Se acaba de publicar en ArXiv un artículo que presenta los resultados de tres experimentos con el catalizador de energía E-cat HT de Andrea A. Rossi. El artículo proclama un COP (cociente entre la potencia de salida y la de entrada) de 2,6 ± 0,5 (E-cat HT2, experimento en marzo de 2013) y de 2,9 ± 0,3 (E-cat HT2, exp. en diciembre de 2012). Se trata de un timo. El COP real es menor que la unidad. Si no lo fuera, implicaría una ganancia en energía imposible de explicar mediante reacciones químicas. Ya expliqué en “El secreto está en la (toma de) masa,” Naukas.com, 30 julio 2012, cómo funcionaba E-cat, pero era sólo una hipótesis, pues no tenía pruebas ni posibilidad de realizar los experimentos oportunos. Los autores del nuevo artículo los han hecho por mí y confirman la hipótesis. Fuera de toda duda, se trata de un timo, el “timo de la margarita.” El nuevo artículo técnico es Giuseppe Levi et al., “Indication of anomalous heat energy production in a reactor device containing hydrogen loaded nickel powder,” arXiv:1305.3913, 16 May 2013.
“Me quiere, no me quiere, me quiere, no me quiere, …,” pronuncias en voz alta mientras le quitas los pétalos a una margarita; al final, acabas (casi siempre) con un “me quiere.” ¿Por qué? Porque la mayoría de las margaritas tienen un número impar de pétalos. Lo mismo pasa con el catalizador de energía E-Cat en su nueva versión HT y HT2. Se afirma que la potencia eléctrica es suministrada al reactor mediante pulsos rectangulares (los pulsos en color rojo en la figura). En los experimentos se mide con una cámara infrarroja la emisión de radiación térmica del reactor y se estima la cantidad de energía radiada por la ley de Stefan. El resultado para la potencia emitida es la curva azul. Obviamente, se produce más energía que la suministrada (COP > 1).
Ahora bien, si la hipótesis que yo presenté en Naukas.com es correcta, la potencia pulsada medida está puenteada y en realidad es una potencia continua, no pulsada. Si las curvas rojas fueran continuas, el COP sería menor que la unidad y muchas reacciones químicas podrían explicar la potencia emitida por el reactor. No hay que recurrir a ningún fenómeno físico exótico. Todo se reduce a un timo. El “timo de la margarita.”
Muchos lectores dirán que no tengo pruebas y que mi afirmación sólo indica mi ignorancia. Sin embargo, en el artículo pone que el sistema de la alimentación de potencia eléctrica al reactor es secreto y no fue mostrado a los autores (“They were fed by a TRIAC power regulator device which interrupted each phase periodically, in order to modulate power input with an industrial trade secret waveform”). Por ello sólo les dejaron medir la potencia desde fuera, sin acceso a la conexión real que suministraba la potencia. ¿Por qué un generador de pulsos eléctricos cuadrados debe ser considerado un secreto industrial? Cualquiera de mis estudiantes de ingeniería es capaz de diseñar uno. La única explicación, en mi opinión escéptica, es que se utiliza un “truco” (el “puente” que comenté en mi entrada para Naukas.com). Si quienes han realizado las pruebas no han podido medir el suministro directo de potencia eléctrica y se han tenido que creer lo que dice Rossi (que es una inyección pulsada), en mi opinión, es porque no se trata de una inyección pulsada, sino una inyección continua. Más aún, si una inyección continua explica perfectamente el resultado obtenido sin recurrir a física exótica, como físico, no me queda otro remedio que considerar, repito, que estamos ante “el timo de la margarita.”
Por cierto, me apena el artículo de Tommaso Dorigo, “Is Cold Fusion For Real ?!,” A Quantum Diaries Survivor, May 20th 2013. Sugiere que el sistema E-cat HT de Rossi podría funcionar a la vista de los resultados de los experimentos. Siendo Dorigo un físico experimental (en física de partículas, trabaja en CMS, LHC) y siendo su blog muy visitado, me ha dolido que haga comentarios de este tipo. Para un físico debería ser obvio el “timo de la margarita.”
Imagina que fabricas un cañón que lanza anillos de plasma a través del aire. ¿Para qué piensas que puede servir? Como es obvio, no dirás que estás trabajando en un arma y que te financian los militares para desarrollar un incinerador de misiles en ataque. Piensa un poco, ¿para qué puede servir? ¡Has acertado! Como fuente de generación y almacenamiento de energía, la aplicación civil por excelencia de los plasmas (gracias a los futuros reactores de fusión). ¿Te has perdido? Lo siento. Has sido noticia que investigadores de la Universidad de Missouri han ideado un método de creación y lanzamiento de anillos de plasma a través del aire que afirman que tendrá grandes repercusiones en la generación y almacenamiento de energía para la industria. Así nos lo cuentan en “Plasma device could revolutionize energy generation and storage (w/ video),” Phys.Org, Apr 16, 2013, y en “New Plasma Device Considered the ‘Holy Grail’ of Energy Generation and Storage,” Pure Energy Blog, April 26, 2013.
Hallado el exoplaneta más pequeño (su tamaño está entre el de la Luna y el de Mercurio). Gracias al telescopio espacial Kepler se ha descubierto el exoplaneta Kepler-37b que orbita la estrella Kepler-37, una estrella con un radio 0,770 ± 0,026 radios solares y una masa de 0,802 ± 0,068 masas solares. Los tres planetas Kepler-37b, Kepler-37c y Kepler-37d tienen radios 0,303 0,073 radios terrestres, 0,742 0,083 radios terrestres y 1,99 0,14 radios terrestres, resp., es decir, dos de los tres planetas que orbitan la estrella Kepler-37 son más pequeños que la Tierra, mientras que el tercero es el doble. En el estudio han intervenido investigadores españoles del Centro de Astrobiología (centro del INTA y el CSIC) y del Centro Astronómico Hispano-Alemán (CSIC e Instituto Max Planck). El artículo técnico es Thomas Barclay et al., “A sub-Mercury-sized exoplanet,” Nature AOP 20 Feb 2013. Recomiendo la lectura del artículo divulgativo “Encuentran el exoplaneta más pequeño que se conoce: es menor que Mercurio,” lainformacion.com, 20 Feb 2013, y de Daniel Marín, “Kepler-37b, un planeta más pequeño que Mercurio,” Eureka, Feb. 20, 2013.
La energía eólica crece un 18% en 2012 respecto a 2011. Tanto EEUU como China han instalado unos 13 gigavatios (GW) de instalaciones de energía eólica, de acuerdo con el GWEC (Global Wind Energy Council). La capacidad total instalada alcanza los 282,4 GW, con China a la cabeza con 75,6 GW, más de un cuarto del total. Obviamente, hay que tomar estos números con cuidado, pues se trata de potencia instalada y muchas instalaciones recientes aún no están conectadas a la red. ore than one-quarter (although not all turbines are connected to the grid). Sólo 5,4 GW (el 2% de la capacidad total) son instalaciones eólicas en el mar (la mayoría en el norte de Europa). Nos lo han contado en “Seven days: 15–21 February 2013,” Nature, Feb 20, 2013.
China instala PandaX, un detector de materia oscura a 2500 metros de profundidad. Otro nuevo detector subterráneo de partículas de materia oscura basado en xenón ha sido instalado en China; ya hay tres detectores de este tipo en Italia, EEUU y Japón, ¿realmente es necesario otro más? , PandaX (25 kg Xe) en JinPing (China) aún no ha empezado a tomar datos, pero XENON100 (62 kg Xe) en Gran Sasso (Italia), LUX (350 kg Xe) en Homestake (Dakota, EEUU), y XMASS (835 kg Xe) en el Observatorio Kamioka (Japón) ya los están tomando. Todos tienen planes para su ampliación (hasta toneladas de xenón) en los próximos años. La única ventaja de PandaX es que es el más profundo, luego el más aislado del ruido debido a los rayos cósmicos. ¿Logrará PandaX repetir la hazaña de Daya Bay adelantándose a los demás? Por ahora es pronto para saberlo, pero lo que está claro es que China está apostando fuerte por la investigación básica en física de partículas. Nos lo ha contado Eugenie Samuel Reich, “Dark-matter hunt gets deep. China launches world’s deepest particle-physics experiment — but it joins a crowded field,” Nature 494: 291–292, 21 February 2013.
China es el país con mayores reservas de gas en esquistos bituminosos (shale-oil). Estados Unidos presumía de tener las mayores reservas del mundo de esquistos bituminosos, pero ahora resulta que China le supera (estimó en marzo de 2012 que sus reservas alcanzan los 25 billones de metros cúbicos). El gas está sustituyendo al carbón como combustible barato para producir energía en China, lo que reducirá sus emisiones de CO2. Julio Friedmann del LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory), en California, recuerda que ”en Estados Unidos costó 60 años y 200.000 pozos sentar las bases para la revolución de los esquistos bituminosos, sin embargo, China sólo ha perforado 100 pozos y su geología es diferente, por lo que la tecnología de EEUU no es aplicable.” Por ello, hay que ser cauto con estas noticias. Nos lo cuenta Jeff Tollefson, “Geology and infrastructure could impede development,” Nature 494: 294, 21 Feb 2013.
La “revolución del esquito” no es tan bonita como la pintan. Muchos críticos afirman que la producción de gas y petróleo de esquisto está sobrevalorada y que los costos están subestimados. Los estudios más recientes para indicar que los pozos se consumen muy rápido (más del 80% se consume en sólo tres años), luego cualquier estimación de vida útil mayor de varias décadas peca de muy optimista. Para mantener la oferta habrá que perforar nuevos pozos y la tasa de retorno energética caerá de forma estrepitosa (el coste de mantener la producción no se cubre con los beneficios). Según las estimaciones de J. David Hughes (Post arbon Institute, Santa Rosa, California) el pico del petróleo de esquistos se alcanzará alrededor de de 2017 (el del petróleo convencional se supone que se alcanzó en 2005, aunque algunas fuentes aún dudan si se ha superado). Nos lo cuenta J. David Hughes, “Energy: A reality check on the shale revolution,” Nature 494: 307–308, 21 Feb 2013.
Corea del Sur ha aprobado una inversión de mil millones de dólares para el diseño de aquí a 2021 de un reactor nuclear de fusión tipo tokamak, llamado K-DEMO (Korean Demonstration Fusion Power Plant), cuya construcción se debería iniciar en 2022 y debería lograr la fusión por confinamiento magnético en 2036. ¿Por qué tan tarde? Porque el objetivo es aprovechar la experiencia que se adquiera en los primeros años de funcionamiento de ITER (Corea del Sur es miembro del consorcio). El gobierno espera que el proyecto K-DEMO R&D emplee a unas 2400 personas en su primera fase, que durará hasta 2016. En este proyecto colabora el Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton (PPPL), Nueva Jersey, del Departamento de Energía de EEUU. Su antiguo director, Robert Goldston, considera que K-DEMO es un proyecto factible (pero la opinión de Goldston está sesgada pues ayudó al diseño inicial del pequeño tokamak experimental que tiene Corea del Sur, llamado K-STAR, por Korea Superconducting Tokamak Advanced Research). Nos lo ha contó Soo Bin Park, “South Korea makes billion-dollar bet on fusion power. Reactor to be built in 2030s represents a step towards commercial use,” Nature News, 21 Jan 2013. Más información sobre K-DEMO en Hyuck Jong Kim et al., “An exploratory study on the gaps and pathways to the Korean fusion DEMO,” Fusion Engineering and Design 87: 757–763, Aug 2012.
