El oro solar y otras fuentes de energía

7/30/2019 El oro solar y otras fuentes de energía

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COMITÉ DE SELECCIÓN

Dr. Antonio Alonso

Dr. Juan Ramón de la Fuente

Dr. Jorge Flores

Dr. Leopoldo García-Colín

Dr. Tomás Garza

Dr. Gonzalo Halffter

Dr. Guillermo Haro †

Dr. Jaime Martuscelli

Dr. Héctor Nava Jaimes

Dr. Manuel Peimbert

Dr. Juan José Rivaud

Dr. Emilio Rosenblueth

Dr. José Sarukhán

Dr. Guillermo Soberón

Coordinadora Fundadora:

Física Alejandra Jaidar †

Coordinadora:

María del Carmen Farías



INTRODUCCIÓN

1. LA ENERGÍA ES DELEITE ETERNO1

EN 1881, en la calle Pearl de la ciudad de Nueva York, Thomas Alva Edison, mejor conocido como "el mago deMenlo Park" construyó la que fue, junto con la estación Holborn Viaduct de Londres, la primera planta de potenciapara generar energía eléctrica. La de Edison iluminaba parte de Nueva York mediante una instalación de alumbrado

en paralelo. Antes de esa fecha, si fallaba alguna lámpara, ¡toda la ciudad se quedaba sin luz!, como sucede con lasseries de luces de los arbolitos de Navidad. Actualmente, ¿qué ocurriría si cuando fallara un foco toda la ciudad sequedara sin luz? Ni siquiera lo consideramos como una posibilidad. Conectar la clavija de cualquier aparatoeléctrico nos parece lo más natural. Sin embargo, tener la posibilidad de hacerlo requirió de muchos años, desdeque se descubrieron las leyes de la electricidad y el magnetismo hasta que se construyó la primera planta eléctricade potencia.

Pero, a su vez, la construcción de la primera planta eléctrica necesitó la invención del foco, logro que disputaronThomas A. Edison y Joseph Wilson Swan.

En el debate entre Edison y Swan, decía el primero, refiriéndose a Swan: "Ahí lo tienen. Tan pronto como alguienconsigue hacer algo bueno, no faltan otros tipos que salen con la novedad de que hace años lograron lo mismo."

Swan, quien permaneció callado durante mucho tiempo, escribió en la revista Nature, en enero de 1880:

Hace quince años utilicé cartón y papel carbonizado en la fabricación de una lámpara eléctrica basada en elprincipio de la incandescencia. La hice en forma de herradura, tal como dicen ustedes que la está usando ahorael señor Edison. Entonces no logré obtener la duración que buscaba, pero desde entonces he hecho muchosexperimentos y creo que durante los últimos seis meses conquisté completamente la dificultad que habíacausado mi anterior fracaso; ahora puedo producir una lámpara eléctrica duradera por medio de carbonesincandescentes.

Años después, antes de que se realizara el juicio por la primacía del invento, Swan y Edison se unieron y formaronla compañía Edison and Swan United Electric Company, Ltd. que más tarde se convertiría en la General Electric.

En la época de Edison se producía energía eléctrica para iluminar las ciudades con los primeros focos eléctricos; elproblema fundamental que éstos presentaban era no disponer de un filamento duradero (véase la figura 1).

Figura 1. Diagrama de un foco en el que pueden apreciarse las partes que lo componen.



Según una de las teorías más aceptadas, el petróleo, el gas y el carbón provienen de la descomposición deorganismos vegetales y animales que vivieron hace 300 millones de años y que fueron sepultados bajo el suelomarino y continental. Por otro lado, en las plantas se lleva a cabo la fotosíntesis debido a la acción de los rayossolares y éstas almacenan aproximadamente el 1% de la energía solar recibida. Así, los combustibles fósiles comoel petróleo, el gas y el carbón, la energía que se obtiene de las plantas, árboles, desechos orgánicos y los alimentosque consume el hombre son de origen solar. La energía que las centrales hidroeléctricas aprovechan de los ríos sedebe a la evaporación del agua de los océanos, provocada por el calentamiento de los rayos solares. Posteriormente,al caer el agua desde diferentes alturas, se transforma la energía potencial de los ríos en energía eléctrica. El vientose origina por la diferencia de temperaturas en la atmósfera terrestre, provocada por la forma en que inciden losrayos solares, en combinación con la rotación de la Tierra.

Sin embargo, la energía solar se origina por la fusión de los núcleos atómicos, donde se funden elementos ligeroscomo el hidrógeno y en el proceso se liberan grandes cantidades de energía en forma de calor, que se calculanusando la famosa fórmula de Einstein que proporciona la equivalencia entre masa y energía: E=mc² (donde E es laenergía, m la masa y c la velocidad de la luz); parte de la masa de los núcleos atómicos se transforma en energíacalorífica, que es precisamente la que el Sol nos proporciona en forma de radiación. Por ejemplo, si se unen cuatronúcleos de hidrógeno se forma helio, electrones positivos (positrones), rayos gamma y calor. Si se calcula la masade los productos antes y después de la reacción de fusión nuclear se observará una diferencia o defecto de masafaltante después de la reacción. Debido a que la energía debe conservarse antes y después de la reacción, la masafaltante se transforma en energía calorífica. En el caso de la reacción mencionada, cuando se fusionan cuatronúcleos de hidrógeno se produce un núcleo de helio, neutrinos, positrones, rayos gamma y se liberan 25.7 MeV 2

(megaelectrón-volts) de energía calorífica. Para darse una idea de lo que representa esta cantidad, la fusiónnuclear que tuviera lugar en un pequeño cuarto de dos metros por lado bastaría para producir más energía que elreactor de Laguna Verde.

2. UN ESTUDIANTE CON MUCHA ENERGÍA Y POCA POTENCIA

Cuando inclinamos la cabeza y fijamos la vista para leer estas líneas nuestro cuerpo está empleando 84 kilocaloríaspor cada hora de lectura. Pero esas 84 kilocalorías que empleamos para leer, el cuerpo las debe recuperar mediantenuestra fuente de energía: los alimentos. Un ser humano promedio debe consumir alimentos que le proporcionen 3

000 kilocalorías diarias.3

Pero ahora surge una pregunta: ¿por qué tenemos que recuperar la energía que invertimos en la lectura? Larespuesta no es sencilla; para responderla tuvieron que pasar varios siglos hasta que se descubriera entre 1830 y1850 el principio de la conservación de la energía, que afirma que ésta no se crea ni se destruye, únicamente setransforma, o expresada esta idea en forma general: la energía del Universo se mantiene constante.

Volviendo a nuestro caso, la energía que nos proporcionan los alimentos se transforma en energía utilizable paradesempeñar todas nuestras actividades. Para aquellos que se estén quedando dormidos, sólo mencionaremos que seconsumen 500 kilocalorías durante 8 horas de sueño (alrededor de 1/6 de la energía que necesitamos diariamente),pues el organismo humano requiere cierta cantidad de energía para que todos los órganos trabajen adecuadamente yse lleven a cabo los procesos fisiológicos del organismo (esta cantidad se denomina metabolismo basal ycorresponde a más de la mitad de la energía que consumimos a través de los alimentos).

Antiguamente se creía que podía existir una máquina capaz de moverse indefinidamente y se le denominó móvil omáquina de movimiento perpetuo (véase el recuadro 1). Una máquina cuyo único resultado fuera extraer calor yconvertirlo íntegramente en trabajo sería un móvil perpetuo de segunda clase; es decir, una máquina que efectuaratrabajo sin una fuente externa de energía. Los beneficios que nos reportarían estas máquinas serían invaluables; sinembargo, las leyes de la termodinámica se han encargado de demostrar que su construcción es imposible.

Recuadro 1



Sin embargo, si tenemos cuando menos dos fuentes de calor a diferentes temperaturas sí es posible transformarcalor en trabajo a través de un proceso cíclico que se denomina ciclo de Carnot. Es a través de este proceso cíclicocomo funcionan todos los motores de combustión interna, en particular los de los automóviles.

Hoy se sabe, gracias a la primera ley de la termodinámica, que es imposible que exista una máquina de movimientoperpetuo (véase la figura 2). En el caso del cuerpo humano, el equivalente de la máquina perpetua del primer tiposería creer que nuestro organismo es capaz de realizar cualquier actividad sin ingerir nunca un solo alimento.

Figura 2. Cadena de Stevinus de Brujas. En esta figura se observa un plano inclinado que tiene una cadenacon balines. Como de A a B hay cuatro balines y de B a C hay dos, se podrían pensar que los cuatro balinesdel lado izquierdo jalaran a los dos que hay en el lado derecho, por simple diferencia de pesos. Si a estoañadimos que la cadena es continua, entonces se moverá indefinidamente; con ello se tendría una máquinade movimiento perpetuo. Afortunadamente, Simon Stevinus descartó dicha posibilidad y señaló que lacadena quedaría en equilibrio.

Sin embargo, existe otro problema: los alimentos que consumimos proporcionan más energía de la que empleamospara desempeñar nuestras actividades. ¿Dónde queda la energía sobrante que nos proporcionan los alimentos? ¿No

habíamos señalado que la energía se conserva? Efectivamente, pero cuando efectuamos un trabajo muscular, partede la energía se pierde en forma de calor y si los alimentos tienen grasa, una parte se acumula en las llantitas denuestro cuerpo (véase el cuadro I que muestra la energía de algunos alimentos).

CUADRO I. Energía de los alimentos (en kilojoules).

kJ(por cada 100 g del alimento)

Arroz blanco 1,522.9

Espaguetis crudos 1,543.8

Harina de maíz (sin germen) 1,518.7

Harina de trigo suave 1,522.9Maíz de grano 1,510.4

Palomitas 1,615.0

Pan blanco de trigo 1,284.4

Pan de centeno 1,092.0

Pan integral de trigo 1,196.6

Papas 313.8

Plátano 510.4

Garbanzo 1,522.9

Chícharo 1,410.0



Vaca 1,020.8

Pavo 1,121.3

Tocino 2,604.9

Atún 1,204.9

Camarón 359.8

Ostión 184.0

Filete de Pescado 376.5

Fuente: OMS, 1987.

El interior del cuerpo debe tener una temperatura constante de aproximadamente 37ºC. Para ello, el sudor actúacomo un termostato, es decir, controla la temperatura del cuerpo para que ésta permanezca sin cambio; prueba deesto es el sudor que acompaña a la fiebre.

Los alimentos que ingerimos se transforman en energía química utilizable por reacciones de oxidación; es decir, eloxígeno que respiramos se emplea para transformar los alimentos en energía química. La energía química, a su vez,se transforma en energía mecánica cuando movemos algún músculo, pero parte de la energía química se pierdeinevitablemente en forma de calor. Los músculos esqueléticos tienen cuando mucho una eficiencia del 20%, lo cualquiere decir que el 80% restante se pierde en el ambiente. Debe mencionarse también que los desechos queproducimos contienen energía almacenada que no aprovechó el cuerpo, lo cual no significa que otros organismosno la puedan aprovechar (incluido el hombre). De hecho, el abono es un excelente nutriente para el crecimiento delas plantas y también de éste se puede obtener gas metano para cocinar.

Por lo tanto, la energía que consumimos en los alimentos sí se conserva. Únicamente tenemos que considerar laenergía química que no se transforma en movimiento de nuestros músculos y que se pierde irreversiblemente en elambiente que nos rodea (véase el cuadro II).

