30 mayo 2007

Baterías, incendios y mucha energía

¿Cuál es el inconveniente de una fuente de energía pequeña, portátil y muy potente? Básicamente que ES muy potente.

Nuestros automóviles se mueven mediante pequeñas explosiones controladas. Y que sean controladas no elimina el hecho de que sean explosiones y deban ser limitadas en potencia y frecuencia para evitar daños. Si alguno de los mecanismos de control, por ejemplo la refrigeración, falla podemos acabar con un bloque de metal inservible.

Si un motor se basa en explosiones controladas podríamos decir que una batería eléctrica es una especie de “incendio” controlado. Un incendio es una reacción química entre un combustible como la madera y un comburente que es el oxigeno del aire. En una batería también se produce una reacción química entre dos o más sustancias químicas pero con dos diferencias importantes.

  • La primera es que la energía se libera, al menos parcialmente, en forma de electricidad y no solo como calor, presión o luz. Los diferentes tipos de baterías implican distintas reacciones químicas que pueden ser reversibles como en la batería de plomo de un automóvil o irreversibles como en las pilas alcalinas. Mas potencia e reversibilidad son los dos criterios básicos que han ocasionado una búsqueda permanente de nuevas reacciones químicas. Pero hay otro criterio tan o mas importante.


  • La segunda diferencia es que todos los productos están contenidos en un mismo recipiente. Por eso la estabilidad es un criterio tan importante. Generalmente no es una buena idea tener íntimamente mezclados productos químicos que reaccionan entre si. Una excepción son las pilas, otras podrían ser los Bandera inglesacohetes de combustible sólido (como en la lanzadera espacial) y cualquier tipo de explosivo. Las comparaciones pueden parecen exageradas pero solo porque, en general, todo funciona sin problemas.

El desarrollo técnica ha conseguido dominar reacciones químicas más energéticas pero que implican un riesgo mayor en caso de descontrolarse. Y el error no es una opción. Ni siquiera es suficiente con reducirlo la probabilidad de fallo a una entre un millón, porque con unos cuatro millones de portátiles vendidos al año en España algunos se incendiarían inevitablemente. Así que, si tienes un fallo entre un millón, te toca retirar los portátiles del mercado, como Dell tuvo que hacer hace unos meses. El diseño y fabricación de estos humildes “hornos” sin mantenimiento tiene detrás muchísimo trabajo y mucha ciencia.

Incluso un diseño inicial adecuado no garantiza un uso sin problemas. Por ejemplo, una clásica y fiable batería de plomo puede desprender hidrógeno por una recarga inadecuada. Si se acumula puede provocar un incendio o explosión y extender el ácido sulfúrico que contiene. Otro ejemplo es el exceso de calor lo que puede acelerar las reacciones químicas escapando al control y provocando un autentico incendio como el que sufrieron los portátiles que antes hemos citado.

Como usuarios pedimos constantemente que aumente la potencia y duración de las baterías lo que exige concentrar cada vez más energía en menos espacio. Sin embargo, las leyes de la física y química nos marcan claras limitaciones. Tal vez toque ir pensando en pasarnos a las células de combustible. Al menos basta con cortar el suministro de oxigeno o aire para pararlas.


Categoría: Química


16 mayo 2007

Polvo de estrellas

Por sorprendente que resulte los átomos de nuestros cuerpos se crearon en el interior de una estrella, sometidos a inmensas presiones y enormes temperaturas, que resultan difíciles de comprender para nosotros.

"Todos somos polvo de estrellas", la frase es de Carl Sagan a quien ya sabéis que admiro. Y solo es poesía sino que resume el resultado de varios siglos intentando comprender el funcionamiento de las estrellas y la evolución del universo. Todo empezó en el siglo XIX cuando los científicos empezaron a preguntarse de donde venia la energía del sol. Ninguna reacción química o proceso físico conocido podían proporcionar la energía necesaria durante el tiempo que llevaba existiendo nuestro planeta.