El petróleo fue la fuente de energía y el vector energético del siglo XX. Todo apunta a que el hidrógeno será el vector energético del siglo XXI gracias a la energía solar como fuente de energía. Para ello se tendrán que desarrollar sistemas de producción de hidrógeno a gran escala basados en materiales electrocatalíticos y fotoelectrocatalíticos. A partir de haluros de hidrógeno, compuestos HX, se puede generar hidrógeno (H2) por división fotocatalítica; normalmente, X=Cl (cloro) o X=Br (bromo). La reacción química (global) utilizada es 2 HX → H2 + X2, una reacción endotérmica (que necesita de un aporte de energía); para el cloro (X=Cl) se necesita un incremento en la energía libre de Gibbs de ΔG° = 131 kJ/mol y para el bromo (X=Br) ΔG° = 103 kJ/mol. Gracias un fotocatalizador oxidativo [Cat] apropiado se puede utilizar la energía solar como fuente de energía; la producción autosostenida de hidrógeno requiere desarrollar un ciclo cerrado de reacciones químicas. Los avances recientes en este campo han sido muy importantes, destacando los del grupo de investigación del Dr. Nocera en el MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, EE.UU.). Sin embargo, aún estamos lejos para que estos avances se puedan introducir en la industria de la producción masiva de hidrógeno gracias a la energía solar. Los interesados en más detalles disfrutarán del breve artículo de Thomas S. Teets y Daniel G. Nocera, “Photocatalytic hydrogen production,” Chemical Communications 47: 9268-9274, 06 Jun 2011.
Otra de las líneas más interesantes de trabajo del grupo de Daniel Nocera es el desarrollo de hojas artificiales, reacciones químicas que imitan la fotosíntesis que utilizan las plantas para obtener energía directamente del sol. Lla electrólisis (romper una molécula de agua en hidrógeno y oxígeno) no se puede realizar con células solares fotovoltaicas porque requiere un voltaje más alto del que éstas son capaces de producir. Las hojas artificiales son unos materiales catalíticos que combinan ambas funciones, las de una célula solar y las de un sistema de electrólisis. Las primeras hojas artificiales se desarrollaron en 1998 por John Turner (Laboratorio Nacional de Energías Renovables, Boulder, Colorado), pero utilizaban materiales muy caros y su química era tan compleja que era difícil obtener sistemas estables para producción industrial. El Dr. Nocera y su grupo ha tratado de imitar a las plantas utilizando “ingeniería inversa” y han logrado las primeras hojas artificiales prácticas (baratas y fáciles de fabricar). Una especie de lámina de silicio que introducida en un vaso de agua expuesto al sol empieza a producir burbujas de hidrógenos y oxígeno; no se necesita agua ultrapura lo que permite usar fuentes naturales de agua y pone este dispositivo al alcance de muchas partes del tercer mundo. Nos lo contó Richard A. Lovett, “MIT scientist announces first “practical” artificial leaf,” Nature News Blog, March 28, 2011.
La luz solar es la fuente más abundante y sostenible de energía que dispone la humanidad. La Tierra recibe de la energía solar unos 120 000 TW (terawattios o billones de wattios), de los que unos 170 W por metro cuadrado llegan al año a la superficie de la Tierra (el número varía dependiendo de la ubicación geográfica). Aprovechar toda esta energía requiere el desarrollo de dispositivos de alta eficiencia similares a los utilizados por los organismos vivos fotosintéticos, que gracias a la mecánica cuántica alcanzan un porcentaje de fotones absorbidos de casi el 100% en condiciones óptimas, pero esto no implica que su eficiencia total sea del 100%. Se estima que las leyes de la termodinámica implican una reducción de la eficiencia a ~ 50%. Para un sistema fotovoltaico artificial se aplica el llamado límite de Shockley-Queisser de ~ 24% (en lugar del 100%), lo que reduce la eficiencia de producción teórica a solo un ~ 12%.
Comparar la eficiencia de un sistema fotosintético con uno fotovoltaico no es fácil. Ambos procesos recogen la energía de la luz solar, pero funcionan de forma diferente y producen diferentes tipos de productos: fotosíntesis natural produce biomasa y productos químicos, mientras que un sistema fotovoltaico produce una corriente eléctrica. Una posibilidad para comparar ambos sistemas es la generación de hidrógeno (en el caso fotovoltaico mediante electrólisis del agua). El resultado muestra que la fotosíntesis es entre 2 y 3 veces más eficientes que los sistemas fotovoltaicos. Por ello, en la actualidad hay un gran interés en la investigación en la fotosíntesis artificial y en el diseño mediante biología sintética de hojas artificiales. Nos lo contó Robert E. Blankenship et al, “Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement,” Science 332: 805-809, 13 May 2011.
“Toda actividad económica depende de que haya energía disponible. Existe una conocida relación entre crecimiento económico y consumo de energía: son curvas calcadas. La curva de Hubbert (1957) nos recuerda que el petróleo no se acaba nunca, sino que cada vez se hace más difícil de extraer: como un tubo de dentífrico vaciándose, siempre le queda algo más, pero al final el esfuerzo por extraer una ínfima cantidad de pasta, ya no vale el intento. Hubbert predijo el pico mundial de producción de petróleo para 1995. Pasado ese año la producción seguía en aumento y muchos afirmaron que la teoría del pico de Hubbert o peak oil no podía aplicarse a escala mundial. Pero en 2010, la Agencia Internacional de Energía reconoció que en 2006 se produjo un pico en la producción mundial y desde entonces se ha producido un declive suave. Nuestra época es adicta y dependiente de la energía. Con el petróleo, nos hemos acostumbrado a obtenerla demasiado fácilmente.” Nos lo recuerda desde Argentina NDH, “YPF: es la termodinámica, estúpido,” Derecho a leer, 26 abril 2012. Recomiendo la lectura de su extenso artículo del que me permito extraer unos retazos.
“Una economía que crece a un 3% anual, se duplica al cabo de 23 años y medio, es decir, si hoy consume 100 unidades de energía por año, en dos décadas consumirá 200 y en otras dos, 400. Mientras estemos dentro de la fase ascendente de la curva de Hubbert, el incremento de la producción del petróleo puede acompañar la demanda y no hay problemas de escasez. Pero pasado el cenit, la curva de producción no sólo se desacopla bruscamente de la de crecimiento, sino que pronto cae en picada. Por más inversiones que se hagan, no se puede revertir la tendencia decreciente. Llegado este punto, el problema más urgente es el ritmo de producción, la mitad que aún sigue disponible en los yacimientos no se puede extraer al ritmo que necesita la economía. Es el problema del tubo dentífrico, cada vez cuesta más sacar menos. Argentina llegó a su cenit en 1999, sólo que su propia demanda de energía era tan inferior a su capacidad de producción, que podía exportar alrededor de la mitad de lo que producía. Durante la primera década del nuevo milenio Argentina fue exportando cada vez menos, hasta, que en 2011 ya era importador neto de gas natural.”
“El salvavidas enérgetico ahora se llama “hidrocarburos no convencionales”. Imagine una piedra sólida, pero con algunas burbujas microscópicas de gas atrapado en su interior, en la profundidad de la tierra. En comparación con el crudo que brotaba espontáneamente, los no convencionales son como la técnica avanzada para sacar lo último del tubo de dentífrico que creíamos vacío. El petróleo no se ha agotado y está lejos de hacerlo —quedan enormes reservas ¡el 50% o más!— pero todos los pozos extrayendo a todo ritmo no alcanzan para cubrir la demanda. Se empieza a tratar de sacar hidrocarburos desde donde no hay. La única solución que la tecnología presente ha podido brindar en forma efectiva. Sin embargo, no puede pasarse por encima de los límites de la termodinámica y aparece la pardoja: Obtener energía implica un consumo de energía, la tasa de retorno energético. A principios de siglo el petróleo era tan fácil de extraer que sólo con la energía de un barril se extaían otros 100. A finales de siglo pasado, se obtenían solamente 10. Esta disminución refleja la mayor dificultad para extraer el crudo a medida que las reservas disminuyen. Una baja tasa de retorno energético indica la inviabilidad del recurso como solución. En el caso de los no convencionales, por cada unidad de energía utilizada para la extracción, tan sólo se extraen entre 2 y 5. ¿Realmente la energía necesaria para partir una piedra en mil pedazos, es menor que la que proporcionarán las burbujas microscópicas de gas en su interior?”
“Vaca Muerta es el sugerente nombre del yacimiento descubierto por Repsol/YPF en 2011. Gran promesa energética para Argentina, es una de las causas centrales que llevaron al gobierno a decidirse por la nacionalización de las acciones de Repsol. Se calcula que su valor potencial asciende a más de 100.000 millones de dólares. Sin embargo, Repsol ha dejado trascender una pretensión de apenas 10.000 millones. ¿Por qué tan poco interés ante una perspectiva tan prometedora? Vaca Muerta es un yacimiento no convencional o sea, como tratar de sacar gas de las piedras. La explotación se justifica mientras los precios sean estratosféricos. Su explotación es viable sólo por los altos precios del petróleo actuales. El agotamiento de los combustibles fósiles y el impacto que implica para el sistema actual, a saber, la ausencia de una fuente de energía barata, abundante y fácil de obtener, es un desafío inédito que no tendrán que enfrentar nuestros nietos o hijos, lo tendremos que enfrentar nosotros mismos dentro de muy poco tiempo —excepto que ocurra algún milagro en el medio. Nuestros gobernantes y especialistas en temas energéticos, más al tanto de las implicancias de la escasez, aún siguen en la etapa negación.”
Georgescu-Roegen realizó el siguiente símil. Considera un reloj de arena, un sistema cerrado en el que no entra ni sale arena. La cantidad de arena en el reloj es constante; la arena ni se crea ni se destruye en ese reloj. Esta es la analogía de la primera ley de la termodinámica: no hay creación ni destrucción de la materia-energía. Aunque la cantidad de arena en el reloj es constante, su distribución cualitativa está constantemente cambiando: la cavidad inferior se va llenando, mientras la cavidad superior se vacía. Esta es la analogía de la segunda ley de la termodinámica, en la que la entropía (que es la arena de la cavidad inferior) aumenta constantemente. La arena de la cavidad superior (la baja entropía) es capaz de hacer un trabajo mientras cae, como el agua en la parte superior de una catarata. La arena en la cavidad inferior (alta entropía) ha agotado su capacidad de realizar un trabajo. El reloj de arena no puede darse la vuelta: la energía gastada no puede reciclarse, a menos que se emplee más energía en ese reciclaje que la que será desarrollada por la cantidad reciclada. Como se ha explicado antes, tenemos dos fuentes del recurso esencial natural, el solar y el terrestre, y nuestra dependencia ha cambiado de la primera a la segunda. En “For the Greater Common Good” Herman Daly y John Cobb Jr. Beacon Press, 1989. Fuente. Recomiendo también este cuento de Asimov sobre la entropía.”