CUADRO II. Consumo de energía en diversas actividades cotidianas.

kJ (Kilojoules)

Dormir 4.52

Sentarse 5.82

Pararse 7.32

Caminar 15.50

Trabajar sentado en la oficina 7.5

Cocinar 8.8

Limpieza moderada 18.0

Fuente: OMS, 1987

Muchas actividades humanas requieren grandes esfuerzos corporales; por esto, es deseable que las máquinasrealicen el trabajo pesado, para dejar al hombre las tareas más creativas. Sin embargo, la conservación de la energíanuevamente hace su aparición. Para que las máquinas realicen trabajo se requiere una fuente de energía, uncombustible que, al igual que los alimentos, provea la energía necesaria para realizarlo. El desgaste físico y eltiempo que se necesita para ir caminando de la ciudad de México a Cuernavaca es enorme si se compara con lo quese consume cuando se hace el viaje en camión (aunque lo que pagamos por el camión hubiera alcanzado parainvitarle un refresco a cada pasajero en Tres Marías si hiciéramos el viaje a pie). La gran ventaja del camión es queel motor realiza el trabajo, en lugar de nuestro cuerpo; además, la potencia que desarrolla el camión, es decir, laenergía por unidad de tiempo, es mayor que la de nuestro cuerpo.



Denis Papin y la olla express. Cuando el físico francés Denis Papin presentó suinvento de la olla express ante la Real Sociedad de Londres, la olla estallófrente a los distinguidos miembros. Posteriormente, solicitó otra demostración,dado que ahora la olla poseía una válvula de seguridad; sin embargo, todos losmiembros se opusieron a la nueva demostración, temerosos de salir sin vida,dado el peligro potencial que representaba el invento. La única excepción fue ladel presidente, el físico Robert Boyle, quien permitió la demostración, siempre

y cuando se efectuara ante un número razonable de personas.

Ahora, si se trata de una máquina que transforma combustible en calor o que evita el uso de calor, la máquinapuede ser 100% eficiente. En la turbina de una presa, la eficiencia puede llegar a 90%, al igual que la de unacaldera grande de una central termoeléctrica; la eficiencia de un generador eléctrico puede ser de 98% y laeficiencia de una estufa de cocina es de 85% aproximadamente.

Supongamos que un estudiante con mucha energía dedica 8 400 kilocalorías a leer este libro. A primera vista nossorprendería toda la energía que le ha dedicado; sin embargo, es necesario saber cuánto tiempo le dedicó a estatarea. Cuando nos enteramos que leyó todo en 840 horas, es decir, un poco mas de un mes, resulta que sólo empleó10 kilocalorías diarias, en promedio, para leer. Si comparamos esta cantidad con las 84 kilocalorías que senecesitan para leer durante una hora, el estudiante leyó alrededor de siete minutos diarios. Éste es precisamente elcaso de un estudiante con mucha energía y poca potencia.

Un buen lector podría leer cinco horas diarias, y así leería todo el libro en dos días y utilizaría tan sólo 840kilocalorías. Así podría leer 10 libros como éste y emplear las mismas 8 400 kilocalorías.

Por lo tanto, cuando se habla de energéticos, y en particular de las centrales de energía, es muy importante conocerno sólo cuánta energía se produce, sino la rapidez con la que se produce dicha energía; la energía por unidad de

tiempo. Lo mejor, por lo tanto, es desarrollar mucha potencia.Si ahora regresamos al ejemplo de la energía empleada en la lectura, se había dicho que se utilizan 84 kilocaloríaspor cada hora de lectura, pero ¿no sería deseable que fueran 84 kilocalorías por cada dos horas? Así podríamos leermás y comer menos. Desgraciadamente, un hombre no puede hacer esto... pero una máquina sí. Aunque la máquinano entiende lo que lee.

El tiempo es fundamental en el trabajo que realiza una máquina y por esto se introdujo el concepto de potencia, quese define como la rapidez con la que se realiza un trabajo o como la energía por unidad de tiempo. Si en una casaempleamos un foco de 100 watts de potencia, la compañía de luz nos cobra la energía, que es igual a la potenciamultiplicada por el tiempo; es decir, tendremos que pagar determinada cantidad por 100 watts-hora = 0.1 kilowatts-hora (kWh) por cada hora que prendamos el foco. Si lo usamos dos horas cobrará 0.2 kWh.

Si en lugar de un foco de 100 watts usamos uno de 60 watts, la cuenta será de 0.06 kWh por cada hora que estéprendido. Al de dos horas la compañía de luz nos cobrará 0.12 kWh. Por lo tanto, cuanto menor sea la potencia delos aparatos que se utilicen, o menor el tiempo que permanezcan encendidos, menor será la cuenta de luz.

Los medidores de luz que se encuentran instalados en todas las casas-habitación miden el consumo diario deenergía en kilowatts-hora. Por ejemplo, un departamento amplio consume diariamente alrededor de 5 kWh.

Las plantas o centrales de energía eléctrica deben ser de mucha potencia para poder satisfacer en todo momento lasnecesidades de todas las casas. Así, la producción de electricidad depende de la demanda de la población que tieneque satisfacerse.

En el Sistema Internacional de Unidades la energía se mide en joules; sin embargo, como es una unidad muy



pequeña, para medir el consumo de energía doméstica se emplea otra unidad, tal vez más conocida: el kilowatt-hora, abreviado kWh (1 kilowatt-hora =3 600 000 joules). Otra unidad que se mencionó anteriormente es lakilocaloría; 1 kilocaloría = 4 186.8 joules. También se utiliza frecuentemente el BTU (British Thermal Units) con lasiguiente equivalencia: 1 BTU =1/9.478X10-4 joules.

La unidad de potencia es el watt (véase el recuadro 4) y sus múltiplos: el kilowatt, el megawatt, el gigawatt y elterawatt, abreviados W, kW, MW, GW y TW, respectivamente. Un watt equivale a un joule/segundo, o en formaabreviada 1W = 1J/s. En el cuadro III aparecen las unidades de energía y potencia, cómo se abrevian y suequivalencia. Y en el cuadro IV están los múltiplos y submúltiplos que se utilizan como prefijos en todas lasunidades.

Recuadro 4

Sociedad inglesa de lunáticos. Durante la segunda mitad del siglo XVIII existíaen Birmingham, Inglaterra, una sociedad llamada Sociedad Lunar, porque susmiembros se reunían el primer lunes posterior a la Luna llena. A la asociaciónde lunáticos, como se les llamó, pertenecían: James Watt, Erasmus Darwin,Matthew Boulton, John Wilkinson y William Small, entre otros.

CUADRO III. Unidades de energía: conversión.

1 joule = 1 watt·segundo = 1 newton·metro =

1 kilogramo·metro2 / segundo2

1 J = 1 W·s = 1 N·m = 1 kg·m2 /s2

= 6.242 x 1018 eV (electrón-volt)

= 6.242 x 1012 MeV (megaelectrón-volt)

= 107 ergs= 0.2388 cal (calorías)

= 2.778 x 10-7 kW·h (kilowatts-hora)

= 9.478 x 10-4 BTU (British Thermal Units)

= 3.725 x 10-7 hp·h (horse power-hora)

= 0.7376 ft·lbf (pies·libras fuerza)

Unidades de Potencia: Conversión

1 watt = 1 joule/segundo = 1 kilogramo·metro2 /segundo3

1 W = 1 J/s = 1 kg·m2 /s3

= 0.001 kW (kilowatts)

= 6.242 x 1018 eV/s (electrón-volt/segundo)

= 0.001341 hp (Horse Power)

= 3413 BTU/h (British Thermal Units/hora)

CUADRO IV. Múltiplos y submúltiplos.



ota 2]

2. 1 MeV = 1.6022 x 10-13



ota 3]

3. Comúnmente se menciona en las dietas que se requieren 3 000 calorías, aunque lo correcto es 3 000 kilocalorías;es decir, 3 millones de calorías. Una caloría es la cantidad de calor que se necesita para elevar de 14 a 15 gradosCelsius un gramo de agua a la presión atmosférica. 1 caloría = 4.185 joules.



I. EL HILO DORADO: LA ENERGÍA SOLAR

Al golpe del oro solar,estalla en astillas,el vidrio del mar.J.J. Tablada

I. 1. INTRODUCCIÓN

DURANTE siglos, tanto el hombre como los demás seres vivos han aprovechado la energía solar, no sólo como unaopción energética sino como fuente de vida, pues sin esa estrella no habría vida en la Tierra. El cuerpo humanoproduce vitamina D cuando los rayos ultravioleta provenientes del Sol llegan a la piel. La vitamina D es esencialpara el crecimiento de los huesos. Nuestro organismo, como necesita alimentos, depende indirectamente de laenergía solar, pues ésta es indispensable para que se lleven a cabo las reacciones de la fotosíntesis. De hecho, lasplantas pueden almacenar 1% de la radiación solar que les llega. Debido a que todos los seres vivos se alimentan

unos de otros, formando una gran cadena alimenticia, toda la flora y la fauna terrestre vive gracias alaprovechamiento directo o indirecto de la energía solar. Prueba de esto es que más de 90% del material orgánicoque permite la vida marina, llamado fitoplancton, se halla precisamente en aquellas capas del océano donde llega laluz del Sol.

Sin embargo, tal parece que no sabemos aprovechar las ventajas que nos brinda la naturaleza. ¿Cómo sería la vidasin el Sol? La respuesta inmediata es: no habría vida. El invierno nuclear sería poca cosa comparado con un planetaque no recibiera la energía solar.

Si queremos mantener las condiciones naturales de vida es necesario que no alteremos mucho el medio, puesdichos cambios pueden volverse en nuestra contra. Entre los casos más conocidos se encuentran los dañosprovocados por las explosiones nucleares, los materiales no degradables, los contaminantes químicos, los desechos

industriales, los cambios en la capa de ozono de nuestra atmósfera, etcétera. Pero esos daños, de los cuales nosmantiene al tanto la ecología, no preocupaban a los hombres del pasado.

¿Hasta qué punto el avance tecnológico se convierte, en algunos casos, en retroceso? La respuesta a esta preguntadepende de muchos factores y mejor la dejaremos abierta, pues aunque por un lado los avances tecnológicos hanpermitido mejorar las condiciones de vida de la población en general, también han acentuado la pobreza de algunospaíses. La dependencia tecnológica y la imposición de modelos técnicos importados ocasionan saltos tecnológicoscon grandes huecos y deficiencias. Si se quiere satisfacer la demanda de energía que requiere cada habitante delplaneta es indispensable buscar fuentes de energía que se puedan mantener a largo plazo. Esa necesidad existe ydebe satisfacerse; es necesario solucionar problemas como el pronóstico sobre el agotamiento del petróleo, quecomenzara a sentirse a mediados del siglo XXI, cuando las reservas de crudo serán insuficientes para satisfacer lademanda mundial.

La acción de una fuente de energía prácticamente inagotable como el Sol se aprecia en muchos fenómenoscotidianos. Si dejamos una manguera expuesta a los rayos solares, al abrir la llave, el agua saldrá en un principiocaliente. De hecho, éste es el sistema que emplean los australianos para facilitar el trabajo de lavar los platosdespués de comer. Otro ejemplo muy conocido es cuando intentamos sentarnos en los asientos de plástico negro deun automóvil que ha estado expuesto a la luz del Sol. ¿Cuántas veces se ha quemado usted?

Un experimento sencillo pero ilustrativo para observar el aprovechamiento de la energía solar consiste enconcentrar los rayos del Sol en un punto para producir fuego. Esto lo podemos hacer con una lupa, cuando notengamos a mano cerillos. El punto donde se concentran los rayos de luz se llama foco de la lupa. Pero elexperimento podría hacerse más interesante si utilizáramos una lupa de hielo; de esta forma estaríamos produciendofuego a partir del agua.



En las últimas décadas, la energía solar ha cobrado importancia como fuente energética, puesto que las reservas decombustibles fósiles no son eternas. Esto ha ocasionado que, por ejemplo, sean parecidos los precios de uncalentador solar y de uno de gas, lo que no sucedía hace 60 años. Así, con respecto a los costos, los sistemas solaresson cada vez más baratos, con la gran ventaja de que el combustible, la luz del Sol, aparece todas las mañanas sincobrar.

Debe quedar claro que la energía solar no constituye ninguna panacea universal de la cual los hombres obtendrántodo lo que necesitan. La energía solar contribuye modestamente como otra posibilidad energética y no se trata dedefenderla a ultranza como la única fuente de energía. Un planteamiento realista sería considerarla seriamentecomo una opción energética con sus deficiencias tecnológicas, sus desventajas económicas actuales y sus ventajas alargo plazo.