Cuando se descubrió la fusión nuclear se comprendió el proceso que proporcionaba esa inmensa cantidad de energía a partir del hidrógeno. Y, como toda fuente de energía, generaba unos residuos a cambio. De hecho, el calcio de nuestros huesos, el hierro de la hemoglobina, el carbono, nitrógeno y oxigeno de los diferentes tejidos y células que forman nuestros cuerpos no existían al comienzo del universo. En los cinco primeros minutos después de Bing Bang se formaron los primeros átomos, hidrógeno, helio y pequeñas trazas de deuterio y litio (podéis leer mas detalles en La Bella Teoría) Solo una mínima parte de los aproximadamente 115 elementos conocidos. Más tarde aparecieron las primeras estrellas que inicialmente tenían esa misma composición. Desde entonces diversos procesos de fusión, denominados nucleosintesis, han ido generando átomos cada vez mas pesados como el calcio o el hierro a partir de elementos menos masivos. El problema es que las sucesivas reacciones de fusión cada vez aportan menos energía.

energia por nucleon



Por encima del hierro, la fusión nuclear no produce energía sino que la absorbe. Para conseguir elementos más pesados se cree que hay dos procesos principales. Por un lado una supernova, es decir, la explosión de una estrella. La enorme energía liberada es canalizada, solo en parte, hacia la formación de núcleos más pesados. Átomos como el oro de nuestros anillos o el uranio de los reactores nucleares de fisión. Por otro la lenta absorción de neutrones por parte algunos átomos pesados va aumentando aun más su número atómico. Es un proceso lento que dura miles de años y que complementa al anterior.

La suma de ambos métodos nos ha proporcionado anillos de oro, reactores nucleares y, sobre todo, elementos esenciales para la vida como el cobre, el zinc o el yodo. Necesitamos cenizas de estrellas para darnos la vida.

Categoría: Física, Química

02 mayo 2007

Y fueron a la guerra

A finales del siglo XIX los excrementos de pájaro podían ser un recurso estratégico. Y las naciones luchaban por ellos. Tres países, Chile, Perú y Bolivia cambiaron su historia peleando por el guano y el salitre.

Finales del siglo XIX fue un momento de grandes cambios. Se produjo una segunda revolución industrial con un gran desarrollo tecnológico, importantes mejoras en higiene y medicina y, como consecuencia, un notable aumento de la población. Población que tenia que ser alimentada con técnicas agrícolas todavía muy tradicionales.

El guano, básicamente excrementos de ave, era un elemento estratégico por su abundancia en nitrógeno y fósforo que lo convertían en el mejor fertilizante para los cultivos, muy superior al estiércol de otros animales. La demanda era tan inmensa que los Estados Unidos crearon una legislación, Guano Islands Act Bandera inglesa, que permitía a sus ciudadanos tomar posesión “temporal” de cualquier isla, en cualquier lugar del mundo, donde existiesen depósitos de guano. Menos mal que pedía que no estuviese poblada ni bajo la jurisdicción de otros países. Unas cien islas fueron ocupadas incluyendo algunas tan conocidas como las islas Midway.

El Pacifico era la mayor reserva natural, destacando la zona costera y las islas entre Perú y Chile. En algunas zonas el guano, que se acumulaba en capas de hasta 50 metros, era extraído y enviado por barco a explotaciones agrícolas de todo el planeta. Esta riqueza generó conflictos de forma inevitable. Primero España intentó ocupar las islas Chincha en la costa del Perú lo que ocasionó una declaración de guerra de Perú, Chile y Bolivia. Años más tarde, las disputas entre Chile y Bolivia por la explotación de algunas zonas del desierto de Atacama acabaron en una guerra que dejo a Bolivia sin acceso al mar y donde Chile ocupo partes de Perú, aliado de Bolivia incluyendo su capital, Lima.

La demanda de guano solo descendió con el desarrollo nuevas tecnologías. A principios del siglo veinte, las investigaciones de Fritz Haber y Carl Bosch permitieron la síntesis artificial del amoniaco que sirvió de base a numerosos compuestos nitrogenados. Entre ellos, fertilizantes artificiales que no dependían de fuentes naturales para su fabricación.

La gran materia prima actual es el petróleo como anteriormente fueron el carbón, el guano o el salitre. Me gustaría pensar que hemos avanzado un poco y ahora escogeremos invertir en nuevas tecnologías para reducir su consumo y no en armamentos para conseguir más.

Categoria: Química, Historia de la ciencia