La belleza de la ciencia: La mejor ilustración de la unificación electrodébil

Uno de vosotros, Oscar, en este comentario, proponía titular “La belleza de la ciencia” mi entrada “Sin palabras: ATLAS SM H→γγ.” Me he puesto a pensar, ¿qué figura refleja mejor la “belleza de la ciencia” en física de partículas elementales? Mi respuesta es la figura de arriba, la prueba más fehaciente de que la teoría de la unificación electrodébil es correcta. La curva roja es la interacción entre electrones (y positrones) y protones mediada por corrientes cargadas (CC=Charged Current), es decir, los bosones vectoriales W, y la curva azul es la mediada por corrientes neutras (NC=Neutral Current), es decir, el fotón y el bosón Z. La figura ilustra que para energías altas (Q² mayor que la masa del bosón W al cuadrado) es imposible distinguir entre sí (en cuanto a constante de acoplamiento) los cuatro bosones portadores de la interacción electrodébil, el fotón, el Z y los dos W, como predice la teoría de la unificación electrodébil. Más aún, la curva azul muestra a la perfección la indistinguibilidad entre la interacción mediada por el fotón y la mediada por el bosón Z (por supuesto, en el segundo caso se produce un neutrino, ausente en la el primer caso). Esta figura fue obtenida gracias a los datos de las colisiones ep (electrón-protón y positrón-protón) con una energía de hasta 320 GeV en el centro de masas estudiadas entre 1994 y 2007 en los experimentos H1 y ZEUS del colisionador de partículas alemán HERA (Hadron Electron Ring Accelerator) en el sincrotón alemán de electrones (DESY por Deutsches Elektronen-Synchrotron).

Hay muchas fuentes para esta figura; yo la he extraído de la reciente charla de Friederike Januschek, “Electroweak physics and searches at HERA,” Photon 2011, 23 May 2011. Una interesante charla sobre las búsquedas (infructuosas) de nueva física más allá del modelo estándar en los datos de HERA.

La mayoría de los errores de programación en Linux y PostgreSQL se han cometido de madrugada

Las técnicas de minería de datos permiten estudiar a qué hora del día los programadores informáticos de proyectos de código libre (open source) cometen más errores. Un análisis del núcleo (kernel) de Linux y de PostgreSQL ha demostrado que la mayoría de los errores se comete entre las 00:00 y las 04:00 horas; el menor número de errores se comete entre las 07:00 y las 12:00 horas; y no hay correlación con el día de la semana (es falso que el viernes sea el día en el que se cometen más errores). El estudio también ha demostrado que los programadores que desarrollan código todos los días cometen menos errores que los que programan de forma más esporádica. La figura que abre esta entrada muestra el número total de commits (cambios sugeridos) en el código (línea roja) y el número de commits en los que se han detectado errores (histograma en color negro). El número total de commits en el kernel de Linux y en PostgreSQL es  222.332 y 31.098, resp.; de ellos, el 23,7% y el 25,5%, reportan errores (bugs) de código. El análisis de estos últimos mediante minería de datos es lo que ha permitido realizar este estudio. Los desarrolladores de software libre deben recordar estos resultados y deben evitar programar de madrugada las partes más críticas de sus códigos. Además, los autores del estudio recomiendan a los desarrolladores que verifiquen/prueben sus mejoras de medianoche por la mañana (si es posible). El estudio ha sido realizado por los investigadores canadienses de la Universidad de Waterloo llamados Jon Eyolfson, Lin Tan y Patrick Lam, “Do Time of Day and Developer Experience Affect Commit Bugginess?,” 8th Working Conference on Mining Software Repositories, Honolulu, Hawaii, May 21-22, 2011. Visto en Marc Abrahams, “Computer bugs: Born in the wee hours,” Improbable Research, May 22nd, 2011.

Fomentar medidas de ahorro y eficiencia energética es necesario para modificar el modelo energético actual

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