En nuestro país, que posee regiones con el promedio mundial de insolación o soleamiento anual más alto, elaprovechamiento de la energía solar constituye, sin lugar a dudas, una buena opción. El que esta fuente de energíasea rentable depende de las investigaciones que se realicen, de los recursos económicos destinados a su estudio ydel interés que se preste a su desarrollo. Por lo pronto, ya satisface las necesidades energéticas de muchasviviendas, se ha empleado en algunas comunidades que carecen de electricidad y también se han construido algunasplantas de prueba. Pese a lo anterior, actualmente la energía solar no contribuye con ningún porcentaje al consumoenergético nacional, aunque ya empieza a contar y es deseable impulsarla.

I.2. UN FOCO CELESTE

El Sol es una estrella común y corriente. Esto quiere decir que en el Universo existen millones de estrellas comoésta. Sin embargo, aquéllas se localizan a miles de millones de kilómetros de nuestro planeta y por esta razón, paranosotros no son más que débiles puntos de luz en el firmamento. La estrella más cercana a la Tierra es el Sol, quese encuentra a 149 450 000 km de distancia; nuestra estrella tiene un diámetro de 1 391 000 km, aunque paranosotros no es más que un plato amarillo de unos cuantos centímetros de diámetro. Tiene una masa de 2 X 1030 kilogramos (un dos con treinta ceros), cifra difícil de imaginar para nosotros, que estamos acostumbrados a lasmasas de los objetos terrestres, pero es 333 veces más pesado que la Tierra.

El núcleo del Sol tiene una temperatura de 15 millones de grados Celsius y ésta va disminuyendo hasta llegar a lasuperficie solar, donde la temperatura promedio es de 5 770ºC, más que suficiente para derretir un automóvil.

En el interior del Sol, como en todas las estrellas, se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear. En este tipo dereacciones se unen los núcleos de átomos ligeros, como el hidrógeno y el helio, para formar átomos más pesados yen el proceso se liberan grandes cantidades de energía; la energía que nos envía el Sol es, por lo tanto, de origennuclear. Dos núcleos de deuterio (isótopo del hidrógeno) se fusionan y transforman en helio; los núcleos de helio,en carbono, y así sucesivamente hasta constituir elementos cada vez más pesados. Actualmente, el Sol estácompuesto de 73.46% de hidrógeno y 24.85% de helio (el resto son elementos más pesados).

Durante las reacciones nucleares, parte de la masa de las partículas que intervienen se convierte en energía, la cualse puede calcular empleando la fórmula de Einstein E=mc&178; (donde E equivale a la energía, m a la masa y c ala velocidad de la luz, que es igual a 300 000 km/s). De esta forma, el Sol irradia la energía proveniente de la fusiónde los núcleos atómicos que lo componen y como lo hace en todas direcciones, una parte nos llega a la Tierra. El

Sol existe desde hace 4 600 millones de años y se cree que seguirá viviendo durante un periodo similar; por lotanto, para cualquier fin práctico, el Sol es una fuente inagotable de energía.

La radiación que emite el Sol en todas direcciones, producto de las reacciones nucleares, corresponde a una partedel llamado espectro electromagnético. Cada cuerpo, según sus características intrínsecas, emite un patrón deradiación electromagnética (una forma de radiación característica) que puede identificarse en el espectroelectromagnético. En la figura 8 pueden apreciarse las diferentes formas de radiación electromagnética, quedependen de la cantidad de energía que ésta posea. Para nosotros la más común es la luz visible, pero también losrayos X o los rayos infrarrojos constituyen otras formas de radiación electromagnética.



T - periodo = tiempo en que la onda completa un ciclo

v - frecuencia = = número de ciclos por segundo

λ - longitud de onda = distancia que hay al completar

un ciclo o entre cresta y cresta

o entre valle y valleC - λv

C - Velocidad de la luz = 300 000 km/s.

λ - longitud de la onda de luz

v - frecuencia de la onda de luz

Figura 4. Características físicas de una onda de luz.

El tipo de radiación electromagnética dependerá de las características físicas que posean los fotones. La energía

contenida en los rayos del Sol se calcula a partir de la fórmula de Planck, E= hv, donde E es la energía de losfotones, h es la constante de Planck, que equivale a 6.625 x 10-34 Js, y la letra griega v es la frecuencia a la queoscilan los fotones o la frecuencia de las ondas de luz.

De esta fórmula se desprende que hay fotones que poseen gran cantidad de energía (como los rayos gamma) y otrosque son menos energéticos (los rayos infrarrojos, por ejemplo). Esto se traduce en que hay fotones que ni siquierapueden atravesar la atmósfera terrestre, mientras que otros cruzan los tejidos blandos del cuerpo y chocanúnicamente con los huesos: estos últimos constituyen los rayos X, que se utilizan para tomar radiografías.

Una característica común que comparten todos los fotones es que viajan a una velocidad constante en el vacío: a lavelocidad de la luz, que es la más alta que existe en el Universo. Una propiedad curiosa de estas partículas es queun fotón en reposo tiene una masa igual a cero.

A pesar de que la velocidad de la luz es muy grande, un rayo del Sol tarda aproximadamente ocho minutos enllegar a la Tierra. En la vida cotidiana, sin embargo, la luz de un foco parece que nos llega instantáneamente. (Porejemplo, la luz de un foco colocado a 1 m de distancia, tarda 0.33X10-8 s.)

Los rayos que provienen del Sol traen consigo fotones de características diferentes (rayos gamma, rayosultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos y ondas de radio) y estos constituyen el espectro del Sol.

En la figura 5 puede apreciarse cómo gran parte de la radiación solar (el 90% aproximadamente) está constituidapor rayos infrarrojos y luz visible.



XVII por el naturalista suizo Horace de Saussure. Éste consistía en una caja perfectamente sellada con varias capasde vidrio. Los astrónomos J. Herschel y J. Langley, así como el ingeniero C. Tellier también fabricaron varioscolectores, en los cuales trataron de perfeccionar el diseño de Saussure.

En el siglo XIX, el clérigo escocés Robert Stirling construyó un motor de aire caliente con un pistón que,acoplado a un espejo parabólico, empezaba a girar cuando los rayos solares se concentraban en el extremo exteriordel pistón y se alcanzaba una temperatura adecuada. Otro gran pionero de la energía solar fue el inventor suecoJohn Ericsson, quien también construyó un motor de aire caliente. El interés de Ericsson por la energía solar lollevó a instalar un laboratorio dedicado a la investigación solar en la ciudad de Nueva York. En 1868 diseñó unespejo rectangular de 2X3.5 m de sección parabólica y sobre la línea focal de la parábola colocó un tubo por el que

circulaba aire; al concentrar los rayos solares en la línea focal, el aire se calentaba y proporcionaba el calornecesario para que trabajara una máquina de vapor. Ericsson había construido un motor solar. Además, diseñóvarios instrumentos para medir la radiación y otras propiedades físicas del Sol, útiles para el aprovechamiento deeste tipo de energía. Un detalle curioso es que Ericsson no quiso patentar ni comercializar sus motores solares hastaque no se hubieran perfeccionado, por lo cual dejó muchos inventos sin patente.

En 1860, con el apoyo de Napoleón III, Augusto Mouchot construyó un colector solar en forma de cono truncadode 2.2 m de diámetro, que se utilizó primero en una caldera y posteriormente en una planta para bombear agua. Enla Exposición Mundial de París, celebrada en 1878, Mouchot exhibió una estufa solar y un motor solar queempleaba su colector. También en la Exposición Mundial que se realizó en el Palacio de las Tullerías, Mouchot yAbel Pifre llevaron un motor solar integrado a la prensa de una imprenta. Más tarde, en esta imprenta se editaría larevista Le Journal du Soleil.

Hasta entonces se había probado que cualquier máquina térmica podía funcionar mediante la energía solar; sinembargo, ¿podía convertirse directamente esta energía en electricidad?

En 1839, Edmund Becquerel (abuelo de Henry Becquerel, el descubridor de la radiactividad natural) mientrastrabajaba con celdas electrolíticas observó que al iluminar uno de los electrodos se producía un voltaje y así descubrió el efecto fotovoltaico, es decir, la conversión directa de luz en electricidad. Cincuenta años después, W.Smith encontró que el selenio (elemento derivado del mineral de cobre) tenía propiedades fotovoltaicas; CharlesFritts construyó las primeras celdas solares de selenio, y en 1878 G. W. Adams y R. E. Day observaron el efectofotovoltaico en un semiconductor de selenio. En 1905, Albert Einstein, partiendo del concepto de cuanto, propuestoen 1900 por Max Planck, propuso que la luz está compuesta de cuantos o paquetes de energía y explicósatisfactoriamente otro efecto, llamado fotoeléctrico, que se presenta en los metales. Con esto, se daban las bases

que llevarían a Niels Bohr, Max Born, Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Edwin Schrödinger, P.A.M. Dirac yWolfang Pauli, entre otros, a establecer alrededor de 1930 la mecánica cuántica. En el efecto fotoeléctrico, cuandola luz llega a metales como el platino o el cesio, los electrones pueden empezar a moverse, y si los fotones de losrayos de luz tienen frecuencias y energía apropiadas, hacen saltar a los electrones de la superficie iluminada y segenera una corriente eléctrica.

Sin embargo, durante muchos años nadie se ocupó de mejorar las celdas solares. Tuvieron que pasar casi ochentaaños para que Gordon Pearson, Darryl Chapin y Calvin Fuller, investigadores de los Laboratorios Telefónicos Bell,utilizaran silicio con impurezas en lugar de selenio para fabricar las celdas solares como una solución para teneruna fuente de energía en las instalaciones telefónicas de las áreas rurales. Así surgieron las primeras celdas solaresque tenían una eficiencia de 15%. Una de las desventajas era su costo, que las hacía inaccesibles. Por esto, cuandose empezaban a olvidar las celdas solares, a la NASA se le ocurrió que la fuente más indicada para los satélites

espaciales serían las celdas solares y dedicó mucho tiempo y dinero para perfeccionarlas y producirlas. Las celdassolares están constituidas de una unión de materiales semiconductores tipo n y tipo p, en las que se presenta elefecto fotovoltaico.

La primera aplicación a mediana escala de la energía solar se dio en una planta desalinizadora, construida en eldesierto de Atacama, en Las Salinas, Chile. Ésta tenía un área de captación de media hectárea; proporcionaba 20mil litros de agua potable al día para una mina de nitrato de sodio y funcionó ininterrumpidamente de 1872 a 1912.

A principios de este siglo se construyeron varias plantas solares de baja potencia. En 1913, Franck Shuman y C. V.Boys hicieron una máquina termosolar de 50 caballos de vapor, que se usaba en la planta de El Cairo, para extraeragua del río Nilo e irrigar la zona.



A pesar de estas contribuciones, durante la primera mitad del siglo XX, el aprovechamiento de la energía solarpermaneció en el desván del olvido debido a que, entre otras razones, los dispositivos solares no podían competircon las máquinas que empleaban combustibles fósiles como el petróleo, el gas y el carbón.

En 1949 las actividades en torno al aprovechamiento de la energía solar empezaron nuevamente a prosperar. Seconstruyó el primer gran horno solar en Mont Louis, cerca de Odeillo, Francia, bajo la dirección de Félix Trombe yen la década de los años sesenta se fabricó el famoso horno solar de Odeillo, que aprovechaba la fachada de unedificio para formar un gran espejo parabólico para concentrar los rayos solares en otra construcción cercana. En elfoco de esta original construcción se alcanzan temperaturas de 4 000º C.