Hay una alternativa a la fusión nuclear, la panacea energética del siglo XXI, que no requiere gastar miles de millones de euros de los contribuyentes. Eric J. Lerner y su equipo de la empresa Lawrenceville Plasma Physics, Inc., están explorando una tercera vía para la fusión nuclear, la fusión aneutrónica basada en plasmoides, que pretende la fusión de protones e iones de boro-11, resultando helio-3 y energía a espuertas. La fusión aneutrónica no está libre de neutrones, pero requiere que la emisión de neutrones al producir cierta cantidad de energía sea inferior al 1% de la emisión correspondiente a la fusión convencional. El último artículo de Lerner se ha publicado en la revista Physics of Plasmas de la AIP y afirman que han logrado la fusión pulsada confinada en un plasmoide de iones de deuterio (sí, la fusión D+D con emisión de neutrones); durante unos 7-30 nanosegundos han logrado una producción de 0,15 billones de neutrones en el núcleo de un plasmoide de 0,3-0,5 mm de radio y una densidad de ∼3 × 1019 cm−3. Según Lerner y sus coautores se ha logrado dar un gran paso hacia la fusión aneutrónica (aunque en mi opinión de inexperto aún queda bastante lejana). El artículo técnico es Eric J. Lerner, S. Krupakar Murali, Derek Shannon, Aaron M. Blake, and Fred Van Roessel, “Fusion reactions from >150 keV ions in a dense plasma focus plasmoid,” Phys. Plasmas 19: 032704, 23 March 2012 [pdf gratis]. Para quien no lo sepa, Phys. Plasmas es la revista con mayor índice de impacto dedicada en exclusiva a la física de plasmas, como nos recuerda Derek Shannon, “Acceptance to Physics of Plasmas confirms LPP is hot!,” LPP Inc., Feb. 27, 2012. Un avance previo de Lerner fue objeto de una entrada de César @EDocet, “Una tercera vía a la fusión nuclear: la fusión aneutrónica,” Experientia Docet, 24 oct. 2009, que por cierto llegó a portada en Menéame.
Lo primero, Eric J. Lerner está considerado un crackpot, un científico cuyas ideas parecen locuras, desde que escribió en 1991 un libro de divulgación afirmando que el Big Bang nunca ocurrió (“The Big Bang Never Happened“). No sé si 20 años más tarde seguirá opinando lo mismo, tras la confirmación de la teoría del Big Bang obtenida por WMAP-7, pero muchos físicos al oir el nombre de Lerner piensan de forma automática en la palabra crackpot. Pero bueno, esto es solo prensa rosa.
Como nos contó César: “La máquina de Lerner se llama dispositivo de fusión por concentración de plasma denso. Funciona almacenando carga en condensadores y descargando después la electricidad acumulada rápidamente a través de electrodos introducidos en un gas que se mantiene a baja presión. Los electrodos están dispuestos como un ánodo (cargado positivamente) en el centro, rodeado de cátodos (cargados negativamente) más pequeños. Cuando los condensadores se descargan, los electrones fluyen a través del gas, “golpeando” los electrones de los átomos del gas y arrancándolos de éstos, transformando de esta manera el gas en un plasma. Comprimiendo este plasma usando campos electromagnéticos, Lerner y sus colegas han creado un plasmoide, que es una pequeña burbuja de plasma que se puede hacer que esté lo suficientemente caliente como para iniciar ciertas formas de fusión. Según la teoría, los núcleos en el plasmoide se moverían tan rápido que cuando chocan entre sí vencerían la repulsión electrostática mutua y se fusionarían. (…) Lerner [propone] golpear átomos de boro con protones (los núcleos de los átomos de hidrógeno) hasta romperlos en tres núcleos de helio (p + 11B -> 3 4He) liberando en el proceso una enorme cantidad de energía. Este proceso se conoce, perversamente, como fusión aneutrónica.”
En 2009, Lerner y su equipo aún no habían logrado demostrar la fusión aneutrónica (“sus plasmoides no eran lo suficientemente calientes como para sustentar una fusión aneutrónica”). En 2012 tampoco la han logrado, aunque según ellos han dado un paso importante hacia su objetivo. Sus estimaciones teóricas indican que la lograrán cuando logren descargar un corriente pico de más de 2 MA (millones de amperios) sobre un plasmoide adecuado; en su artículo en Physics of Plasmas afirman haber alcanzado corrientes pico entre 0,9-1,1 MA, aunque sobre un plasmoide de deuterio (que es menos pesado que el boro). La idea clave de Lerner y su equipo es confinar el plasma utilizando energía magnética en lugar de energía térmica; con 1 MA (mega-amperio) afirman haber alcanzado 80 MG (mega-gauss) y una densidad de energía magnética de 3×1014 erg/cm³, unas 15 veces mayor que la densidad de energía térmica alcanzada en su experimento, de solo 2×1013 erg/cm³. Como el plasmoide es muy pequeño, esta densidad de energía térmica implica una temperatura muy grande, de unos 1800 millones de grados (Eric J. Lerner, “Record confinement of 1.8 billion-degree plasma published in peer reviewed journal,” LPP Inc., March 23, 2012). En opinión de Lerner, esta densidad de energía magnética es suficiente para lograr la fusión aneutrónica, pero por ahora solo están estudiando la fusión D+D. En sus propias palabras “The conditions obtained in these experiments with deuterium are of interest for aneutronic fusion, such as pB11. Theoretical work has shown that there are effects at high magnetic fields that can reduce x-ray Bremsstrahlung with pB11 plasma. Simulation has also indicated promise that fusion power may at times exceed x-ray emission. We intend to test this soon.”
Habrá que esperar a ver cómo evoluciona este campo. Como ya sabéis los lectores habituales, yo soy bastante escéptico respecto a esta vía para la fusión. Espero equivocarme.
La producción de los yacimientos de petróleo a nivel mundial aumentó a un ritmo similar a la demanda entre 1988 y 2005 (comportamiento elástico), pero algo cambió y desde entonces se ha mantenido más o menos constante (comportamiento inelástico). A pesar de que el precio del crudo ha crecido un 15% al año en los últimos 7 años, todo parece indicar que la producción ha tocado techo y desde el año 2005 parece disminuir entre un 4% y un 6% anual. Como muestra la figura que abre esta entrada, el precio sigue reflejando la demanda debido a la crisis financiera que se inició en 2008 (por ejemplo se redujo 35 $ en 2009 tras la crisis de 2008-2009, y se recuperó con la mejora posterior de la economía mundial). Estos datos se publican en una noticia de opinión (artículo tipo Comment) aparecido la semana pasada en Nature que reivindica la idea del “peak oil” (la teoría del pico de Hubbert, también conocida como cenit del petróleo). Si confiamos en los datos que aparecen en este artículo, el cenit del petróleo se alcanzó entre 2005 y 2006, y a partir de entonces empezó el declive de su producción, con el consiguiente incremento en su coste. En opinión de los autores de este artículo, la existencia de este pico puede provocar graves crisis económicas en los años venideros, ya que nuestra sociedad no podrá soportar el alza de precios del crudo. Según los autores del artículo es necesario que se incorporen políticas energéticas y medioambientales adecuadas que nos permitan ir prescindiendo, poco a poco, pero sin pausa, de los combustibles fósiles. El artículo técnico es James Murray, David King, “Climate policy: Oil’s tipping point has passed,” Nature 481: 433–435, 26 January 2012. Permíteme una traducción/resumen de este artículo. Pero antes recuerda que los autores del artículo son expertos en cambio climático y que no son expertos en economía o en política energética, y que dicho artículo no presenta resultados científicos obtenidos mediante nuevos modelos, es solo un artículo de opinión.
El gran problema de la teoría de Hubbert es que el verdadero volumen de las reservas mundiales de crudo que están probadas se mantiene bajo secreto estratégico (las previsiones de las compañías petroleras no han sido auditadas y la opinión de muchos expertos es que parecen ser exageradas). Un problema adicional es que las reservas no se pueden explotar de forma instantánea; se requieren entre 6 y 10 años para preparar las perforaciones y desarrollar los canales de distribución necesarios para incorporar dichas reservas en la oferta; durante ese tiempo muchos grandes campos petrolíferos podría haberse agotado. Por ello, los autores del artículo en Nature consideran más sensato analizar la teoría del cenit del petróleo utilizando los datos de producción real, aunque estos datos son poco alentadores. Mientras la información “oficial” apunta a que las reservas están creciendo, los datos de producción real están bajando. La producción en todos los yacimientos de petróleo existentes en el mundo está disminuyendo a un ritmo entre el 4,5 % y el 6,7 % al año. Gracias a la explotación de nuevos pozos se está manteniendo estable la producción mundial.
La producción mundial parece haber tocado techo en 75 millones de barriles al día y un valor similar a los 72 millones que se producían en 2005. Este gráfico muestra los precios en función de la producción desde 1998 hasta hoy, muestra esta transición de forma dramática. La respuesta elástica entre la producción y los precios parece que se ha transformado en inelástica. No nos estamos quedando sin petróleo, pero nos estamos quedando sin petróleo barato, el que se puede producir de forma sencilla y a buen precio. El problema según los autores del artículo de Nature es que los políticos todavía no se han dado cuenta de este hecho y no están aplicando las medidas necesarias para contrarrestarlas. Más aún, la US Energy Information Administration, proyecta de forma optimista un incremento del 30% en la producción de petróleo de aquí a 2030. Supuestamente se obtendrá gracias a la explotación de reservas aún por descubrir. Este aumento requiere un incremento de la producción diaria de 22 millones de barriles para el 2030. Los autores del artículo de Nature opinan que la producción de derivados del petróleo a partir de arenas bituminosas no podrá responder a la demanda; por ejemplo, Canadá podría alcanzar unos 4,7 millones de barriles diarios en 2035 y Venezuela menos de 2 millones. Más aún, en opinión de los autores del artículo en Nature se necesitan nuevos campos petrolíferos que produzcan más de 64 millones de barriles diarios, más o menos el equivalente a la producción total actual, es decir, es muy poco probable que esto suceda.
¿Será el carbón la solución a nuestras necesidades energéticas y se mantendrá barato durante décadas? Varios estudios recientes sugieren que no. La producción de carbón en los EE.UU. alcanzó su cenit en 2002, y en el mundo se podría alcanzar en 2025. ¿Será el gas natural la solución? El gas natural sigue siendo abundante y se han hecho grandes descubrimientos recientemente, sobre todo en Israel y Mozambique el año pasado. La producción de gas natural en EE.UU. alcanzó su cenit en 2001, pero las compañías han trabajado duro para promover la idea de que el shale gas o gas de pizarra, obtenido a partir de la explotación del esquisto, dará lugar a “la era del gas natural”. No hay duda de que EE.UU. tiene grandes reservas de este gas, pero los informes más recientes sugieren que tanto las reservas como los costes de producción han sido muy exagerados.
¿Qué significa todo esto para la economía mundial, estrechamente vinculada a los combustibles fósiles? Según los autores del artículo, si no se hace algo urgentemente, se avecina una gran crisis económica. Los precios del petróleo fueron importantes en la crisis financiera de 2008 en EE.UU.; además, los países europeos más dependientes del petróleo como fuente de energía primaria son los famosos PIIGS (como nos contó Luis de Sousa, “What makes them PIIGS?,” European Tribune, Sat Apr 10th, 2010). Los autores del comentario de Nature mencionan solo el caso de Italia y afirman sin rubor que el precio del petróleo es probable que haya sido un gran contribuyente a la crisis del euro en el sur de Europa, donde los países dependen totalmente del petróleo extranjero.
