja energía está puesta en diseñar un prototipo de central de generación de energía de fusión, que cumpla con los requisitos que exige y necesita la sociedad, es decir que sea segura, fiable, sostenible, sin dañar el medioambiente, y económicamente viable.

En la energía nuclear de fusión, pese a los tradicionales retrasos que venimos arrastrando en alcanzar la fase comercial de esta fuente de energía, tenemos puestas nuestras esperanzas de disponibilidad, prácticamente ilimitada de energía y sin los riesgos de la nuclear de fisión, garantizando además la limitación del aumento de las emisiones de los Gases de Efecto Invernadero (GEI) y con ello el freno al calentamiento global del planeta y al cambio climático asociado.

Adolfo Marroquín Santoña

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La luz es claridad, pero también oscuridad

La primera parte del título de este artículo “La luz es claridad…” es tan evidente que no entraremos, aquí y ahora, en el análisis de esa verdad, salvo tal vez para recomendar que, siempre que sea posible, demos preferencia a la fuente natural de luz, el SOL, frente a cualquier otra fuente artificial y, en caso de tener que recurrir a ésta, deberíamos hacerlo con las luminarias que los avances de la ciencia y la tecnología en esta materia, han puesto a nuestra disposición. En este sentido me permito recomendar la lectura de un artículo anterior referido a los LEDES, titulado “Iluminación LED (Diodo Emisor de Luz)” (Enlace).

Pero ahora la idea es fijarnos más en la segunda parte del título “… pero también oscuridad”, repasando algunos de los aspectos de ésta “poca claridad en la luz, o más bien en la utilización que hacemos de ella”.

Un ejemplo de esto es el hecho, que debemos tener en cuenta, de los efectos que la contaminación lumínica tiene sobre la salud. Desde que la vida apareció en nuestro planeta, se ha desarrollado siempre en un ambiente sometido a unos ritmos predecibles. Cada forma de vida ha evolucionado adaptándose al ritmo circadiano, en concreto al ciclo día-noche. Este ritmo de cambios, en el caso de los mamíferos, se sincroniza gracias a un reloj central, situado en una parte profunda de su cerebro y a otros sensores, que actúan como relojes periféricos, comunicando señales temporales al organismo a través de la melatonina, una hormona que alcanza el máximo de secreción durante la noche, mientras que durante el día se mantiene en niveles bajos.

La luz influye en este reloj central a través de un camino que comienza en un conjunto de células especializadas de la retina, que son sensibles sobre todo a la luz azul. La estimulación de estas células inhibe la secreción de melatonina durante el día, y lo mismo ocurre durante la noche en presencia de un tipo de luz, en la que predominen las componentes azules. Algunas investigaciones sugieren incluso que una exposición excesiva a luz blanca durante la noche genera problemas de adaptación del organismo, dificultando un orden temporal interno correcto, que puede dar lugar a algunos efectos indeseables en la salud.

Lo que parece suficientemente probado es que estos efectos de la iluminación nocturna son más severos en el caso de la utilización de la luz azul, y que por el contrario, son más ligeros con la conocida como luz cálida, de mayor longitud de onda; la conclusión sería que, si buscamos descansar y “cargar las pilas” durante las horas nocturnas, deberíamos evitar la utilización de lámparas que emitan luz por debajo de los 500 nm (nanometros), es decir la luz azul o violeta.

Pero además de la oscuridad que, desde el punto de vista de nuestra salud, física y mental, pueda ocasionar la utilización de determinados tipos de luz durante horas en las que el organismo reclama su “reposo lumínico”, existe otro tipo de oscuridad provocada por la luz mal dirigida, es decir provocada por la iluminación en todas direcciones, o al menos en muchas, en lugar de la iluminación dirigida a lo que se desea iluminar.

Es evidente que la iluminación artificial ofrece servicios indispensables, sin embargo debemos reconocer que también ha generado el problema de la contaminación lumínica. La luz emitida por dispositivos de iluminación al aire libre se ha vuelto tan omnipresente, y está generalmente tan mal dirigida, que en la mayoría de nuestros entornos urbanos es casi imposible distinguir las estrellas en la noche.

Y esto no solo representa una pérdida de energía en forma de luz inútil, sino que además anula nuestra percepción del universo. Sin embargo, mientras que las cuestiones relativas a la calidad del aire, a los niveles de ruido o a la contaminación medioambiental han sido prioritarias a nivel institucional, científico o cultural, la contaminación lumínica ha permanecido y permanece en la oscuridad.