En Natick, Massachusetts se construyó en la década de los cincuenta un espejo de grandes dimensiones queconcentra los rayos solares en el foco de la parábola y que alcanza temperaturas de 4 400º C, suficiente para derretiracero. En este espejo se hacen pruebas de calor para conocer las resistencias de diversos materiales destinados aproteger al ejército estadounidense. En Baristow, California, se tiene una planta con 1 800 espejos que concentranel calor del Sol en una torre central de 90 m de altura. Ahí, un fluido como el agua, el aceite o las sales fundidas seemplea para producir vapor de agua y mover un turbogenerador. La central solar de Baristow produce 10 MW(megawatts). En Francia se encuentra la central electrosolar Themis, que genera 2.5 MW. Esta planta tiene 201heliostatos o espejos de 53 m² orientados a una torre de 101 m que en la parte superior posee una caldera en la quese funden sales, mismas que se aprovechan para generar vapor, como se había mencionado anteriormente, yproducir energía eléctrica. Las sales tienen la ventaja de que almacenan el calor. Finalmente, el Instituto deIngeniería de la UNAM tiene una pequeña planta solar con colectores cilíndrico-parabólicos que siguen elmovimiento del Sol, con una capacidad de 10 a 15 kilowatts; en esta planta se emplea aceite como fluido de trabajo

para calentar agua y producir vapor.

I.4 ¡O SOLE MIO!

Antes de tratar lo referente al aprovechamiento de la energía solar se deben entender algunos conceptosfundamentales; en primer lugar, ¿qué se entiende por energía?

La energía puede definirse como la capacidad que tiene un cuerpo o sistema de realizar trabajo; entendido esteúltimo como producto de la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo, multiplicada por la distancia que se recorreaplicando dicha fuerza. Esta relación se expresa matemáticamente de la siguiente manera: W = F·d (donde W =

trabajo, F = fuerza y d = distancia). Dicha definición de trabajo sólo es válida cuando la fuerza aplicada y ladistancia recorrida están en la misma dirección; cuando no es así, el trabajo es igual al producto de la componente oproyección de la fuerza sobre la dirección en la que se mueve el objeto por la distancia recorrida. Matemáticamenteesto equivale a W = F·d·cos θ (donde θ es el ángulo que forman la fuerza con la dirección de movimiento delobjeto).

Si elevamos a una persona que pesa 60 kg en condiciones ideales (esto es, sin fricción) a una altura de 10 m, yaplicamos la fuerza en la misma dirección en la que movemos a la persona, el trabajo realizado será: W F·d = m·g·d= (60) (9.8) (10)= 5 800 joules (donde m es la masa y g la aceleración de la gravedad, que en nuestro planeta esigual a 9.8 m/s²).

Por tanto, para elevar a una persona con una masa de 60 kg a una altura de 10 m se necesita una energía de 5 880

joules. Pero si quisiéramos elevarla a una altura de 20 m se necesitaría el doble de energía para realizar ese trabajo.En nuestro ejemplo, el trabajo lo realiza una persona; sin embargo, el desarrollo de la tecnología ha permitido quesea una máquina la que lo lleve a cabo. Primero fue una carreta y un caballo, después el ferrocarril, el automóvil, elcamión, el avión, etcétera. El desarrollo tecnológico ha permitido que el hombre descargue cada vez más trabajo enlas máquinas; sin embargo, al igual que el hombre, las máquinas requieren de una fuente que proporcione la energíanecesaria para realizar cualquier tipo de trabajo. En el ser humano, la fuente de energía son los alimentos; en elcaso de las máquinas existen diferentes fuentes de energía, entre las que se encuentra el Sol.

Está claro que el hombre y cualquier máquina requieren de una fuente de energía para realizar cualquier trabajo.Sin embargo, la eficiencia con la que se realiza éste nunca podrá ser de 100%, dado que la naturaleza ha impuestosu ley: todo sistema que realice un trabajo siempre tendrá pérdidas de energía calorífica, que se manifiestan de

diversas formas: por ejemplo, la fricción de las ruedas en el pavimento, el rozamiento de un pistón en un motor, la



Si medimos el ángulo que forman los trópicos de Cáncer y de Capricornio con respecto al ecuador, desde el centrode la Tierra, el primero será de + 23.45º y el segundo de - 23.45º. Esta inclinación del eje de la Tierra con respectoal plano de la eclíptica es lo que ocasiona fundamentalmente las estaciones y, por lo tanto, la cantidad de radiaciónque recibimos del Sol, en cada caso.

En el solsticio de invierno, el 21 de diciembre4, los rayos solares llegan al Hemisferio Norte durante menostiempo, porque es el día más corto del año, y el Sol se encuentra al mediodía en el punto más bajo del cielo; enconsecuencia, en el día el soleamiento es mínimo. En el Hemisferio Sur ocurre lo contrario. Posteriormente, el 21de marzo, en el equinoccio de primavera, cuando el día y la noche duran lo mismo, el soleamiento es igual en

ambos hemisferios y el Sol al mediodía cae verticalmente sobre el ecuador, pero el eje de rotación de la Tierraforma un ángulo de 23.45º con respecto a la perpendicular del plano de la eclíptica y, por lo tanto, este planoimaginario corta a la Tierra formando un ángulo también de 23.45º respecto al ecuador. En el solsticio de verano,que ocurre el 22 de junio, los rayos solares llegan al Hemisferio Norte durante más tiempo, porque es el día máslargo del año y el Sol alcanza el punto más alto en el cielo; éste es el caso México. Por lo tanto, en el HemisferioNorte en ese día ocurre el soleamiento máximo. En el Hemisferio Sur ocurre lo opuesto. Finalmente, el 22 o 23 deseptiembre, en el equinoccio de otoño, se repite la misma situación que en el equinoccio de primavera, día y nocheduran lo mismo en ambos hemisferios y el soleamiento es intermedio entre los puntos máximo y mínimo (solsticiosde verano e invierno en el Hemisferio Norte, o al contrario en el Sur) y el eje de la Tierra forma un ángulo de -23.45º con respecto al ecuador. En la figura 7 se muestra en forma gráfica cada uno de los cuatro casos.

Figura 7. Radiación solar durante los solsticios y los equinoccios.

Para comprender mejor cómo llegan los rayos solares en los equinoccios y los solsticios, en la figura 8 se muestra

la trayectoria aparente del Sol en las cuatro situaciones, vista desde la latitud de la ciudad de México o de Colima.



Figura 8. Trayectoria del Sol desde una latitud de 16º N como la de la ciudad de México o la de Colima,durante los solsticios y los equinoccios. (Tomado de: Everardo Hernández et al., Atlas de la República

Mexicana, Universidad Veracruzana, 1991.)

Cuando los rayos de Sol llegan perpendicularmente a una superficie es cuando puede aprovecharse la mayorcantidad de radiación; por eso, la cantidad de radiación que recibe nuestro planeta depende de la inclinación de losrayos solares.

La radiación que llega a la Tierra es variable y dichos cambios deben conocerse para saber la cantidad de radiaciónque puede aprovecharse en cada lugar del planeta. En otras palabras, la radiación solar no es constante sino quecambia según las estaciones del año, las condiciones atmosféricas y la latitud de cada región.

Pese a lo anterior, para todo fin práctico se considera que en el límite superior de nuestra atmósfera llega unacantidad de radiación promedio por unidad de tiempo por cada m², que se denomina constante solar. El valor deesta constante es igual a 1 367 watts/m². Esto quiere decir que en el borde de la atmósfera, a cada m² le llegan 1 367watts de potencia solar. Si consideramos la mitad de la superficie de la Tierra (debido a la noche) se tendría unaenergía de 1.7 X 1017 watts-hora cada 60 minutos de Sol, cantidad muy superior a la energía eléctrica que se generaen todo el mundo a lo largo de un año (7 X 1015 Wh). Sin embargo, la atmósfera y la eficiencia de los sistemassolares ocasionan que esta cantidad sea mucho menor (2.16 X 1020 Wh/ año).

La Tierra tiene una atmósfera cuyo límite se fija convencionalmente a 2 000 km de altura sobre la superficie y estácompuesta de las siguientes capas: troposfera, estratosfera, ionosfera y exosfera. Ésta funciona como un graninvernadero, que guarda parte del calor proveniente del Sol; el efecto de invernadero permite que la temperaturaterrestre no sea la de un témpano de hielo. Sin embargo, el efecto invernadero también puede provocar uncalentamiento global del planeta, lo cual ocasionaría daños ecológicos. Para entenderlo se debe mencionar quecuando la radiación llega a un objeto, éste la absorbe y a su vez emite una radiación en forma de ondaselectromagnéticas que no necesariamente tiene la misma longitud de onda.

El Sol emite una radiación caracterizada por el espectro solar. Esa radiación es absorbida por el sistema atmósfera-Tierra. Dicho sistema atmósfera-Tierra se calienta y a su vez emite una radiación de características diferentes a laabsorbida.

A pequeña escala, si los rayos solares llegan a un invernadero, el vidrio o los vidrios dejan pasar la longitud deonda corta, y el suelo y las plantas absorben esa radiación, pero, a su vez, emiten una radiación de longitud de ondalarga. Esta radiación de onda larga no puede salir porque el vidrio no deja pasar esa radiación. Así, como el calorno puede salir se eleva la temperatura en el interior del invernadero. En nuestra atmósfera ocurre un efecto similar.

Para saber cuál es la cantidad de radiación que llega a la superficie de nuestro planeta y no sólo a la frontera de laatmósfera, debe hacerse un análisis global de los diferentes procesos físicos y químicos que tienen lugar desde quela radiación solar atraviesa la atmósfera hasta que llega a la superficie terrestre. Este proceso global se llamabalance energético de la radiación solar.



En la figura 12 se muestran algunos de los sistemas y dispositivos solares más utilizados de acuerdo con laclasificación anterior.

Figura 12. Diferentes dispositivos y tipos de sistemas solares.

1.6. COLECTORES PLANOS Y TUBULARES

El calor se transmite siempre de los cuerpos calientes a los fríos, y nunca de manera inversa. Existen tres formas detransmitir el calor: por radiación, por convección y por conducción.

Para comprender mejor las diferentes formas de transmisión del calor, veamos un ejemplo cotidiano. Si tomamos elSol en la playa y pasan algunas horas observamos que nuestra piel se quemó; el Sol emite energía radiante

compuesta de fotones u ondas electromagnéticas. Dicha radiación atraviesa la atmósfera y llega —en un díadespejado al nivel del mar— a la superficie como 4% de rayos ultravioleta, 46% de radiación visible y 50% derayos infrarrojos. Cualquier cuerpo al que le llegue radiación tiene la propiedad de absorberla, produciendo calorque a su vez ocasiona que se eleve la temperatura. Volviendo al caso de nuestro cuerpo, éste absorbe la radiaciónsolar y una de las formas en que ésta se manifiesta es en los rayos ultravioleta que queman la piel. Si noslevantamos rápidamente, huyendo del calor excesivo, notaremos que una brisa nos refresca un poco. Los vientos seoriginan por las diferencias de temperatura que existen entre distintas capas de la atmósfera y por la rotación de laTierra, y así se crean corrientes de aire llamadas de convección, a través de las cuales el calor se distribuye en laatmósfera terrestre. La transmisión por convección ocurre también en líquidos, por ejemplo cuando hervimos agua.

Por lo tanto, si seguimos con el ejemplo anterior, nuestro cuerpo (que está más caliente) habrá transmitido parte desu calor a la corriente de convección de la brisa y como resultado final percibimos menos calor. Si caminamos

descalzos sobre la arena nos percataremos rápidamente de la conducción del calor: tendremos que correr para noquemarnos las plantas de los pies, debido a la transmisión de calor por conducción de la arena a nuestros pies.

En los sistemas solares fototérmicos se deben aprovechar al máximo estas formas de transmisión de calor o, vistode otra manera, tienen que evitarse las pérdidas de calor por estas tres formas de transmisión.

Entre los sistemas que convierten la energía solar en calor aprovechable se encuentran los colectores planos ytubulares, que se utilizan principalmente para el calentamiento de agua o aire.