Los autores del comentario de Nature acaban afirmando que no son ningún secreto ni nada misteriosas. Hay que disminuir las pérdidas de energía en los procesos de conversión y transmisión, y hay que aumentar la eficiencia del uso de la energía de combustibles fósiles. Para lograrlo, los autores proponen incrementar los impuestos a los combustibles fósiles, mantener sus precios altos y para fomentar la reducción en el consumo de energía; también proponen favorecer la energía nuclear, revisar las expectativas de crecimiento económico sin un aumento del uso de combustibles fósiles, reducir los límites de velocidad en las carreteras y fomentar el transporte público, así como introducir ayudas fiscales al desarrollo de energías renovables. La transformación llevará décadas, por lo que se debe comenzar tan pronto como sea posible. Los gobiernos tienen que actuar ahora, pues el coste de dicha acción será mayor conforme nos adentremos en el siglo XXI.
Se ha publicado en Science un artículo que resuelve uno de los grandes problemas de la producción de etanol utilizando bacterias de fácil cultivo como Escherichia coli, la producción de alginato (un glúcido o hidrato de carbono) que no es digerido de forma natural por estas bacterias. Aprovechando que hay bacterias que sí son capaces de digerirlo, como las del género Vibrio, se ha incorporado un trozo (36 kilobases) del genoma de la bacteria V. splendidus en el genoma de la bacteria E. coli; esta labor de ingeniería genética ha introducido la ruta metabólica para digerir el alginato en E. coli, permitiendo su uso industrial en la producción de etanol a partir de algas marinas. El trabajo es muy prometedor y muchos medios se han hecho eco del mismo. Ya habrás leído la noticia: “bacterias transgénicas para producir biocombustible de las algas marinas” (Alicia Rivera, El País); o también “científicos del Bio Architecture Lab (EE.UU.) han modificado genéticamente la bacteria E. coli para que digiera los azúcares de las algas marrones y las convierta en etanol; así, las algas podrían ser una fuente rentable de energía” (Agencia SINC). El artículo técnico es Adam J. Wargacki et al., “An Engineered Microbial Platform for Direct Biofuel Production from Brown Macroalgae,” Science 335: 308-313, 20 January 2012.
Hay algo que se suele contar en estas noticias y que me gustaría destacar. Cuando en biología sintética se altera el genoma de una bacteria para que realice ciertas funciones (o implemente cierta ruta metabólica) con un objetivo industrial (o biomédico), normalmente, se utilizan bacterias muy primitivas porque en el metabolismo de células procariotas (como E. coli) o eucariotas (como las de levaduras) hay muchos efectos laterales y la introducción de una ruta metabólica nueva afecta a otras rutas existentes (muchas veces de maneras que los científicos no son capaces de predecir a priori). Estos efectos colaterales se tratan de eliminar, pero a veces los menos obvios son muy difíciles de descubrir y surgen cuando menos se lo espera uno. En el caso de este estudio, los investigadores no reportan ningún efecto lateral, lo que me hace sospechar, soy mal pensado por naturaleza, que o los han omitido con la intención de “no avisar a los revisores” de sus puntos flacos, o los desconocen porque no han realizado estudios específicos en suficiente profundidad. Por ello, por muy prometedor que pueda parece este avance, a mí me genera serias dudas. Espero equivocarme y que mis dudas estén infundadas, pero no le auguro un futuro muy prometedor a este interesante descubrimiento.
Las baterías recargables de litio están por doquier, pero el litio es escaso y su coste se ha disparado en los últimos años. Las baterías recargables de aluminio prometen ser la solución. Más baratas, más seguras (el litio es propenso a incendiarse) y basadas en el aluminio, el tercer elemento químico más abundante de la corteza terrestre. Todo son ventajas, en apariencia, ya que las baterías recargables de aluminio, a temperatura ambiente, funcionan peor que las de litio, porque los iones de aluminio son más grandes que los de litio y tienden a formar grupos que se mueven más lentamente que los de litio en los electrodos, reduciendo su conductividad. La investigación en este campo está todavía en sus inicios, pero promete mucho al tener un mercado potencial de 10 mil millones de dólares (el mercado mundial de baterías de litio, que se ha multiplicado por cinco en la última década). Teléfonos móviles, ordenadores portátiles, herramientas eléctricas sin cables, coches eléctricos y un sinnúmero de otros gadgets que utilizan baterías de litio, dentro de lustro utilizarán baterías de aluminio. Lynden Archer, ingeniero químico de la Universidad de Cornell, y sus colegas han dado un paso de gigante en 2011 al utilizar líquidos iónicos y un electrolito de nanohilos de óxido de vanadio que aceleran el transporte de los iones de aluminio. Navaneedhakrishnan Jayaprakash, postdoc en el grupo de Ascher, es el primer autor del artículo del trabajo que presenta las baterías de aluminio recargables. Estas baterías utilizan un electrolito que contiene AlCl3 en un líquido iónico (EMI.Cl, cloruro de 1-etil-3-metilimidazolio), nanohilos de V2O5 en el cátodo y aluminio en el ánodo. Alcanzan una capacidad de carga de 305 mAh/g en el primer ciclo de recarga y 273 mAh/g tras 20 ciclos de carga; además, el comportamiento electroquímico es muy estable. Una gran promesa que todavía tiene que salir de los laboratorios para llegar a la industria, pero una promesa en firme hacia el futuro de la energía en el siglo XXI, la electricidad como fuente primaria de energía. Nos lo cuenta Robert F. Service, “Al Bids to Vie With Li in Battery Wars,” Science 335: 163, 13 January 2012, que se hace eco de la repercusión que ha tenido el artículo técnico de N. Jayaprakash , S. K. Das, L. A. Archer, “The rechargeable aluminum-ion battery,” Chemical Communications 47: 12610-12612, 3 Nov. 2011, en la conferencia de la Materials Research Society (MRS), Fall Meeting, December 2011.
ITER es un pozo sin fondo. ITER es un futuro sin fondos. En 2006, se proyectó ITER para que costara 5000 millones de euros. A finales de 2011 se estima que costará 15000 millones de euros. El presupuesto de investigación de la Unión Europea no puede soportar este gasto. Se necesita una partida específica. Los 2700 millones de euros que tendrá que aportar la UE durante los años 2014-2020 tendrán una partida presupuestaria específica. Aún así, no hay que ser optimistas, hay que ser cautos. Michel Claessens, portavoz de ITER, prevee que habrá “retrasos significativos” en la construcción de “casi todos los edificios en el laboratorio ITER.” Una pena. Nos lo cuenta Declan Butler, “Outcry over EU budget plan. Costly Earth-monitoring and fusion-energy projects could be stripped from main budget,” Nature 480: 19–20, 01 December 2011.
La fusión por confinamiento inercial ha pasado de ser una técnica para realizar pruebas seguras de armas nucleares a una candidata firme para la producción comercial de energía. Los reactores de fusión nuclear utilizan el combustible más abundante y barato (el agua del mar), no tienen emisiones de carbono y sus residuos nucleares son mínimos; todo son ventajas, pero la fusión nuclear tiene un gran inconveniente, nadie sabe si es viable. Nadie ha logrado mantener una reacción de fusión autosostenida por tiempo suficiente para garantizar su uso comercial como fuente de energía. Nadie sabe si algún día se logrará. Dos artículos en Science nos recuerdan que, tras sesenta años de investigación, se espera que en los próximos años se logre la ignición de un reactor de fusión por confinamiento inercial en el NIF (National Ignition Facility) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), una instalación láser que ha costado unos 3500 millones de dólares (muy barata comparada con el coste de ITER, el reactor de fusión por confinamiento magnético que se está construyendo en Cadarache, Francia. El objetivo principal de NIF no es la producción de energía, sino el estudio de armas nucleares, pero si se logra la ignición se espera un cambio radical en los objetivos de NIF. ¿Se lograra la ignición antes de que finalice la construcción de ITER? Los estadounidenses nunca pierden la esperanza y su revista estrella (Science) se hace eco de ello en Daniel Clery, “Inertial Confinement Fusion: Fusion Power’s Road Not Yet Taken,” Science 334: 445-448, 28 October 2011, y Daniel Clery, “Inertial Confinement Fusion: Step by Step, NIF Researchers Trek Toward the Light,” Science 334: 449-450, 28 October 2011.
El cambio climático, la disminución de las reservas de petróleo y la búsqueda de fuentes de energía alternativas son motivos más que suficientes para que los políticos se interesen en la fusión nuclear. Steven Chu, Secretario de Energía de EE.UU. y premio Nobel de Física, sigue con atención los esfuerzos del NIF y ha visitado el LLNL en varias ocasiones. Pero como dice Glen Wurden, del Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) en Nuevo México, la ignición en el NIF será como el primer vuelo de los hermanos Wright, un hito histórico pero “la madera, la tela y el alambre de los Wright están muy alejados de un Boeing 747 comercial.”
El láser del NIF dispara los pulsos más energéticos del mundo, de 1,8 millones de julios (MJ), pero un reactor comercial tendrá que realizar entre 10 y 16 disparos por segundo (unos 1,4 millones de disparos al día). Por ahora estos números son utópicos (de hecho la configuración actual solo …), el láser del NIF no está diseñado para lograr una frecuencia de disparos tan alta. Por ello los investigadores del NIF han propuesto una ruta alternativa, más rápida y de menor riesgo hacia un reactor comercial, el proyecto piloto denominado LIFE (Laser Inertial Fusion Energy). Su propuesta es construir un reactor de fusión en 12 años (una vez se demuestre la ignición en NIF). Por supuesto, hay muchos escépticos que creen que estos números son demasiado optimistas. La idea de LIFE es utilizar 192 láseres pequeños, en lugar de uno solo, cada uno de ellos de solo 8 kilojulios (kJ), totalizando unos 1,5 MJ. El gran problema de NIF (y de LIFE) es la eficiencia de la conversión de energía inyectada en la cápsula de combustible en energía útil para la ignición. Se estima una eficiencia del 25%, luego los 1,8 MJ se reducen a solo 0,4 MJ.
Los investigadores de los Laboratorios Sandia confían en que podrán mejorar la eficiencia de la conversión de energía láser en energía para la ignición mediante un fenómeno llamado pinzamiento axial (o Z pinch). Una corriente eléctrica muy fuerte a través de un plasma conductor produce un campo magnético alrededor del plasma que produce una fuerza que comprime el plasma. Si la cápsula con el combustible tiene la forma de un cilindro con deuterio y tritio, el pinzamiento axial podría lograr una eficiencia de conversión de energía muy alta. En los laboratorios Sandia se ha desarrollado la máquina Z (cuya fotografía abre esta entrada) que almacena una enorme cantidad de energía eléctrica y produce pulsos eléctricos muy cortos, unos 100 nanosegundos, pero muy intensos, de hasta 27 mega-amperios (MA). En la actualidad la máquina Z se utiliza para producir rayos X (y para ciertas aplicaciones militares). Una versión más energética de la máquina Z podría ser útil para producir la ignición de la fusión (las estimaciones teóricas actuales indican que se requiere un mínimo de 60 MA).
También se están investigando otras alternativas, como la técnica llamada magneto-fusión inercial, que combina confinamiento inercial y confinamiento magnético para ayudar a contener el plasma de deuterio y tritio. Por el momento estas alternativas están poco estudiadas y es muy difícil saber si son prometedoras, o solo parecen prometedoras.