Los seres humanos han transformado radicalmente las características físicas de la duración de la noche, provocando la pérdida de las pautas naturales de oscuridad en extensas zonas del planeta. La alternancia de la oscuridad y la luz natural, resultan indispensables para el correcto funcionamiento de multitud de organismos y ecosistemas. Por lo general olvidamos que durante millones de años de evolución, los ecosistemas se han adaptado a los ritmos naturales del día y la noche, de la luna y las estrellas.

Nuestros antepasados miraban al cielo nocturno y encontraban en él dibujos en las constelaciones y una historia en cada estrella. En medio de la oscuridad envolvente reinante, el paisaje nocturno les ofrecía un espectáculo único. Pero la contaminación lumínica ha ido cerrando las puertas a aquellas bellas visiones nocturnas de antaño y ha impedido apreciar a simple vista muchos fenómenos del universo.

No obstante, lejos de desaparecer, la belleza de las estrellas sigue ahí, esperando ser observada; y muchas personas buscan lugares, a veces incluso lejos de sus lugares de residencia, desde los que observar ese océano de puntos luminosos. De hecho está aumentado el conocido como “astro-turismo”, o turismo de estrellas, en enclaves con cielos limpios y localizados en sitios con zonas oscuras alrededor.

Hoy nos enfrentamos a una nueva situación en la que corremos el riesgo de limitar nuestra cultura astronómica a espacios restringidos y limitados, sólo disponibles para unos pocos astrónomos profesionales o simplemente aficionados. Una parte sustancial del planeta ha perdido toda referencia con las estrellas a causa de la contaminación lumínica, olvidando que la visión del firmamento y el estudio de la astronomía han permitido a la humanidad crear calendarios, navegar hacia lugares remotos y aportar cambios sustanciales en el desarrollo de la ciencia.

Para anular o al menos reducir en lo posible la creciente contaminación lumínica, bastaría con seguir tres principios que están al alcance de nuestra mano. El primero es iluminar solo lo que necesitemos que sea iluminado. El segundo, hacer uso de la iluminación exterior cuando sea realmente necesaria. Por último, usar luminarias que eviten totalmente el flujo de luz hacia el horizonte o hacia el cielo; es absurdo derrochar energía enviando luz hacia el espacio exterior.

Entre las formas de contaminación lumínica, la más polémica y frecuente es el brillo artificial del cielo nocturno en enormes áreas, sobre y alrededor, de las grandes ciudades. Una iluminación artificial inadecuada es la causa del actual incremento de ese brillo difuso del cielo nocturno que, al dirigirse parcialmente hacia arriba y hacia el horizonte, crea una burbuja de contaminación lumínica que diluye la oscuridad natural de la noche y nos impide ver las estrellas.

Un gran desafío actual es cómo conseguir una iluminación inteligente que pueda evitar y prevenir una buena parte de la contaminación lumínica y que por otra parte no incremente el consumo energético, puesto que ello supondría agravar el problema de la emisión de los tristemente famosos GEI (Gases de Efecto Invernadero), que tanto nos están complicado la búsqueda del equilibrio climático, por ser los principales causantes del cambio global.

Pues bien, algunas de las respuestas están en nuestras manos, siguiendo unas pocas decisiones inteligentes, entre las que están:

.- No dirigir el flujo luminoso fuera del área útil a iluminar, dirigiendo la luz sólo a la zona que necesitamos alumbrar y con la intensidad necesaria para cubrir las necesidades concretas de esa área.

.- Utilizar equipos de soporte y luminarias que permitan la iluminación direccional y que emitan luz en las longitudes de onda que convengan para la aplicación concreta que se pretenda conseguir, al tiempo que reduzcan la potencia instalada y con ella el consumo.

 .- No admitir proyectos que conlleven exagerados niveles de iluminación, con frecuencia no justificados, ni justificables, exigiendo reducirlos hasta el mínimo necesario.

.- Instalar sistemas para apagar las luminarias, o al menos reducir a mínimos la luz emitida, cuando una zona no esté en uso.

.- Utilizar soluciones de control adaptativas como reguladores de flujo, temporizadores o sensores de presencia y movimiento.

Mientras tanto, hasta que se resuelva el problema de la contaminación lumínica de nuestro planeta, es evidente que es mucho más fácil contemplar la Tierra y sus territorios desde el espacio, que  poder ver las estrellas y constelaciones que pueblan el espacio, desde la Tierra, sobre todo si lo intentamos desde alguna de las grandes ciudades del Hemisferio Norte.

Y, al paso que vamos, teniendo en cuenta el aumento de la población mundial y el incremento del nivel de vida, de no producirse cambios sustanciales en las políticas de iluminación, las necesidades de electricidad, sólo para iluminación, aumentarán en más de un 30% antes de mediados del siglo en curso.

¡¡QUE DIOS NOS ILUMINE!!

Adolfo Marroquín Santoña

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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.