El principio general de funcionamiento de un colector es el llamado efecto invernadero; aquí hay que recalcar quenuestra atmósfera opera como un gran invernadero. Como se dijo anteriormente, cuando la luz pasa a través de unao varias capas de vidrio u otro material transparente se transmite la radiación que tiene una longitud de onda corta.Si en el interior de un sistema con un vidrio perfectamente aislado del exterior se coloca un material pintado de



negro (el color que absorbe mayor cantidad de radiación) para que absorba al máximo la radiación, el materialabsorberá la radiación solar, se calentará y se elevará la temperatura; posteriormente, ese material emitirá a su vezradiación de longitud de onda larga, como los rayos infrarrojos lejanos a la parte visible del espectro. La radiación

emitida dependerá de la temperatura que posea el material.6 Pero como la radiación es ahora de longitud deonda larga no podrá atravesar la capa de vidrio, quedará atrapada en el interior y, en consecuencia, provocará que laparte interna del colector esté a una temperatura más elevada que el exterior, tal y como sucede al entrar a uninvernadero.

Si en el interior de una caja, con uno de sus lados de vidrio, se coloca una serie de tubos que conduzcan

adecuadamente el calor y por los que circule agua, se obtendrá agua calentada por el Sol.Asimismo, el color que poseen los objetos está directamente relacionado con la absorción, reflexión y transmisiónde la radiación solar. Por ejemplo, las hojas son verdes porque de todos los rayos que reciben, únicamente reflejanaquellos cuya longitud de onda corresponde al color verde; el resto de radiación visible que tiene otras longitudesde onda es absorbida por la hoja. Una hoja de papel blanco, en cambio, refleja la radiación de todas las longitudesde onda que le llegan y por eso la vemos blanca. En contraposición con el blanco, el color negro absorbe todas laslongitudes de onda.

En la Parte I del Libro III de la Óptica, Newton se refiere a dicho fenómeno como sigue: "¿Acaso la luz noengendra calor en los cuerpos negros con mayor facilidad que con los de otros colores, debido a que al incidir sobreellos no se refleja hacia afuera, sino que, penetrando en ellos, se refracta y refleja muchas veces en su interior hastaque se absorbe y pierde? [se refiere a la emisión de calor]".

La combinación del efecto invernadero, la absorción de radiación de los objetos negros y el aislamiento para evitarlas pérdidas de calor constituyen los principios físicos fundamentales para comprender el funcionamiento de uncolector plano o tubular.

Existen tres tipos de colectores: planos, tubulares y de concentración. Los colectores planos funcionan a bajastemperaturas, entre 80 y 60ºC, y se utilizan principalmente para calentar o enfriar agua y aire en las casas, perotambién para secar granos, obtener agua potable, en albercas, lavanderías, baños públicos, embotelladoras,refrigeración, etcétera. Los colectores planos tienen una eficiencia del 40 al 65% y hasta ahora son los dispositivossolares más desarrollados y utilizados en el mundo. Sin embargo, para obtener temperaturas más altas, entre 60 y165ºC, se utilizan los colectores tubulares. Éstos consisten en dos o tres tubos, dos interiores de metal y unoexterior de vidrio, generalmente concéntricos. Entre el tubo de vidrio y el tubo metálico externo, que debe ser negro(y puede ser de cobre) se hace el vacío (véase figura 13), ya que la forma tubular permite que los tubos soportengrandes presiones, así como captar la mayor cantidad de radiación solar. Debe señalarse que se hace el vacío parareducir las pérdidas de calor por conducción y convección, con lo cual se consiguen temperaturas más elevadas. Elresultado final es que en los colectores tubulares la pérdida de calor por convección y conducción se reduceconsiderablemente, la temperatura de operación aumenta y su eficiencia real oscila entre 60 y 70%. Los colectoresplanos y tubulares tienen la ventaja de que funcionan tanto con radiación difusa como directa. Los colectores deconcentración, por su parte, reúnen la radiación solar en un punto o una línea y permiten alcanzar altastemperaturas; pueden estar fijos o seguir el movimiento del Sol (éstos se describirán más adelante).



Figura 13. Colectores tubulares.

I.7. EL CALENTADOR SOLAR

Tal vez la aplicación más sencilla y económica que tienen los colectores planos sea el calentador solar con tanquede almacenamiento.

Los colectores planos deben orientarse hacia el sur en el Hemisferio Norte (como es el caso de México). A partir decálculos complejos de la radiación máxima que recibe una superficie inclinada, en los que intervienenconsideraciones teóricas y empíricas, la máxima captación de un colector plano se logra cuando el ángulo deinclinación es aproximadamente igual a la latitud geográfica del lugar. Esto permite lograr una incidencia máximaen todas las épocas del año. En el caso de la ciudad de México, un colector debe tener una inclinación de 19º. Unasegunda aproximación demuestra que en verano la inclinación del colector debe ser igual a la latitud del lugarmenos 10º y, en invierno, la latitud del lugar más 10º. Para la capital esto equivale a 9º en verano y 29º en invierno.

Para construir un colector plano puede usarse una caja de aluminio anodizado (para reducir costos, la tapa posteriorde la caja puede ser de aluminio común). La caja del colector debe tener una superficie aproximada de 1.5 m² y 10cm de espesor (véase la figura 14).



Figura 14. Colector plano para un calentador solar.

La tapa superior del colector, por donde llegan los rayos solares, puede ser de vidrio o de fibra de vidrio y tener unasegunda capa de vidrio, colocada aproximadamente a 7.5 cm de la base. La caja debe estar perfectamente selladapara evitar pérdidas de calor y el deterioro de los materiales, y tener dos salidas de agua. En el interior lleva unalámina con tubos soldados pintados de negro (por ejemplo, cromo negro electrodepositado sobre un recubrimientode níquel) para que absorba y transmita la mayor cantidad de radiación. Los tubos pueden ser de cobre y debenestar uniformemente repartidos en forma de peine para que circule el agua por toda el área del colector.

La siguiente capa debe ser aislante (espuma de poliuretano rígida, por ejemplo) para impedir que el calor fluyahacia la parte posterior del colector.

Hasta ahora se ha descrito una parte del calentador, la otra es el sistema de almacenamiento. Como el Sol es unafuente de energía intermitente, se requiere un tanque para que el calentador solar dé servicio continuo. La ventajade los colectores planos es que funcionan con la radiación difusa, esto es, incluso cuando el cielo está nublado,aunque obviamente la potencia disminuye

Como sistema de almacenamiento de un calentador solar sencillo puede utilizarse un tanque cilíndrico de acero conuna capacidad aproximada de 200 litros. El tanque debe colocarse arriba del colector (con 1 m de altura dediferencia para fines prácticos); debe tener dos salidas y dos entradas de agua, para que dos de ellas vayan alcolector y el flujo de agua viaje continuamente debido al efecto de termosifón.

El tanque tiene dos tubos en la parte superior; por uno entra el agua fría, que va hasta el fondo del mismo, y por elotro sale el agua caliente. Como el agua fría es más densa que la caliente, al llegar a la parte inferior del colector, yque es donde se calienta, tenderá a subir para salir y almacenarse en el tanque. Este ciclo se realiza sin necesidad debombear agua debido al efecto termosifón antes mencionado. La diferencia de densidad entre las capas de aguacrea una fuerza que induce una corriente, la cual hace que el agua circule continuamente (véase figura 14).

Con un colector solar de este tipo pueden calentarse 200 litros de agua a una temperatura de 30 a 60º C;incorporado a una vivienda puede resolver el abastecimiento de agua caliente y su costo, para cuatro personas, esde aproximadamente 350 nuevos pesos (además, no hay que olvidar el ahorro de gas).

Existen otros tipos de colectores planos que tienen otros diseños y sistemas de almacenamiento, en algunos casosmás eficientes, pero más costosos y complejos.

1.8. EL SOL EN UN PUNTO O EN UNA LÍNEA

Cuando se desea calentar a temperaturas elevadas un líquido, sólido o gas se emplean los llamados colectores deconcentración, que aprovechan la radiación solar directa. Para lograr un aprovechamiento máximo, estos colectoresdeben tener un mecanismo que les permita seguir el movimiento del Sol a lo largo del día, con el objeto de que seamayor la intensidad de la radiación. Esto se puede lograr manualmente o con un pequeño motor unido al colector.Este tipo de colectores se denomina de seguimiento.

Existen también los colectores estáticos que, aunque poseen una forma geométrica más adecuada para que

permanezcan inmóviles, son menos eficientes (véase figuras 15 y 16).



Figura 15. Colectores solares de concentración con seguimiento del Sol. (Tomado y adaptado de Alonso C., Ay Rodríguez V., L., Alternativas energeticas, FCE-CONACYT, México, 1985.)

Figura 16. Colectores solares de concentración estáticos o sin seguimiento del Sol. (Tomado y adaptado deAlonso C., A y Rodríguez V., L., Alternativas energeticas, FCE-CONACYT, México, 1985.)

En las figuras 15 y 16 se muestran algunas de las formas típicas de ambos tipos de colectores.



Los rayos solares se concentran en un punto o a lo largo de una línea, dependiendo de la forma que tenga elcolector. Si utilizamos una lupa para concentrar la luz del Sol, se observa fácilmente que a cierta distancia, llamadadistancia focal, los rayos solares se concentran en un punto denominado foco de la lente. Si en ese punto colocamospor ejemplo, un trocito de papel celofán, éste arderá rápidamente. Pero si en lugar de una lupa, usamos un espejocóncavo cuya forma sea un paraboloide de revolución (véase la figura 17), se logra también la concentración de losrayos solares en un punto, con la gran ventaja de que es mucho más económico hacer un espejo cóncavo que unalente. Comúnmente se utilizan acrílicos aluminizados por electrodepositado. Estos colectores tienen una eficienciade 40 a 60% y cuando son de pequeñas dimensiones alcanzan temperaturas de 100 a 300ºC.

Figura 17. Espejo cóncavo en forma de paraboloide de revolución. Éste concentra los rayos solares en unpunto y puede alcanzar temperaturas elevadas.

Las antenas parabólicas instaladas en las azoteas de algunas casas tienen la forma de paraboloide de revolución. Así

que dichas antenas también podrían utilizarse como bases para hornos solares, siempre y cuando tuvieran un espejo(y tal vez serían más útiles).

Para concentrar los rayos solares en una línea pueden emplearse varias configuraciones de espejos. La más comúnes un cilindro parabólico y el casquete de esfera (véase la figura 18).



Figura 18. Concentración de los rayos solares en una línea.

Los colectores de concentración tienen diversas aplicaciones, entre las que se encuentran las estufas o cocinassolares. Basta colocar el sartén en el foco del espejo concentrador para preparar cualquier platillo y calcular que lacurvatura del colector sea la adecuada para que el punto donde se concentran los rayos solares no esté alejado delcolector. Aquí debe aclararse que como el Sol no es un punto, en realidad se trata de una zona alrededor del focodel espejo, en la cual la temperatura es máxima. Los colectores de concentración pueden emplearse como hornossolares, para fundir cualquier material o adaptarse a un motor Stirling para el bombeo de agua o en la ventilación.En regiones con insolación intensa pueden emplearse a mediana escala para la generación de energía eléctrica enplantas de potencia de 1 a 100 MW.

La cantidad de energía captada en el colector depende del tamaño de la superficie expuesta a los rayos del Sol,mientras mayor sea la superficie de captación la temperatura focal será más alta. Los heliostatos se utilizan paraaprovechar una gran extensión. Éstos consisten en un espejo cóncavo, formado por muchos espejos planos, en cuyocentro hay una torre central, en la cual se concentra la energía solar. Dichos colectores pueden estar fijos o puedeser que cada uno de los espejos que constituyen el heliostato tenga un motor programado para seguir el movimientoaparente del Sol (véase la figura 19).



Figura 19. Heliostatos. Conjunto de espejos que concentran los rayos solares en una o varias líneas o en unazona pequeña. Con los heliostatos se consiguen temperaturas muy elevadas y se pueden utilizar para generarenergía eléctrica.