Lo que todo el mundo tiene muy claro en el campo de la fusión por confinamiento inercial es que recabar financiación abundante de los gobiernos requiere demostrar que la ignición es posible, no solo en teoría, sino con una demostración práctica. La instalación que lo logre se convertirá en el candidato más prometedor y será el foco de la mayor parte de la financiación. Mientras tanto, las diferentes propuestas deben competir entre ellas para ver quien es la primera que logra la ignición. Todo el mundo es optimista con su propuesta favorita, pero el gobierno no puede permitirse financiar todas ellas en pie de igualdad.
La máquina Z de los Laboratorios Nacionales Sandia
Fotografías tan espectaculares como las que abre esta entrada y el secreto con el que se mantienen algunos de los experimentos militares que se realizan con la máquina Z llevan a mucha gente a pensar que la fusión nuclear por pinzamiento axial (Z pinch) será la vencedora de la carrera hacia la financiación a espuertas. Pero debemos poner los pies sobre la tierra. En realidad la imagen que abre esta entrada es una fotografía de larga exposición de arcos eléctricos (como los rayos de una tormenta) sobre la superficie de un tanque de agua; estos arcos son un subproducto de la operación de la máquina Z y no son un objeto de investigación en sí mismos. El grupo de Electromagnetismo de los Laboratorios Sandia está investigando la generación de rayos en tormentas pero utiliza otra instalación diferente, el Simulador de Rayos Sandia (Sandia Lightning Simulator), que puede producir rayos de hasta 200 kA (kiloamperios) y trenes de rayos de cientos de amperios separados por pocos milisegundos. Estos rayos son similares a los que se producen en las tormentas, por lo que su producción controlada en el laboratorio permite estudiar cómo afectan a los almacenes de cabezas nucleares, a los dipositivos electrónicos de control de misiles, aviones militares, aviones civiles, trenes, etc. Destaca en los Sandia su grupo de supercomputación paralela, el primero en el mundo que logró superar en simulaciones electromagnéticas 1 Tflop/s (un billón de operaciones flotantes por segundo). El siguiente vídeo os muestra la instalación de simulación de rayos (mucho menos espectacular que la fotografía de arriba).
Los Laboratorios Nacionales Sandia se crearon en 1949 para la investigación de las armas nucleares que fueron desarrolladas por el Proyecto Manhattan. El objetivo original de estos laboratorios era convertir la física nuclear desarrollada en Los Alamos y en los Laboratorios Nacionales Lawrence Livermore en armas nucleares. El fin de la guerra fría y la caída de la Unión Soviética conllevaron un lavado de cara de los Laboratorios Sandia que han reorientado una parte de su investigación a aplicaciones civiles. Y la aplicación civil estrella es la producción de energía “gratis” por fusión nuclear. El siguiente vídeo nos “vende” el programa de fusión nuclear en los laboratorios Sandia.
El siguiente vídeo de youtube os muestra la construcción de la máquina Z y para qué sirve.
La máquina Z es la estrella de los Laboratorios Sandia, pero hay gran número de otras instalaciones únicas en el mundo que compiten por ser las primeras en demostrar la ignición nuclear. Nadie puede saber cual será la que vencerá en esta competición. Pero lo que está claro es que este tipo de instalaciones tienen gran número de aplicaciones más allá de lograr la fusión, por ejemplo, la máquina Z estudia plasmas de alta densidad como los que hay en el interior de los planetas, de las estrellas y en otros objetos astrofísicos. Esta investigación fundamental es complementaria a su investigación aplicada. El siguiente vídeo nos lo cuenta.
En resumen, la fusión nuclear promete ser una fuente gratis de energía y la fusión por confinamiento inercial una alternativa factible para lograrla. Pero ya sabemos que la ignición sostenida de la fusión lleva varias décadas a 20 años vista y quizás siga estándolo. Es un proceso físico muy difícil de controlar y los avances de los últimos años nos hacen tener esperanzas, pero no a corto plazo… habrá que esperar todavía unos 20 años o quizás algunos más.
PS (5 nov. 2011): Gracias a Aitor os incluyo el vídeo de la mesa redonda “ITER y la Promesa de la Fusión Nuclear” en la Universidad Politécnica de Madrid, 27 de octubre de 2010. Antonio Rivera (Instituto de Fusión Nuclear, UPM) nos habla de fusión por confinamiento inercial (NIF y HiPER) y Franscisco Castejón (CIEMAT) de fusión por confinamiento magnético (ITER). Merece la pena ver la conferencia, aunque dura unas dos horas.
En España, en el Plan de Fomento de las Energías Renovables se pretende que el 20% de la energía que se genere en España en el 2020 sea de origen renovable. Para conseguir un desarrollo energético sostenible, basado en el uso de las energías renovables y en el fomento de medidas de ahorro y eficiencia energética es necesario modificar el modelo energético actual. Un modelo basado en el uso masivo de combustibles fósiles que puede provocar importantes alteraciones en el clima actual debido a las alteraciones que se pueden producir en el medio ambiente por la ineficiencia de los sistemas de producción de energía útil. Francisco Serrano Casares (Universidad de Málaga), “El reto energético. Energía y desarrollo,” Boletín de la Academia Malagueña de Ciencias VII: 15-25, 2008. Permitidme unos extractos.
La estructura fundamental de nuestro esquema energético, base del actual desarrollo económico, está cimentada en la simbiosis tecnológica entre los motores térmicos y los generadores eléctricos para producir a gran escala un vector energético, la electricidad, que nos permite alimentar a las máquinas eléctricas motoras, generar calor y producir luz. Sólo sabemos obtener calor mediante tres métodos: la combustión química (calor o movimiento), la reacción nuclear (calor) y la irradiación solar (calor o electricidad). Esto constituye lo que se considera el paradigma tecnológico-científico de nuestro esquema energético: el binomio máquina térmica-máquina eléctrica. Esta estructura energética resenta una serie de problemas: (1) el bajo rendimiento de las transformaciones energéticas que tienen lugar en los motores térmicos; (2) las elevadas cantidades de gases perniciosos emitidos por los combustibles fósiles, usados mayoritariamente en los motores térmicos; y (3) la posibilidad de agotamiento de los combustibles fósiles. Hay que plantear un nuevo modelo de desarrollo energético más sostenible, asentado en tres pilares: (1) desarrollo de las energías renovables; (2) políticas de ahorro y eficiencia energética; y (3) tecnologías energéticas avanzadas (los ciclos combinados con gas, la cogeneración, la tecnología del hidrógeno, la fusión nuclear, etc.).
Las energías renovables son aquellas que se producen de manera natural y de forma continua a partir de fuentes que la Naturaleza nos ha dado. Presentan ventajas medioambientales (no producen emisiones contaminantes, no generan residuos importantes, son inagotables), estratégicas (son autóctonas, evitan la dependencia exterior) y sociales (creación de empleo, contribuyen al equilibrio interterritorial, son autóctonas). Enfrente, las fuentes de energía tradicionales son contaminantes, agotables y están distribuidas muy irregularmente. Se consideran energías renovables las siguientes: (1) la energía hidráulica (procedente de los saltos de agua); (2) la energía geotérmica (procedente del interior de la tierra); (3) a energía del mar (procedente de las olas y de las mareas y la que se obtiene de las diferencias de temperatura entre las aguas superficiales y las profundas); (4) la energía solar térmica y fotovoltaica; (5) la energía eólica; y (6) la energía de la biomasa.
El principal inconveniente de las energías renovables, dentro de la red de generación de energía eléctrica a escala mundial, ha sido la discontinuidad en la generación y suministro (gestionabilidad); la excepción que confirma la regla son la biomasa o los biocombustibles. La solución a buscar ha sido siempre la de encontrar una forma de almacenar temporalmente, y de forma eficiente, la energía, con el objeto de desacoplar la citada discontinuidad en la producción propia del suministro. La introducción del hidrógeno como sistema de almacenamiento a gran escala, permitirá desacoplar la producción de energía renovable de la demanda de electricidad, disminuyendo los problemas derivados de la aleatoriedad de aquella, aumentando la predictibilidad y garantía de suministro, y en suma, incrementando el valor añadido y rentabilidad de las fuentes de energía renovable. Además, abrirá una vía para la penetración de las energías renovables en un sector consumidor del 33% de la energía primaria: el sector transporte. Manuel Felipe Rosa Iglesias (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial), “Hidrógeno como vector energético: Elementos y usos,” Boletín de la Academia Malagueña de Ciencias VII: 27-40, 2008. Permitidme también unos extractos.
La electricidad y el hidrógeno son dos portadores de energía que permitirían atender a todas las demandas energéticas. Con demasiada frecuencia se nos presenta al hidrógeno (y las tecnologías asociadas) como elementos fundamentales y la panacea para solventar los problemas derivados de la escasez de recursos energéticos, olvidando con frecuencia que el hidrógeno no es ninguna fuente de energía (es preciso consumirla para producirlo). Igualmente se nos presenta como tecnologías novedosas y si bien es cierto lo son en su aspecto de aplicación terrestre, en el espacio se vienen utilizando desde hace unos 50 años como elementos integrantes de las Plantas de Potencia de Aplicación Espacial. En la actualidad casi el 96% del hidrógeno mundial se produce a partir de combustibles fósiles, principalmente por reformado de gas natural con vapor de agua y se consume como un componente que forma parte de multitud de procesos convencionales, principalmente (en torno a un 72%) en la industria química y petroquímica. Desde un punto de vista energético, su utilización más significativa es como combustible en misiones espaciales.
La utilización de la energía solar térmica a alta temperatura para la producción de hidrógeno proporciona tres alternativas: proceso termolítico (rotura de la molécula de agua en sus elementos, oxígeno y hidrógeno, como consecuencia de la alta temperatura; superior a 2000 ºC), electrolítico (rotura de la molécula de agua en fase vapor mediante el uso de energía eléctrica) y químico (reacción química promovida por la energía fotónica). Este tipo de procesos están a escala de laboratorio (termólisis y electrolisis en fase vapor) o de planta de experimentación (químicos), siendo preciso una intensificación
La producción de hidrógeno electrolítico es la más adecuada para acoplarse a las energías eólica y fotovoltaica (conjuntamente con las pilas de combustible), en especial, para desacoplar producción y demanda de energía eléctrica, transfiriendo energía desde los periodos de alta producción y baja demanda a los de alta demanda. Las pilas o celdas de combustible son unos dispositivos electroquímicos que convierten la energía química de reacción directamente en energía eléctrica. Su diferencia fundamental con las baterías es que estas últimas son acumuladores de energía, dejando de producir energía cuando se consumen dichos reactivos. Las pilas de combustible son, por el contrario, dispositivos que tienen teóricamente la capacidad de producir energía eléctrica mientras que se suministre combustible y oxidante a los electrodos. El combustible (normalmente hidrógeno) se aporta en el ánodo y el oxidante (aire u oxígeno) en el cátodo, produciéndose electroquímicamente, energía eléctrica en forma de corriente continua, agua (como producto de la reacción), calor de proceso y, si se ha utilizado un combustible con carbono, CO2 (como los biocombustibles). El grado de independencia entre su eficiencia y su tamaño en las pilas de combustible permite desarrollar plantas de pequeña potencia (desde vatios) y plantas de cientos de kilovatios o, incluso, de megavatios, con un rendimiento relativamente elevado.
