Vapor sobresaturado, rastros de burbujas y contadores Geiger - Primera parte

Una estela es suficiente para localizar un pequeño barco desde el aire. Hasta puede decirnos algo de sus dimensiones y velocidad. Y un rastro de burbujas puede permitirnos visualizar el movimiento de las invisibles partículas subatómicas.

¿Como ver algo tan diminuto que escapa a cualquier microscópico óptico o electrónico? ¿Como conocer la trayectoria de partículas que pueden desplazarse cerca la velocidad de la luz? Este era el problema que tenían los físicos a mediados del siglo XX. Lo cierto es que no era un problema nuevo, pero sus instrumentos estaban limitados para todo lo que querían descubrir. Su mejor herramienta por aquel entonces era la cámara de niebla. La idea básica era sencilla, si buscas detectar algo diminuto utiliza un sistema inestable que pueda cambiar de estado con una cantidad de energía diminuta.

La cámara de niebla mas básica consiste en un recipiente lleno de una mezcla de aire y vapor de agua sobresaturado, es decir con una humedad relativa mayor del cien por cien. Para conseguir esta mezcla se expandía la mezcla en un cilindro con lo que se enfriaba y dejaba el vapor listo para condensarse rápidamente. En la vida real una humedad tan alta provoca condensaciones como el rocío de madrugada.

La genial idea de Charles Thomson Rees Wilson, un físico escocés de principios del siglo XX, fue recordar que los iones también actuaban como excelentes núcleos de condensación. Y la radiación que incidía sobre la mezcla generaba esos iones. Las diminutas gotas de líquido que se formaban a lo largo de la trayectoria de la radiación podían ser fotografiadas lo que permitía detectar la radiación. Y, si además la cámara esta dentro de un campo eléctrico o magnético, las trayectorias eran curvadas por dicho campo por lo que era posible conocer la carga de la radiación incidente. Era un ingenioso invento del siglo XIX que funcionaba estupendamente sin necesidad de sofisticados detectores electrónicos que aun nadie había inventado. E incluso permitía descubrir partículas nuevas como el positrón que aparece en esta foto.




La versión original solo podía utilizarse de manera intermitente ya que era necesario devolver a la cámara a su situación inicial tras un corto espacio de tiempo. Variantes más sofisticadas utilizaban diferentes diseños y vapores de otros elementos para mejorar su funcionamiento y sensibilidad. La última variante, la cámara de niebla por difusión, podía utilizarse de forma continua y aun ahora pueden comprarse modelos como el de la foto como herramientas educativas.



Para mejorar la capacidad de detección era necesario buscar sistemas aun más inestables. En el próximo texto veremos otras dos ideas que nacieron en el siglo XX. Usar burbujas en lugar de gotas o provocar una "avalancha" de electrones.


Categoría: Física

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 cohetes 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

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.





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