I.9. ESTANQUES SOLARES

El aprovechamiento del calor solar a través de estanques con agua salada se originó en 1901 cuando A. V.Kalecsinsky se percató de que en el lago de Medve, en Hungría, la temperatura que alcanzaba el agua en verano auna proflindidad de 1.32 m era de 72ºC; más que suficiente para un buen baño de agua caliente.

El mismo fenómeno ocurre en diferentes lagos del mundo. En México existen varios estanques solares naturales,entre los que se encuentran los de Guerrero Negro y Texcoco. En 1954, en Israel se empezó a experimentar conestanques solares artificiales para aprovechar el calor solar almacenado en el fondo (los pioneros fueron RudolphBroch y Harry Tabor) y la experiencia israelí culminó en el año de 1979 con la construcción de la primera plantatermoeléctrica que utiliza un estanque solar y tiene una potencia de 150 kW.

Los estanques solares son depósitos de agua con sal, en los cuales la concentración de esta última aumenta con laprofundidad. Este fenómeno se presenta en forma natural, debido a que la sal del agua, por ser más densa, tiende airse al fondo del estanque. Si se tienen tres capas de agua con diferentes concentraciones de sal, ocurre lo siguiente:los rayos solares calientan la capa superficial, pero como ésta se encuentra en contacto con el ambiente, sutemperatura dependerá de la temperatura del ambiente en las distintas épocas del año; en la segunda capa, que tieneuna mayor concentración de sal, la temperatura aumentará gradualmente, y en la tercera y más profunda, donde la

concentración de sal es más alta, la temperatura será igual a la máxima temperatura de la segunda capa, con la grandiferencia de que será muy superior a la temperatura ambiente y permanecerá más o menos constante. Las salestienen la propiedad de almacenar el calor. Por esta razón, la capa más profunda del estanque tiene una temperaturamayor. En consecuencia, aparentemente la densidad tendría que ser menor. Si calentamos agua común habráevaporación, convección y radiación y al cabo de un tiempo el agua cederá su calor al medio. En un estanque solar,la primera capa tiene sal en una concentración constante; en la segunda, la concentración de sales aumentagradualmente o, en términos científicos, se establece un gradiente de sales, y al cambiar la temperatura también sepresenta un gradiente de temperatura, cuyo máximo valor ocurre en la tercera capa En esta última, el gradiente desales ocasiona que la densidad sea mayor que en la segunda y con ello se evita la convección de calor, lo cualocasionaría que el agua se enfriara rápidamente. Por eso, la única pérdida de calor entre las capas es por conducciónde calor y como ésta es lenta, la temperatura de la capa profunda es elevada (véase la figura 20). Así, en el lagoMedve de Hungría, se llegan a alcanzar en forma natural temperaturas de 72ºC.



Figura 20. Diagrama de un estanque solar. En A se tiene una concentración de sal constante. Cuando se estáa una profundidad entre 40 y 110 cm, la concentración de sal empieza a aumentar linealmente y en la capa C

es donde la concentración de sal es más alta.

Otro tipo de estanque solar que sí permite la conducción del calor por convección en todas las capas de agua u otrolíquido se puede construir empleando un material que sea a la vez transparente y aislante para que no hayatransferencia de calor a la superficie que está en contacto con el ambiente. Este sistema se utiliza en las albercas,para mantener el agua templada. Con frecuencia se emplea un plástico grueso con burbujas de aire que cubrecompletamente la superficie de la alberca.

1.10. CELDAS SOLARES

Las celdas solares convierten directamente la luz solar en electricidad, debido al efecto fotovoltaico. La luz estácompuesta de fotones con diferentes energías. Cuando un fotón con energía suficiente choca con un átomo de algúnmaterial, por ejemplo el silicio, el átomo absorbe la energía del fotón y un electrón del material queda en un estadoexcitado por la energía absorbida, lo que permite, en algunos casos, que se mueva libremente. Si en lugar de unoson varios los electrones que circulan libremente, puede producirse una corriente eléctrica bajo ciertas condicionesy, por lo tanto, generarse electricidad a partir de energía solar.

Para imaginarnos cómo es un átomo supongamos que el núcleo de éste es el Sol y los planetas son los electronesque giran a su alrededor. Para comprender lo que ocurre cuando llega un fotón, pensemos que éste es un cometa. Siel cometa choca con Plutón, a nivel atómico este último adquiriría una energía que le permitiría salir del SistemaSolar. La regla del mundo atómico establecería que todos los planetas únicamente pueden estar en la órbita dealgunos otros pero no permanecer en estados intermedios. Si un planeta pasa a una órbita inferior producirá un

cometa y si éste choca con un planeta, este último pasará a la órbita inmediata superior. Por lo tanto, si queremosproducir un efecto cometo-planetario, es decir, una corriente de planetas, siguiendo las reglas del mundo atómico,se necesitaría que los cometas poseyeran la energía suficiente para que los planetas salieran del Sistema Solar.

Para producir el efecto fotovoltaico se utilizan materiales semiconductores, es decir, aquellos que no son buenosconductores de la electricidad, como el cobre y la plata, y que tampoco sean buenos aislantes, como el corcho o lacerámica. Un ejemplo de semiconductor son los materiales que se emplean en los transistores que posee cualquierradio. El silicio, por ejemplo, es un material semiconductor.

En los materiales semiconductores existe una región que separa a la banda de valencia, en la cual los electronesestán ligados al núcleo atómico, de la banda de conducción, en la que los electrones pueden circular libremente.Dicha región se denomina banda prohibida. En los materiales aislantes ésta es mayor de 5 eV (electrón-volt) y enlos semiconductores, como el silicio es de 1.1 eV. Para lograr la conducción se requiere que los electrones de la



banda de valencia pasen a la de conducción, y una forma de lograrlo es que los fotones de los rayos solaresproporcionen la energía que se requiere para que los electrones salten la banda prohibida.

Si a un material semiconductor se le introduce una pequeña proporción de otro material, lo cual se denomina unaimpureza, se puede conseguir que se tenga un electrón de más o de menos en la banda prohibida. Si esto ocurrecerca de la banda de conducción, el material se denomina tipo n (por negativo). Y si el electrón de más o de menosestá cerca de la banda de valencia, el material se llama tipo p (por positivo).

Al juntar un semiconductor tipo n con uno tipo p, se presenta el efecto fotovoltaico, es decir, habrá un flujo dehuecos (falta de electrones) hacia el lado del semiconductor n y uno de electrones hacia el lado del semiconductor

p. Los fotones provenientes del Sol llegan a la celda solar y la radiación absorbida generará electrones en la bandade conducción y huecos en la de valencia. Con ello, se generará una corriente eléctrica del lado p al n y habrá unvoltaje. De esta forma, si se conecta una resistencia entre los dos electrodos (positivo y negativo) se presentará unflujo de corriente.

En resumen, cada celda solar tiene tres capas y dos electrodos (véase la figura 21). La capa que está expuesta al Soldebe aprovechar al máximo la radiación solar por unidad de área y por esta razón el electrodo negativo estáformado por pequeñas tiritas de un material conductor. Las celdas de unión p-n se descubrieron en 1954, en losLaboratorios Telefónicos Bell de Estados Unidos y se utilizaron como una fuente de energía en los teléfonosrurales, y posteriormente se emplearon para cubrir las necesidades de energía eléctrica de los satélites artificiales,aunque el principio de operación lo descubrieron Adams y Day en 1878, utilizando selenio, y las primeras celdaslas construyó Charles Fritts, en 1879.

Figura 21. Esquema de una celda solar. Al unir un material semiconductor tipo n con uno tipo p e iluminarlo

con fotones de enería adecuada, provenientes del Sol, se producen en la banda prohibida (la que está entre labanda de valencia y la de conducción) pares electrón-hueco que generan una corriente eléctrica.

Las celdas solares tienen la ventaja de aprovechar tanto la radiación directa como la difusa, poseen una larga vida yconvierten directamente la energía solar en electricidad. Por otro lado, no se han usado ampliamente porque hastaahora son demasiado costosas y, por lo tanto, no pueden competir con otras fuentes de energía como el petróleo y elgas. Además, su eficiencia de operación es baja, normalmente de 10%. Sin embargo, desde el descubrimiento de lasceldas de silicio amorfo hidrogenado, en los últimos años han disminuido considerablemente los costos, aunque laeficiencia máxima (8%) que se obtiene con este material es menor que la que se consigue con otros. En el cuadro Vaparecen algunos materiales con los que están hechas las celdas solares que se fabrican o se estudian en México,sus eficiencias máximas y el área de captación de cada una de ellas.

CUADRO V. Materiales de algunas celdas solares: eficiencia y área



Eficiencia máxima (%) Área (cm2)

Silicio amorfo 8 0.04

Sulfuro de cadmio 10 1.00

Silicio monocristalino 18 2.00

Silicio policristalino 7-14 2-3

Arsenuro de galio 22 0.10

Teluro de cadmio 8-9 0.02

Como cada celda genera corrientes entre 10 y 40 miliamperes (mA) por cm² y voltajes de 0.4 a 1 volt, se tienen queunir varias celdas en serie o en paralelo, para formar páneles con potencias de 2 a 60 watts-pico que sean útiles parasatisfacer diferentes necesidades de energía eléctrica; éstos deben estar cubiertos para evitar el deterioro. Mediantela unión de varios páneles puede abarcarse una área adecuada para satisfacer cierta demanda y, al igual que en loscolectores planos, las celdas deben orientarse hacia el sur, con una inclinación adecuada.

Por ejemplo, si se quiere tener una potencia de 100 watts, se requerirían 120 V (volts) y 0.8 A (amperes). Para ello,se necesitaría un panel que tuviera 300 celdas solares en serie (0.4x300=120 V) y 20 celdas solares colocadas en

paralelo (0.040x20=0.8 A).

I.11. Y EN LAS NOCHES, ¿QUÉ?

Hasta ahora se han mencionado varios sistemas que convierten la energía solar en calor o en electricidad, peronuestro planeta gira sobre su propio eje en un ciclo de 24 horas y, en consecuencia, cuando anochece no puedeaprovecharse la energía solar. Si nuestras necesidades de energía pudieran satisfacerse durante el día no habríaningún problema; sin embargo, nuestras costumbres vampirescas nos han hecho depender cada vez más de la luzartificial, a tal grado en las ciudades resulta caótica la falta de electricidad durante la noche. Las necesidades delconsumo de energía están dirigidas cada vez más a que las personas realicen sus actividades a cualquier hora deldía. Aunque debe recalcarse que la demanda de energía siempre será mayor durante el día.

Como nuestro planeta no recibe la luz del Sol a todas horas, se dice que la energía solar es una fuente intermitente,dado que no es posible aprovechar la radiación solar en forma continua.

Para resolver este problema se ha propuesto utilizar los sistemas de almacenamiento de energía, de tal forma que laenergía que no se consume cuando hay Sol se guarde en un sistema de almacenamiento para utilizarla durante lanoche. Así se lograría tener energía en forma continua, pero a cambio aumentaría el costo de los dispositivossolares ya que se necesitarían sistemas que almacenen la energía.

Existen dos tipos de sistemas de almacenamiento de energía: los químicos y los físicos.

En el apartado IX de la segunda parte se describen los sistemas de almacenamiento de energía.

I.12. LA INVESTIGACIÓN SOLAR EN MÉXICO

Nuestro país tiene algunas regiones (Sonora y Baja California) con el promedio de radiación más alto del planeta.Estas zonas coinciden con los desiertos que se hallan alrededor de los trópicos de Cáncer y de Capricornio, y enellas pueden construirse centrales de energía solar para satisfacer la demanda que requiere nuestro país. Además,como en las zonas desérticas el suelo es poco productivo y el clima contribuye a que no se habiten, son las másapropiadas para construir plantas solares de varias decenas de megawatts de potencia.

Hoy en día, la energía solar no contribuye significativamente a satisfacer las necesidades nacionales de energía.