A corto plazo, el objetivo debería ser la consecución de un uso más eficiente de la energía y un creciente suministro desde las fuentes de energía europeas, principalmente de las renovables. A largo plazo, una economía basada en el hidrógeno tendrá impacto en todos estos sectores. La producción de hidrógeno “limpio” mediante fuentes de energía renovable y su “producción distribuida” encaja perfectamente con la idea de desarrollo sostenible basado en las economías locales
Jesús Álvarez Ruiz, del Instituto de Fusión Nuclear de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), miembro del proyecto HiPER, impartirá una conferencia titulada “Fusión Inercial: Peligros y propuestas para proteger las paredes internas de un futuro reactor” en los Seminarios Internacionales de Fronteras de la Ciencia de Materiales (Aula de Seminarios, Departamento de Ciencia de Materiales, E. T. S. de Ingenieros de Caminos, UPM), el lunes 20 de Junio de 2011, a las 9:30 h. Le propuse y ha aceptado escribir una breve entrada describiendo dicho proyecto (HiPER). Espero que la disfrutéis.
¿Qué es la Fusión Nuclear?
La fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos se unen para formar un núcleo más pesado a la vez que se genera una gran cantidad de energía. Para producir las reacciones de fusión es necesario que los núcleos atómicos de partida superen la repulsión que experimentan al estar cargados positivamente. En caso de querer utilizar la fusión como una fuente de energía, se requiere que los núcleos atómicos tengan velocidades iniciales y probabilidades de choque altas. Hablamos de temperaturas de millones de grados para alcanzar las velocidades requeridas (a esas temperaturas, la materia está en forma de plasma) y de densidades y confinamientos de esos plasmas adecuados para garantizar las colisiones. Estas condiciones se resumen en una combinación adecuada de temperaturas, densidades y tiempos de confinamiento que se denominan criterio de Lawson.
Son las densidades del plasma y su confinamiento, las que definen los dos principales mecanismos que el hombre está explorando para obtener energía de la fusión nuclear con la reacción entre el Deuterio y el Tritio. Por un lado se encuentra la fusión por confinamiento magnético que encierra el plasma dentro de varios campos magnéticos el tiempo suficiente como para asegurar un número de choques y reacciones de fusión que generen más energía que la requerida para producir inicialmente el plasma y su confinamiento. Y por otro lado se encuentra la fusión por confinamiento inercial que genera y confina un plasma muy denso (20 veces la densidad del plomo) en un instante, de modo que se produzcan suficientes reacciones de fusión como para compensar la energía invertida en la compresión y calentamiento instantáneo del combustible.
La fusión magnética es la más conocida y en la cuál se está invirtiendo más dinero (véase el proyecto internacional ITER), aunque la fusión inercial tomará una posición relevante en los próximos años si se cumplen las predicciones y una instalación de fusión consigue mostrar por primera vez ganancia (la reacción de fusión produciría más energía que la que consumiría).
Fusión Inercial – HiPER
Aunque hay varias propuestas para inducir la fusión inercial, la más extendida se base en el uso de sistemas láser muy potentes. En el concepto más sencillo, varias decenas de pulsos láser muy energéticos se enfocan simultáneamente sobre una pequeña cápsula redonda de plástico que contiene el Deuterio-Tritio. Esa energía comprime el combustible a grandes densidades y lo calienta hasta alcanzar las temperaturas necesarias para producir la fusión.
Fases de la fusión por confinamiento inercial por láser de un blanco directo. Las flechas azules representan la radiación láser; las flechas naranjas representan los fragmentos de cápsula que salen despedidos. Las flechas rojas indican la dirección en la que se transporta la energía térmica (Imagen tomada de la Wikipedia).1. La radiación calienta rápidamente la superficie, generando un plasma. 2. Por efecto de acción-reacción el plasma se expande hacia afuera y el combustible se comprime. 3. La cápsula implosiona alcanzando densidades de >200g/cm3 y temperaturas de 100 millones de grados. 4. La fusión nuclear tiene lugar en el centro y se transmite al combustible comprimido colindante, produciendo más energía que la consumida en el proceso.
La Instalación Nacional de Ignición, NIF, del Lawrence Livermore National Laboratory de los Estados Unidos, es el laboratorio que dispone del sistema láser más potente del mundo. Con sus 192 pulsos láser que depositarán unos 1.5 MJ de energía sobre el blanco, aspira a ser el primer centro en demostrar ganancia en los próximos 1 o 2 años y así fundar las bases de lo que, en un futuro, puede ser un reactor de energía de fusión.
En Europa, las dos iniciativas más importantes en fusión inercial son la francesa Laser MégaJoule, LMJ, muy similar a NIF y con fines militares únicamente, y el High Power laser Energy Research facility, HIPER.
Esquema de la instalación HiPER.
HiPER es el proyecto europeo que pretende acercar la fusión inercial a una planta de energía. Como siguiente paso a NIF, busca demostrar la fusión de forma repetitiva (varias veces por segundo) y aumentar la ganancia de energía reduciendo el consumo de los láseres y optimizando el proceso de compresión y calentamiento del combustible.
Las altas pérdidas en forma de calor durante la conversión de energía eléctrica en energía para amplificar los pulsos láser (mediante lámparas de flash) hacen que los láseres de NIF necesiten más de 6 horas para enfriarse y poder volver a disparar. HiPER está trabajando en el desarrollo de láseres de estado sólido bombeados por láseres de diodo, DPSSL, mucho más eficientes y que permitirán disparar con frecuencias entre 5-10 Hz.
A su vez, HiPER está trabajando en otros esquemas del blanco de combustible, como son la ignición rápida o la ignición por choque, que permitirían reducir la cantidad de energía depositada en el combustible en aproximadamente un tercio de la que se inyecta en NIF.
El proyecto HiPER se encuentra en la actualidad en la fase preparatoria de evaluación de tecnología. En caso de que los gobiernos de los distintos países participantes promuevan su construcción (entre ellos España), se espera entrar en la fase de diseño para el 2012-2013.
Estados Unidos también está evaluando un programa similar llamado LIFE, con el firme propósito de tener un reactor experimental que genere la misma cantidad de energía que consuma (unos 300 MW) para el 2020. Su objetivo es disponer de una planta demostradora de potencia (1.5-2 GW) entre el 2025-2030.*
Aunque todavía son varios los retos que la fusión inercial tiene que afrontar (como la construcción de láseres de alta energía y alta repetición o la inyección de blancos en cámara de reacción de varios metros de radio con precisiones espaciales y temporales muy altas) esta forma de energía puede ser una realidad económicamente en las próximas dos décadas. Eso si contar con las múltiples aplicaciones en diversos campos de la física que una instalación de este estilo significaría. Hay mucho en juego y los grupos españoles que lideran el diseño del reactor pueden jugar un importante papel. Sólo el tiempo y los políticos dirán.
Jesús Álvarez, Instituto de Fusión Nuclear, UPM.
.
.
*La principal diferencia de LIFE con el proyecto HiPER se encuentra en el tipo de blanco y en la protección interna de las paredes del reactor. LIFE utilizará blancos indirectos como los de NIF en los que la energía láser no se deposita directamente sobre la esfera de combustible sino que primero se convierten en rayos X en las paredes internas de una cápsula que envuelve al blanco. Son los rayos X generados en las paredes internas de la cápsula los que posteriormente comprimen y calientan el combustible. Estos blancos son menos eficientes energéticamente hablando pero están más desarrollados y sufren menos inestabilidades en la compresión del combustible.
La segunda diferencia estriba en el hecho de que la radiación emitida en un blanco indirecto tiene una distribución de energía diferente a los blancos directos. En ambos casos el 70% de la energía de fusión se emite en forma de neutrones energéticos, pero mientras que en los blancos indirectos el 30% restante es fundamentalmente radiación X, en los blancos directos ese 30% aparece en forma de iones rápidos. Tanto en un caso como en el otro ese 30% de la energía va a parar a las paredes del reactor. Para contrarrestar el efecto de los rayos X, LIFE llenará la cámara de gas Xe que absorberá la energía y la depositará sobre las paredes de forma continua. En el caso de HiPER, la pared del reactor contará con una cubierta interna de unos cientos de micras de wolframio que hará de escudo protector.
Me ha gustado mucho el libro de David J.C. MacKay, “Sustainable Energy – without the hot air,” Version 3.5.2, November 3, 2008. Me he enterado de su existencia gracias a Pedro J. Hernández, “`No soy pro-nuclear, soy pro-aritmética´,” Ecos del futuro, 22 marzo 2009. ”Este notable libro señala, con enorme claridad y objetividad, los distintos caminos alternativos que se abren ante nosotros para llegar a las bajas emisiones.” El libro de 383 páginas está en inglés pero es gratis. La Embajada Española ha traducido un resumen de diez de páginas. “Somos adictos a los combustibles fósiles y eso no es sostenible. El mundo desarrollado extrae el 80% de su energía de los combustibles fósiles. Evitar el peligro del cambio climático supone un cambio inmediato en el uso de los combustibles fósiles. ¿cómo podemos librarnos de nuestra adicción a los combustibles fósiles?”
La figura muestra el detalle de la estructura de la generación de energía eléctrica en España ayer 20 de abril de 2011. Podéis ver el valor en tiempo real gracias a Red Eléctrica de España siguiendo este enlace. Ayer a las 12:00 el 20’7% de la energía eléctrica producida en España tenía origen nuclear. Además, España exportó un 9’2% de su energía eléctrica (nuestros países vecinos son importadores de nuestra energía, en este orden, Marruecos, Portugal, Francia y Andorra). El 16’3% fue producido por energía eólica y la energía solar se incluye en el 23’4% del “Resto reg. esp.” He visto esta figura releyendo a Miguel Rodríguez Lago, “¿Podemos desconectar las centrales nucleares?,” MiGUi, 15 de marzo de 2011. Como él mismo nos cuenta, “en esta gráfica queda claro el nombre de “horas valle” y el de “horas pico;” durante la noche, cae la demanda de energía eléctrica que repunta rápidamente al comenzar la mañana, sufre un ligero bajón en las horas intermedias de la tarde para volver a remontar cuando estamos en casa por la tarde-noche y después vuelve a descender cuando nos vamos a dormir por la noche.”
Esta entrada tiene por objeto haceros pensar un poco. Nada más.
Extractos del Discurso de Gerardo Pardo Sánchez, “Contaminación Electromagnética,” E.T.S.I. Industriales, Universidad de Málaga, 17 marzo 2011. Mi selección de estos extractos puede cambiar el sentido de las palabras originales y del discurso del Dr. Pardo Sánchez. Cualquier crítica a esta entrada debe ser dirigida a mí y no al Dr. Pardo Sánchez, cuyo discurso hemos disfrutado todos los asistentes.
“Las verdades científicas conllevan un pequeño nivel de riesgo experimental (ignorancia), mientras que las afirmaciones ecologistas enfrentadas se presentan como indiscutibles. La ciencia avanza mediante la investigación, que siempre conlleva cierto grado de incertidumbre experimental. Hay que asignar un cierto grado de probabilidad a los resultados, nivel de confianza o de incertidumbre, nivel de riesgo. La forma científica de entender una cuestión es relacionar directamente verdad y probabilidad. El público está expuesto a niveles de radiación tan bajos que no se han detectado efectos directos. Este tipo de situaciones (la ausencia de efectos directos), aunque parezca contradictorio, es el clima ideal para la controversia pública. Sorprende que sea normal que se discuta “sobre lo que se sabe y sobre lo que se ignora,” cuando los resultados científicos deberían admitirse sin más y los que no lo son, ignorarse. Cuando se trata de exposiciones a niveles de intensidad muy bajos, la ciencia no puede asegurar la ausencia de daño. Para la ciencia no existen normas de riesgo cero. Siempre hay una probabilidad despreciable de que un suceso ocurra.