Según algunas fuentes, en 1985 el petróleo y el gas natural ocupaban el primer lugar, con el 90.46% del total de lademanda de energía. En segundo lugar se encontraba la biomasa, con el 4.6%; la energía hidroeléctrica contribuíacon el 3.3%; después seguía el carbón, con el 1.5% y, finalmente, la energía geotérmica con el 0.2%. Por otro lado,cabe mencionar que más de 20% de la población rural no tiene acceso a la energía eléctrica.

El promedio diario de energía solar que llega a la República Mexicana es 5.5 kWh/m². La utilización de la energíasolar se ha probado con éxito como alternativa para satisfacer las necesidades de electricidad en las comunidadesrurales. También se ha usado ampliamente en la vivienda. Cabe destacar el hecho de que una casa puede serautosuficiente, en lo que respecta al consumo externo de energía, si se emplean algunos dispositivos solares y si laarquitectura de la vivienda está diseñada para que el clima esté controlado naturalmente con diversos sistemas

solares llamados pasivos. De lo anterior se desprende que el uso de la energía solar contribuye a eliminar nuestradependencia de los energéticos y a la descentralización energética.

Las dos principales desventajas del uso de la energía solar son, en primer lugar, el costo elevado de los sistemassolares, en comparación con los convencionales y, en segundo lugar, el mantenimiento de los sistemas solares. Esnecesario crear sistemas de almacenamiento de energía solar que sean poco costosos, sencillos, eficientes yduraderos.

Sin embargo, estas desventajas pueden ser controladas por la investigación básica y aplicada que se realice enMéxico. En el cuadro VI se resume la investigación solar que se lleva a cabo en nuestro país. El futuro de la energíasolar depende de estas investigaciones; por mencionar sólo un ejemplo del avance logrado, en los últimos seis añosel costo de las celdas solares ha disminuido en un factor de diez.

CUADRO VI. Investigación solar en México.

Sistema Lugar donde se investiga

Colectores planos

Instituto de Ingeniería de la UNAM, Instituto dde Investigaciones

en Materiales de la UNAM7 , Instituto Politécnico Nacional;Instituto dde Investigaciones Eléctricas; varias universidades einstitutos en toda la República; fábricas de calentadores solaresen el D.F., Guadalajara, Cuernavaca y Sinaloa, CFE y laSecretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos.

Colectores evacuados Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM.

Colectores de concentraciónInstituto de Ingeniería de la UNAM e Instituto de InvestigacionesEléctricas.

Estanques solaresInstituto de Investigaciones Eléctricas (en Palmira, Morelos);Sosa-Texcoco;Fertimex e Instituto de Ingeniería de la UNAM.

Celdas solaresInstituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM, Centrode Investigación y estudios Avanzados del IPN, el IPN y el IIE.



ota 4]

4. Puede haber una variación de hasta 3 días en las fechas.



ota 5]

5. Pequeñas gotas de líquido que permanecen suspendidas en el aire.



ota 6]

6. Se utiliza el concepto de radiación de cuerpo negro. Un cuerpo negro se puede imaginar como una esfera pintadade negro que tiene un pequeño orificio y con espejos en la parte interior. Así, la radiación que entra es totalmenteabsorbida. Posteriormente, el cuerpo negro emitirá radiación, la cual dependerá exclusivamente de la temperaturaque posea y no del material que se utlice. El Sol se comporta como un cuerpo negro que emite radiación a unatemperatura de 5 700 grados Kelvin (ºK).

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ota 7]

7. El Instituto de Investigaciones en Materiales posee, en Temixco, Morelos, el Laboratorio de Energía Solar, quees uno de los más completos destinados a la investigación solar en México.



II. LO QUE EL VIENTO NO SE LLEVÓ

EOLO, según la mitología griega, era el dios de los vientos. Hijo de Zeus y la ninfa Menalipa, con sólo inflar susenormes cachetes podía producir huracanes, sirocos, ventiscas, tempestades e incluso brisas, según su variableestado de ánimo.

Las investigaciones que se realizan actualmente sobre la energía eólica se dirigen a aprovechar el viento como

energético para producir electricidad, calor, energía mecánica o cualquier otra forma de energía.La energía eólica está clasificada como una fuente no convencional. Es prácticamente inagotable y no contamina.Sin embargo, su principal desventaja es que cuando no sopla el viento no se produce energía. Por esta razón es unafuente intermitente y, como tal, requiere de un sistema de almacenamiento para aprovecharla continuamente.

La historia de la energía eólica o de los vientos se remonta al año 3500 a.C., cuando los sumerios armaron lasprimeras embarcaciones de vela. Después, los griegos construyeron máquinas que funcionaban con el viento. Así,desde la Antigüedad éste ha sido el motor de las embarcaciones. Han pasado 5 000 años y los veleros surcan aúnlos mares.

Sin embargo, ésta es sólo una de las bondades del viento. Otra aplicación familiar, cuya imagen apareceinmediatamente, son los molinos de viento. La historia del molino de viento es confusa. Hay quienes afirman que elprimero de estos molinos surgió en Seistán, Persia (hoy Irán), aunque parece que existen indicios anteriores de suexistencia en la isla griega de Miconos.

Los chinos utilizaron desde la antigüedad los molinos eólicos para bombear agua y regar sus tierras; un casonotable del uso de esta energía fueron las carretillas impulsadas con velas para facilitar el transporte de mercancíasde un lado a otro. Ya en el siglo XIX, los chinos construyeron un vagón de ferrocarril de pasajeros que tenía unagran vela; la principal desventaja era que la espera, en ocasiones, era bastante larga.

II. 1. LA INVASIÓN DE LOS MOLINOS

Los molinos de viento emigraron rápidamente a Europa. Por un lado, llegaron al norte de Africa y a España, y porotro, al norte de Europa, a través del Mar Caspio. La primera alusión directa a ellos en Europa lo encontramos en1105, cuando por encargo del Papa, el Abad de Savigny construyó varios molinos en diversas provincias francesas.

A principios del siglo XIII los molinos eólicos invaden toda Europa. Y es precisamente al final de este siglocuando aparecen los famosos molinos holandeses usados para bombear agua. Así, cabe señalar que otra aplicaciónimportante de estos molinos fue para la molienda de granos.

Un testimonio famoso de los molinos de viento es, sin lugar a dudas, la lucha contra los molinos de viento que senarra en El ingenioso hidalgo Don Quijote de la Mancha, de Miguel de Cervantes Saavedra, publicado en 1605.

—¿Qué gigantes?— dijo Sancho Panza.

—Aquellos que allí ves —respondió su amo—, de los brazos largos, que los suelen tener algunos de casi dosleguas.

—Mire vuestra merced —respondió Sancho—, que aquellos que allí se parecen no son gigantes sino molinos deviento, y lo que en ellos parecen brazos son aspas que volteadas del viento hacen andar la piedra del molino.

—Bien parece —respondió Don Quijote—, que no estás cursado en esto de las aventuras: ellos son gigantes, y sitienes miedo quítate de ahí y ponte en oración, en el espacio que yo voy a entrar con ellos en fiera y desigualbatalla...

Entre las aplicaciones poco usuales de la energía eólica figura un ventilador que construyó el biólogo Stephen Hale,

en 1752, para la prisión londinense de Newgate, donde las condiciones sanitarias no eran precisamente las más



adecuadas. Esto se debía, en parte, a que en esa época se aplicaba un impuesto elevado a las construcciones conventanas grandes y las prisiones no eran la excepción El sistema de Hale se extendió posteriormente a otrascárceles. Pero no sólo la práctica eólica tuvo sus logros. En 1759 John Smeaton presentó ante la Royal Society deLondres un tratado titulado: Cuestiones experimentales relativas a la fuerza natural del agua y el viento.

En 1782 aparece el motor de Watt y con él se abre la puerta para la Revolución Industrial, con sus máquinastérmicas, más eficientes, más baratas y que podían funcionar continuamente, lo cual trae como consecuencia que sepreste menos atención al uso de sistemas eólicos. A finales del siglo XVIII y durante todo el XIX, elaprovechamiento de la fuerza de los vientos quedó como mera curiosidad, salvo unas cuantas excepciones, comolas turbinas con aspas de madera y después de acero, diseñadas por Daniel Halladay y Stuart Perry a finales del

siglo XIX.

Pero mientras el petróleo era una fuente duradera y barata a finales de la centuria pasada y en la primera mitad de laactual, hoy se sabe que más temprano que tarde se va a agotar, razón que ha llevado a estudiar otras fuentes deenergía, como la eólica.

El viento se produce por el calor que genera el Sol, combinado con el movimiento de rotación de nuestro planeta.Los rayos solares calientan la corteza terrestre y al aire que la rodea. Esto ocasiona que el aire se dilate, pierdapresión, se eleve y lo sustituya el aire frío que viene de los océanos. Durante las noches, el proceso es al revés, esdecir, el mar guarda mejor el calor que la corteza, el aire se dilata y ahora de la corteza proviene el aire frío. En lasmontañas ocurre un ciclo diurno y nocturno parecido. Estas diferencias de presión en nuestra atmósfera ocasionancorrientes de convección. Esto es, corrientes más o menos circulares que van de la parte alta de la atmósfera a la

baja, para luego regresar a la primera (la rotación de la Tierra hace más complejo el patrón de circulación del aire,porque las fuerzas inerciales ocasionan que en las capas altas de la atmósfera del Hemisferio Norte el aire se desvíehacia el este y en las bajas hacia el oeste, mientras que en el Hemisferio Sur ocurre a la inversa). De estascorrientes, únicamente las fuerzas horizontales son dinámicas y pueden transformarse, por medio de unas aspas, enenergía utilizable. Las corrientes verticales son convectivas y no poseen la energía dinámica para seraprovechables. De hecho, el viento se define como el movimiento horizontal de las masas de aire en nuestraatmósfera.

A pesar de que el uso de la energía eólica para el transporte y la agricultura es muy antiguo, la conversión de estaenergía a electricidad pertenece a este siglo, entre otras razones porque la electricidad aprovechable surgió a finalesdel siglo pasado (en 1881).

Hoy es común utilizar ventiladores en lugares donde hace mucho calor para producir una agradable brisa. Éstosconsisten en un motor eléctrico unido a unas aspas. El proceso inverso, o sea, aprovechar el viento para generarenergía eléctrica, es una de las aplicaciones más importantes de la energía eólica, y al aparato capaz de realizar estaconversión se le denomina aerogenerador.

II. 2. DEL VIENTO A LA ELECTRICIDAD

Existen muchos tipos de aerogeneradores. Si los clasificáramos de acuerdo con la potencia que producen sedividirían en pequeños, que generan alrededor de 3 kilowatts; medianos, que llegan a producir hasta 1 000 kilowatts(es decir, 1 megawatt), y los grandes, que son de 1 MW en adelante. Para dar una idea de estas cifras, la potencia de

los aerogeneradores grandes es cien veces menor que la de una planta termoeléctrica común. Por ello, paraconseguir una potencia elevada deben instalarse varios aerogeneradores grandes en un mismo lugar.

Si clasificáramos a los aerogeneradores por sus características geométricas, serían de dos tipos: con el rotor verticalu horizontal. En los primeros, el eje de giro del aparato es perpendicular al suelo. Los más conocidos son los deKlemin, Savoius y Darrieus, diseñados en 1925, 1929 y 1931, respectivamente. Los aerogeneradores con rotorhorizontal tienen las aspas como las hélices de los aviones, unidas a un rotor paralelo al piso (véase la figura 22).



Figura 22. Diferentes tipos de rotores para aerogeneradores, aerobombas y molinos.

El aerogenerador consta de una torre situada en un lugar apropiado. Sobre ella sobresalen aspas de grandesdimensiones. Éstas giran debido a la fuerza ejercida por el viento, y con ellas el rotor que, por medio de un sistemade transmisión, está conectado a un generador capaz de producir energía eléctrica (véase la figura 23).

Figura 23. Diagrama del mecanismo interior de un aerogenerador de 0.1 MW. (FUENTE: ERDA-NASA.)