Las investigaciones sobre los efectos biológicos de la radiación a niveles muy bajos resultan de experiencias erróneas y son efectos gato (el gato es un animal sigiloso que aparece y desaparece de la escena, sin dejar rastro). Estos resultados de estudios epidemiológicos y de investigaciones biomédicas no se pueden confirmar por otros científicos. Hay muchos ejemplos que ilustran que probar la presencia de efectos a dosis bajas es difícil, pero todavía lo es más demostrar la ausencia de peligro, siendo imposible probar el riesgo cero, es decir, la ausencia de riesgos. En las ciencias de la salud las pruebas concluyentes son difíciles. Ni siquiera es fácil determinar las dosis umbrales o límites. La clave de un plan de experiencias es la reproducibilidad de los resultados. La ausencia de esta última garantía es la causa común de las controversias.
Las normas internacionales son el instrumento, o fórmula social, que equilibra los beneficios del uso de la tecnología con los costes medioambientales que ese uso conlleva. Para el ingeniero es esencial saber el riesgo potencial del uso de cualquier tecnología. Este riesgo debe ser del mismo orden de valor que los ya aceptados en otras situaciones. El ingeniero sabe bien que menor riesgo implica un mayor coste y un riesgo próximo a cero equivale a un coste próximo a infinito. En fin lo ético y razonable debe ser mantener unos niveles de riesgo que estén dentro del intervalo de aceptación de una sociedad sostenible que, por principios, respeta el presente y tiene en cuenta el futuro de la humanidad.
El sentido común del buen Ingeniero no debe olvidar comparar la radiación de origen antropogénico con la de origen natural, los campos ambientales. Vivimos rodeados de radiación. Ingenieros, recordad que en todas las situaciones contaminantes se deben establecer límites cada vez más precisos que legitimen vuestras actuaciones. Se trata de dosis para las cuales el riesgo para el público o para el trabajo no es serio y siempre del mismo nivel o inferior al de otras situaciones de riesgo: pasear en bicicleta, atravesar un paso de cebra, ir en coche durante 10 minutos, etc. Las Normas deben considerar los riesgos conocidos e incluir un “factor de seguridad” de forma automática. El problema social y legal reside en las dosis bajas, inferiores a los límites. Los que desconocen que el riesgo cero no existe, muchos grupos ecointransigentes, tampoco tienen en cuenta el carácter limitado de los presupuestos (nacionales, regionales, etc.). Todo ello acaba endeudando a las generaciones futuras. Siempre se debería tener en consideración que algunos gastos con la sana finalidad de evitar contaminaciones presumibles son los que impiden actuaciones necesarias para la población presente y futura.
La abundancia de mitos en relación a los temas de ingeniería ambiental justifica la importancia que tiene en el mundo tecnológico tener ideas precisas sobre los fundamentos científicos de los problemas ambientales. En ingeniería ambiental es esencial funcionar con sentido científico común, que por cierto hoy es muy poco común en la sociedad actual. Las decisiones ambientales (algunas discutibles y superfluas) se financian con impuestos y en ocasiones a expensas de necesidades estructurales imperiosas: educativas, sanitarias, de I+D+i, etc. Es imprescindible la contraposición entre la necesidad de usar dispositivos industriales, médicos y energéticos mejores y el terror social contra estas instalaciones. La mejor defensa contra los mitos y contra el marasmo en el que está sumida la sociedad actual es la formación científica continua.”
“Si de noche lloras por la ausencia del Sol, nunca verás las estrellas.” R. Tagore, poeta hindú.
El futuro de la energía pasa por el hidrógeno. La energía solar debería ser la mejor manera de producir hidrógeno. Para ello hay que implementar una fotosíntesis artificial en células solares. En el congreso de la American Chemical Society (ACS) celebrado en agosto de 2009, un equipo de investigación afirmó haber logrado emular la fotosíntesis en una célula solar gracias a la incorporación de un nuevo catalizador. Por ahora, el proceso es muy ineficiente y no permite fabricar hidrógeno a un precio comercialmente rentable. Sin embargo, el australiano Gerhard Swiegers, miembro del equipo investigador, cree que en unos años dicha eficiencia será mejorada enormemente. Nos lo contó hace un año Robert F. Service, “New Trick for Splitting Water With Sunlight,” Science 325: 1200-1201, 4 September 2009. Quizás convenga que lo recordemos.
En la fotosíntesis las plantas usan la clorofila y otras moléculas para capturar la luz solar y separar el agua en oxígeno e iones de hidrógeno (protones) que la planta utiliza para generar energía química para su uso. Las plantas usan una molécula basada en manganeso como catalizador natural de esta reacción. Esta molécula es muy difícil de sintetizar ya que es muy difícil estabilizar sus átomos de manganeso en su estructura cúbica. El equipo investigador logró sintetizar dicho catalizador hace tres años impregnado en una membrana. Ahora han logrado integrarlo en una célula solar (dye-sensitized solar cell, DSSC). En estas células, la luz solar es captada por una molécula orgánica en la que se excita un electrón que se inyecta a una nanopartícula vecina de dióxido de titanio. Repitiendo este proceso se genera una corriente eléctrica. Este proceso puede utilizar para realizar una hidrólisis del agua si se añade un catalizador adicional, óxido de iridio, que utiliza los electrones excitados en la DSSC para dividir el agua. El gran problema de este procedimiento es que el iridio es un elemento raro y caro, y el catalizador necesita corriente eléctrica para llevar a cabo su tarea de hidrólisis.
La contribución de Swiegers, Dismukes y los investigadores dirigidos por Spiccia es utilizar un catalizador de manganeso en las DSSC para lograr la hidrólisis sin necesidad de corriente eléctrica adicional. El manganeso tiene la ventaja añadida de que es abundante, barato y no es tóxico. La instalación consiste en dos electrodos sumergidos en el agua, separados por una membrana de plástico que permite el paso de protones solo en una dirección. En el ánodo, la luz solar es absorbida por un medio de rutenio, que inyecta electrones excitados en las partículas vecinas de dióxido de titanio; de esta forma los electrones fluyen en el circuito externo. El catalizador de manganeso también absorbe la luz solar, toma los electrones de moléculas de agua y los transfiere a las moléculas orgánicas para restaurar su capacidad de captación de luz. Las moléculas de agua despojadas de electrones se disocian en oxígeno molecular y en protones (iones de hidrógeno). Los protones pasan a través de la membrana de plástico hacia el cátodo, donde se combinan con los electrones del circuito externo, produciendo hidrógeno molecular. La figura que abre esta entrada ilustra el proceso.
Tratar de emular la fotosíntesis en una célula solar parece más complicado que tratar de aprovechar la fotosíntesis en bacterias y tratar de mejorar su eficiencia. Hacerlo por ingeniería genética (la aproximación de la biología de sistemas) se está estudiando desde muchos frentes, pero es difícil lograr mejoras en la eficiencia mucho mayores del 10%. Sin embargo, se pueden obtener mejoras más importantes gracias al acoplamiento de la actividad microbiana con la electricidad producida por células solares. Este enfoque ha sido presentado recientemente en el artículo técnico de Folusho Francis Ajayi, Kyoung-Yeol Kim, Kyu-Jung Chae, Mi-Jin Choi, In Seop Chang, In S. Kim, “Optimization studies of bio-hydrogen production in a coupled microbial electrolysis–dye sensitized solar cell system,” Photochemical & Photobiological Sciences 9: 349-456, 2010.
Se acopla un conjunto de células de hidrólisis basadas en microbios (MEC) con una célula solar sensibilizada con un tinte orgánico (DSSC) propio de la vía metabólica que utilicen los microbios. De esta forma se logra la producción de hidrógeno simultáneamente en todas los MEC cuando la célula solar (DSSC) recibe luz solar. El uso de un catalizador adecuado en el ánodo permite un incremento en la eficiencia para la producción de hidrógeno de los microbios entre un 42% y un 65%. Incluso una iluminación solar de baja intensidad permite que el sistema de producción hidrógeno funcione. Por ahora el problema es que una iluminación solar débil y una intensa conducen al mismo resultado. Ello indica que el sistema se debería poder mejorar mucho. Sobre todo para que una iluminación intensa mejore la producción de hidrógeno más que una débil. Aún así una mejora del 50% en la producción natural de hidrógeno por parte de los microbios es muy grande comparada con la que se obtienen con otros experimentos que no utilizan la inyección de electricidad adicional.
Recordemos la historia. En 1997 se creó una sociedad privada con participación del Instituto Aragonés de Fomento (aprobado por las Cortes de Aragón) llamada Laboratorio del Amplificador de Energía, S.A. (LAESA), presidida por Miguel Ángel Hidalgo, con el objetivo de concretar los proyectos científicos y técnicos que permitiesen la construcción de un prototipo de Rubbiatrón en un plazo breve de tiempo (se hablaba de 6 años) con una potencia mínima de 100 MW. El profesor Juan Antonio Rubio de la Universidad de Zaragoza anunció a bombo y platillo el 27 de abril de 1997 en el Heraldo de Aragón “¡Un prototipo de 100-250 MW en 2002!” Pero el proyecto de LAESA era inviable por muchas razones (la poca madurez científica del proyecto, el elevado coste en plena recesión de la industria nuclear, etc.) y LAESA quebró a finales de 2001, lo que se anunció a la chita callando el 27 de septiembre de 2001 en El Mundo. Ya hacía dos años que no había contactos entre LAESA y Carlo Rubbia. Me parece que Rubbia nunca se tomó en serio que España fuera capaz de lograr con éxito la construcción de un prototipo del Rubbiatrón. Basta recordar sus palabras en la entrevista que le hizo Gérard Chevalier, “Carlo rubbia protons, neutrons, plomb et megawatts,” Entretien, La Recherche 302 (10), 1997 (fue traducida al español en la revista Mundo Científico). GC: ¿España está dispuesta a pagar todo el desarrollo de un prototipo? CR: No. Creo que un programa puramente nacional no tendría sentido hoy en día. España (…) ha expresado su interés, (…) pero en todo caso la operación tendría que ser controlada por Euratom (…) Los españoles nos han ofrecido un lugar, Italia otro, en Francia, Cadarache sería una posibilidad. No es una instalación peligrosa… Poco ilusionado se veía a Rubbia en octubre de 1997 cuando la creación de LAESA ya había sido aprobada.
El 24 de noviembre de 1993, Carlo Rubbia, físico de partículas, Premio Nobel de Física 1984, Director General del CERN desde 1989 a 1993, justo antes de abandonar este último cargo anunció en un rueda de prensa que él, el genio, el Premio Nobel, había logrado encontrar la solución a todos los problemas de la energía nuclear: procesar los residuos radioactivos y obtener energía a partir de ellos por un procedimiento sin riesgo para la proliferación de armas nucleares. Como podéis imaginar todos los medios se hicieron eco. Hoy en día hubiera sido un bombazo en internet, pero en aquel momento la internet estaba dando sus primeros pasos fuera del CERN y muy pocos usábamos con regularidad Mosaic 1.0 (yo lo usaba para acceder a los artículos de ArXiv). Pronto ya tenía página web personal y todo gracias a Ricardo, pero esa es otra historia… (en el Internet Archive – Wayback Machine solo aparece la versión de 1997). Pero volvamos a Carlo Rubbia.
André Gsponer es muy crudo en sus comentarios. “Carlo Rubbia había reinventado el agua caliente. Un tipo de reactor tan antiguo como las propias centrales nucleares actuales. En estos últimos el combustible se mantiene en un estado crítico estable (K=1) que a su vez mantiene en estado estable la reacción en cadena. El “descubrimiento” de Carlo Rubbia fue que la adición de neutrones desde el exterior al combustible puede llevar a una producción neta de energía en un sistema donde el combustible está, en principio, en un estado subcrítico (K <1), que elimina todo riesgo a priori de una explosión nuclear (K > 1). El sistema puede considerarse como un “amplificador” de energía en el que la energía necesaria para la fuente externa de neutrones es amplificada por un factor G=1/(1-K). El valor de G puede ser muy grande si K está muy cerca de 1.”
Carlo Rubia proponía “como fuente exterior de neutrinos un acelerador de partículas. Por ejemplo, los protones pueden producir neutrones por espalación al golpear un material formado por núcleos pesados (como plomo o bismuto). El reactor híbrido de fisión por espalación es uno más de las múltiples propuestas de sistemas nucleares híbridos que aparecen continuamente en todo debate sobre el futuro de la energía nuclear. Se han propuesto también reactores híbridos de fusión termonuclear que aprovechan la espalación.” El gran problema de todas estas propuestas es que K tiene que estar muy próxima a 1. Si por cualquier razón K se hace mayor que 1 (accidente o similar) nos encontraremos con que tenemos un reactor termonuclear de fisión convencional y con todos los problemas que lleva aparejados (residuos nucleares, riesgo de explosión, etc.). Nos cuenta Gsponer que el 09 de diciembre 1993 estos riesgos ya fueron puestos en claro en un artículo en la prestigiosa revista Nucleonics Week (no he encontrado el enlace). El gran problema del Rubbiatrón es la seguridad: si queremos que el amplificador tenga una ganancia G alta necesitamos que el reactor de fisión funcione cerca del punto crítico (K>0’98) y los riesgos se aproximan tanto a los de un reactor convencional que deja de tener sentido esta una nueva tecnología. Para un valor de K<0’95, la ganancia G de energía es tan pequeña que las pérdidas hacen que el sistema no sea económicamente competitivo.
Según Gsponer, Rubbia decidió proponer el uso de torio en lugar de uranio como combustible (no solo para evitar la producción de plutonio) sino como herramienta de márketing para redirigir la atención de los medios, del público general y de los políticos lejos de la energía nuclear de fisión y de la mala prensa que tiene. Su enfoque de reactor híbrido capaz de destruir los residuos nucleares de otros reactores da la impresión de tener todas las ventajas de la energía nuclear y un mínimo molestias. No es así y ya el 21 de noviembre de 1995 en una audiencia parlamentaria del gobierno francés sobre el Rubbiatrón, presidida por Claude Birraux y abierta a la prensa, el público se sorprendió cuando el propio Carlo Rubbia propuso que las aplicaciones más interesantes del Rubbiatrón no eran civiles sino militares (producción de plutonio y tritio). Para el gobierno de EEUU este tipo de iniciativas se consideran “guerra preventiva” y son contrarias al derecho internacional.
Los problemas de seguridad el Rubbiatrón quizás se puedan resolver pero para ello se requieren muchos años de investigación. Por ejemplo, la interfaz entre el acelerador y el reactor es una ventana de tungsteno que separa el vacío del plomo fundido, según cálculos detallados realizados por Jacques Maillard y su estudiante de doctorado Fabienne Bacha puede romperse tras algunas horas debido a la intenso bombardeo por los protones acelerados. El 5 de julio de 2002 se realizó un experimento en laboratorio para confirmarlo y tras 36 horas de irradiación a plena potencia la ventana se rompió (un “incidente” en cuyo estudio intervino personalmente el propio André Gsponer). Obviamente, hay otras opciones para la ventana. Carlo Rubbia incluso llegó a proponer eliminarla (algo parecido a lo que se hace en un reactor nuclear por confinamiento inercial). Pero hacerlo requiere un reanálisis completo de todos los cálculos para evitar todo tipo de problemas de seguridad.
En 2003, según Gsponer, Rubbia ha abandonado por completo la idea del Rubbiatrón y se ha centrado en liderar grandes proyectos de instalaciones científicas (p.ej. el Laboratorio de Gran Sasso, que estudia la desintegración del protón, y su proyecto ICARUS, para el estudio de los neutrinos) y en cargos de carácter más político que científico (p.ej. es asesor científico del CIEMAT, España).
Para Gsponer, el ascenso y la caída del proyecto del amplificador de energía de Carlo Rubbia merece un análisis detallado por parte de los historiadores de la ciencia ya que se trata de un ejemplo ilustrativo de uno de los grandes problemas de la ciencia: un líder puede llevar a muchos colaboradores por un camino equivocado sin tener que rendir cuentas cuando el proyecto fracasa. También puede ser caso de estudio para los sociólogos: un ejemplo de como el prestigio de recibir un Premio Nobel permite que una idea abocada al fracaso tenga una gran repercusión en los medios de comunicación, la política, las grandes instituciones y la sociedad en su conjunto. Para Gsponer, los filtros internos de la ciencia han funcionado en el caso del Rubbiatron (resultados técnicos de algunos científicos aislados contrarios a las opiniones de un Premio Nobel).
El artículo de R. R. Wilson, “Very Big Accelerators as Energy Producers,” ArXiv, 29 Jul 2010, me llamó la atención (Wilson murió en el año 2000, pero el artículo fue escrito en 1976). Pero como apareció comentado en KentuckyFC, “Particle Accelerators Could Work As Power Generators,” The physics arXiv blog, August 09, 2010, pensé que Kanijo seguro que lo traduce al español. Parece que Kanijo está disfrutando de unas merecidas vacaciones. Así que traduciré yo mismo la entrada de Kentucky Fried Chicken.
Los aceleradores de partículas podrían funcionar como generadores de energía
Los aceleradores de partículas podrían generar más energía de la que consumen según ciertos cálculos realizados hace 30 años. Los aceleradores de partículas no son las máquinas más obvias para generar energía. Sin embargo, la idea de que podrían producir más energía de la que consumen no es del todo descabellada, como nos recuerda Robert Rathbun Wilson (4 Marzo 1914 – 16 Enero 2000) uno de los físicos americanos que lideró el Proyecto Manhattan y uno de los mayores impulsores para la creación del Fermilab (Fermi National Laboratory), en Batavia, cerca de Chicago (cuyo acelerador estrella ahora es el Tevatrón), en su artículo “Particle Accelerators Could Work As Power Generators.”
La aparición en 2010 en arXiv de este artículo de 1976 de solo 3 páginas pone de relieve algunas ideas para reflexionar. En aquel momento, Wilson era director del Fermilab (lo fue desde 1967 a 1978) y se estaba construyendo un nuevo acelerador llamado Energy Doubler/Saver, que empleaba imanes superconductores para acelerar un haz de protones de alta energía a lo largo de una circunferencia gigante. Estos protones alcanzarían energías de hasta 1000 GeV. Este acelerador era el primero en el que los imanes superconductes se utilizarían a gran escala. En palabras de Wilson “una de las ventajas de la aplicación de la superconductividad a la construcción de futuros aceleradores es que su consumo de energía se reducirá muchísimo.”
Wilson nos propone imaginarnos que los protones en este acelerador se redirijan hacia un bloque de uranio. Podríamos esperar que cada protón generase en el material una reacción en cadena de unos 60.000 neutrones, la mayoría de los cuales serían absorbidos por los núcleos de uranio para formar átomos de plutonio. En un reactor nuclear convencional, cada átomo de plutonio produce 0’2 GeV de energía por fisión. Así que 60 000 producirían la friolera de 12 000 GeV. Obviamente este cálculo al estilo de la cuenta de la vieja parece tener truco: un solo protón acelerado a 1000 GeV liberaría 12 000 GeV de energía por fisión. Un cálculo más detallado debe tener en cuenta las grandes cantidades de energía que se podrían perder en este proceso. Por ejemplo, se requieren unos 20 MW de potencia eléctrica para lograr que los haces de protones alcancen una potencia de 0’2 MW en el Energy Doubler/Saver. Pero incluso con este tipo de pérdidas, parece que merece la pena estudiar el proceso con más detalle para ver si se puede obtener una producción total de energía positiva. Wilson lo tenía claro: “Probablemente hay mejores formas de producir plutonio, pero parece que sería factible construir un acelerador de protones que produzca más energía de la que consume.”
Hoy en día, 30 años más tarde, la tecnología de imanes superconductores para aceleradores es mucho más avanzada y los aceleradores son aún más eficientes de lo que eran en que en 1976. Quizás sea un buen momento para replantearse de nuevo las ideas de Wilson. No solo para resolver el problema de la producción de energía eléctrica, sino también como fuente de plutonio. Las naves interplanetarias de la NASA, como Galileo y Cassini, utilizan baterías de plutonio, pero obtener plutonio cada día es más caro. El enfoque de Wilson podría ayudar. Sin embargo, siempre que se habla de energía nuclear por fisión aparece el fantasma de la proliferación de armas nucleares. La posibilidad de fabricación de plutonio en gran escala utilizando una tecnología tan vieja como la de los aceleradores de hace 30 años es un problema para que estas ideas de Wilson acaben cuajando. Pero quien sabe. Cuando el hambre (de energía) apremia…
La energía de fusión es el futuro. La energía de fusión siempre está a 25 años vista. ITER es el futuro. ITER continúa a 25 años vista. ITER es un futuro demasiado caro en plena crisis financiera. El diseño original de ITER tuvo que ser modificado, para reducir sus costos. Cosas de la crisis de inicios de 1992. Ahora, la nueva crisis, vuelve a plantear un nuevo rediseño. El 26 de mayo de 2010 a los países de la Unión Europea, que pagarán el 45% del coste del ITER, les empezaron a temblar las piernas. “No siento las piernas,” dicen que dijo Merkel [es broma]. Se estima que el ITER costará 3 veces más de lo que se estimó en 2006. La Unión Europea tiene que aprobar 1400 millones de euros para cubrir su parte del presupuesto de ITER para los años 2012 y 2013. Son 27 estados miembros. Son 27 los que piensan que es demasiado dinero. La crisis pesa. La crisis pesa mucho. Annette Schavan, Ministra Alemana de Educación e Investigación, opina que habrá que rediseñar de nuevo la máquina, una versión menos ambiciosa. El 17 de junio la Unión Europea tiene que dar su última palabra. Si se niegan a pagar su parte, los otros seis países miembros de la colaboración ITER tendrán que tomar una decisión: correr ellos con los gastos o proponer un nuevo rediseño. ITER es el futuro. Siempre ha sido el futuro. ¿Será siempre el futuro? Nos lo cuenta Geoff Brumfiel, “Financial meltdown imperils reactor. Faced with a huge budget shortfall, Europe rethinks future of ITER fusion project,” News, Nature 465: 532-533, 28 May 2010.
¿Qué significa todo esto para la economía mundial, estrechamente vinculada a los combustibles fósiles? Según los autores del artículo, si no se hace algo urgentemente, se avecina una gran crisis económica. Los precios del petróleo fueron importantes en la crisis financiera de 2008 en EE.UU.; además, los países europeos más dependientes del petróleo como fuente de energía primaria son los famosos PIIGS (como nos contó 