La potencia máxima que proporciona un aerogenerador depende fundamentalmente de dos características: la

velocidad del viento y el radio de las aspas. Concretamente, la potencia es proporcional al cubo de la velocidad delviento. Así que para poseer un aerogenerador de gran potencia se necesita escoger un lugar en donde los vientossean veloces la mayor parte del año (entre l0 y 40 km/h aproximadamente).

II. 3. VIENTOS DE MÉXICO

En México, el sureste, el norte y el centro son las regiones más apropiadas para colocar sistemas eólicos;destacando La Ventosa, en Oaxaca, donde los vientos alcanzan velocidades promedio de 20 a 25 km/h. En 1984, elInstituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) elaboró el primer mapa de vientos máximos en la RepúblicaMexicana, así como un sistema electrónico que permite conocer con bastante precisión las características



fundamentales del viento en un lugar determinado. Recientemente, el IIE publicó el primer Atlas Eólico de la República Mexicana.

Según el libro Alternativas energéticas, del doctor Antonio Alonso Concheiro y el ingeniero Luis RodríguezViqueira (coeditado por CONACYT-FCE, en 1985):

El aprovechamiento de la energía eólica en México se limita a las aerobombas de eje horizontal y aspasmúltiples, instaladas en localidades rurales del norte y el sureste del país.

En México sólo existe un fabricante de aerobombas y uno de aerogeneradores. Estos últimos se producirán

comercialmente después de la fase de prueba y demostración. Ya están instaladas dos unidades, una en elAjusco y otra en la parte oeste de Michoacán.

El estudio de Alonso Concheiro y Rodríguez Viqueira señala que sólo hay tres instituciones y una asociación civildedicadas a la investigación y el desarrollo de la energía eólica en México: el Instituto de Investigaciones Eléctricas(IIE),la Universidad Autónoma Metropolitana-Unidad Azcapotzalco, la Escuela Superior de IngenieríaMecánica y Eléctrica del IPN y el Grupo del Sol.

De estas instituciones, la que presta más atención al desarrollo de la energía eólica es el IIE. Ahí, señalan losautores de Alternativas energéticas:

Los trabajos se enfocaron inicialmente a volver a diseñar equipos desarrollados en otros países, adecuándolosa la disponibilidad de materiales, y a habilidades técnicas y artesanales de nuestro país.

Actualmente el IIE cuenta con un aerogenerador de velas para aplicaciones mecánicas, una aerobomba detipo Savonius, una de 1.5 kWe y un aerogenerador con rotor tipo Savonius de 200 W.

También se encuentran en proceso de construcción un prototipo de aerobomba mecánica, del cual se instalarán dosaerobombas en San Rafael, San Luis Potosí.

Respecto a la conversión eléctrica, el IIE posee la estación eoloenergética de El Gavillero, en Hidalgo. En ella seconstruyeron dos aerogeneradores tipo Dunlite, de 2 kW para vientos de 5 m/s, que abastecen de energía eléctrica ala comunidad, y también el IIE diseñó un aerogenerador denominado Albatros, con un rotor de 11 m de diámetro,

que desarrolla una potencia de 8.5 kW.

En el cuadro VII se resumen las instituciones dedicadas a la investigación eólica en México.

CUADRO VII. Investigación eólica en México.

Aerobombas y aerogeneradores

Instituto de Investigaciones Eléctricas, UniversidadAutónoma Metropolitana-Unidad Azcapotzalco,Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctricadel IPN y Grupo del Sol. Dos fabricantescomerciales.

Condiciones del viento en la República MexicanaInstituto de Investigaciones Eléctricas e Instituto deGeografía de la UNAM.

El alto costo de los aerogeneradores y las aerobombas representa actualmente la desventaja fundamental paraintegrarlos a mediana escala; lo mismo sucede con el sistema de almacenamiento de energía.

Finalmente, respecto a la energía eólica se debe señalar que en nuestro país los aerogeneradores pueden ser unaopción en comunidades rurales sin electrificar, así como una fuente de energía, dentro de la diversificación defuentes opcionales de energía. Sería muy conveniente crear institutos dedicados a la investigación de fuentes comola eólica, la solar, la fusión y la biomasa, tal vez financiados por Petróleos Mexicanos.



III. MATERIA VIVA Y DESECHOS: ENERGÍA DE LA BIOMASA

LA MATERIA orgánica y los desechos se pueden transformar en energía utilizable. Esta transformación se conocecomo obtención de energía a través de la biomasa.

En el aprovechamiento de la biomasa como fuente energética se emplean principalmente árboles, plantas ydesechos animales y vegetales.

Existen dos formas de aprovechar este tipo de energía: la conversión termoquímica y la conversión biológica.

La primera se refiere a la utilización de vegetales y desechos orgánicos para producir calor mediante la combustión;a la descomposición térmica de materiales que contienen carbono, cuando no hay oxígeno, proceso denominadopirólisis; a la hidrogenación, en la cual se obtienen hidrocarburos de los desechos orgánicos; la hidrogasificación,en la cual se convierte el estiercol en metano y etano, al someterlo a presiones elevadas y, finalmente, a lafermentación y destilación, en la que se obtiene alcohol a partir de granos y desechos vegetales.

El segundo tipo de conversión lo constituye la fermentación aeróbica, en la cual se aprovecha el calor que seobtiene de la descomposición de las bacterias aeróbicas, es decir, aquellas que requieren oxígeno. Ejemplos de esteproceso es el tratamiento de aguas negras y la obtención de fertilizantes. Por otro lado está la fermentaciónanaeróbica, en la cual la materia orgánica se descompone en inorgánica en presencia de bacterias que no requierenoxígeno (anaeróbicas), llamadas metanogénicas, porque producen gas metano. Este gas se puede utilizar paracalentar agua y para cocinar.

El aprovechamiento de la biomasa tiene su origen en la energía solar, dado que las plantas, a través de lafotosíntesis, absorben una cantidad pequeña de energía (aproximadamente 1%) de la radiación visible del espectrosolar.

El ejemplo más conocido de utilización de la biomasa es la madera: la fuente de energía más antigua que conoce lahumanidad. La madera está compuesta de celulosa y lignina, así como de almidón, bálsamos, alcohol etílico,alcanfor, colorantes, taninos, perfumes y resinas. Para producir calor durante la combustión de la madera serequiere oxígeno y se libera bióxido de carbono. A pesar de que la madera es la fuente de energía más longeva, actualmente se sigue utilizando, sobre todo en las áreas rurales de países como México.

Los desechos orgánicos de las grandes urbes, como los componentes orgánicos de la basura pueden utilizarse parala generación de energía eléctrica y en forma directa como energético doméstico. En México se han construidoalgunas plantas experimentales.

Una de las aplicaciones más espectaculares de la energía de la biomasa es el aprovechamiento del excremento, elcual mediante la descomposición de bacterias anaeróbicas produce gas metano, bióxido de carbono, hidrógeno,nitrógeno y ácido sulfhídrico, en recipientes perfectamente sellados que se conocen con el nombre de digestoresanaeróbicos. El metano obtenido se puede aprovechar, como ya se había mencionado para cocinar, calentar agua ycomo fuente de luz artificial. Además, los subproductos del proceso, nitrógeno, fósforo y potasio, se pueden usarcomo fertilizantes. En China, por ejemplo, se han construido siete millones de unidades y en México se utilizan envarias comunidades rurales.

Otro ejemplo es la obtención de etanol, un alcohol que se obtiene de los subproductos del azúcar de caña, que en elcaso de Brasil proporciona una quinta parte del combustible que utiliza ese país para el transporte.



SEGUNDA PARTE

IV. EL ORO NEGRO Y EL GAS

V. LA ENERGÍA DEL CARBÓN: 300 MILLONES DE AÑOS

VI. CATARATAS DE ENERGÍA

VII. LA GEOTERMIA: TETERA NATURAL

VIII. LA ENERGÍA DE LOS NÚCLEOS DE LOS ÁTOMOS IX. LA CUERDA DEL MOVIMIENTO: ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA



IV. EL ORO NEGRO Y EL GAS

EL PETRÓLEO se origina por la acumulación de plancton verde y restos animales en los sedimentos del fondomarino, el cual, mediante una descomposición anaeróbica se transforma lentamente por procesos bioquímicos einorgánicos en gotas de petróleo (del latín aceite de piedra) o hidrocarburos. Estas gotas se alojan en una rocasedimentaria, llamada roca madre, de donde su extracción es casi imposible. Posteriormente, el petróleo migra aotro tipo de rocas de grano grueso y por lo tanto permeables, en las que se forman depósitos, donde se almacena.

Cuando está en el proceso de almacenamiento, en ocasiones existe una roca de grano fino impermeable que cubrela capa donde éste se almacena e impide que el petróleo siga migrando. Es así como se llega al estado que seconoce como trampa de petróleo. Es en esta etapa cuando el petróleo puede extraerse.

Como el petróleo es menos denso que el agua, con el paso del tiempo se separa de ésta y se acumula en la partesuperior de la trampa. Finalmente, en la parte más alta se encuentra el gas natural (véase la figura 24).

Figura 24. Formación del pétroleo.El crudo es una mezcla de compuestos orgánicos que varía según la calidad del mismo; sus componentes son lossiguientes: de 85 a 90% de carbono; de 10 a 14% de hidrógeno; de 0.2 a 3% de azufre y algunos rastros de otrosmateriales como vanadio y níquel.

Una vez que se sabe qué es el petróleo y de qué se compone, el siguiente paso es saber dónde se encuentra y paralocalizar un yacimiento petrolífero se necesita la exploración. Como no se conoce un método directo para detectarlodesde la superficie, se necesita un estudio geológico de la región para examinar la composición de las rocas; estopuede hacerse mediante la percepción remota, es decir, tomando imágenes desde un satélite o un avión, yposteriormente se puede obtener una descripción geológica del lugar. Mediante investigaciones sísmicas lainformación obtenida se completa aún más. Todo el proceso que se sigue se conoce con el nombre de prospección.

A continuación se perforan los lugares escogidos, de los que se recogen muestras de diferentes capas para probar siefectivamente es correcta la información proporcionada por los sismógrafos. Una vez terminado el análisis demuestras se procede a la perforación, cuyo objetivo es encontrar y explotar el yacimiento petrolífero (véaserecuadro 6).

Recuadro 6



¿Compañía Mexicana de Petróleo "El Águila"? "El Águila" en realidadpertenecía al consorcio petrolero Royal Dutch Shell. En 1913, esta compañíahabía obtenido una producción tan elevada que se vio obligada a organizar unaflota de barcos, dedicada exclusivamente a llevar sus productos al extranjero.Todo el petróleo se exportaba, incluso el destinado al alumbrado local. En diezaños "El Águila" ganó alrededor de 164 millones de pesos. Y en 1922, lasempresas petroleras extranjeras exportaban 99% de la producción.

Para la perforación se utiliza una barra giratoria que tiene en la parte inferior una especie de paleta de diamante (elmaterial más duro que se conoce en la naturaleza), llamada trépano, que perfora el suelo. El trépano se lubrica conun barro especial que fluye hacia abajo por el interior del barreno y hacia arriba por el exterior del mismo. Cuandose estima que el pozo petrolero tiene posibilidades, se rodea la perforación con un tubo de mayor diámetro, fijadocon cemento.

Recuadro 7

"Deje que el señor termine." En una reunión con el gobierno mexicano, elrepresentante de la compañía extranjera "El Águila", que explotaba el petróleomexicano, le dijo al presidente Lázaro Cárdenas que su compañía sí eramexicana y que pagaba todos sus impuestos. Sin embargo, en ese momentointervino don Jesús Silva Herzog padre, sacó un periódico de años atrás y sepuso a leerlo en voz alta en la reunión. En él se decía claramente que "ElÁguila" sí era extranjera y que no pagaba debidamente sus impuestos.

En ese momento, el representante de la compañía extranjera se puso nervioso ytrató de interrumpir a Jesús Silva Herzog, pero el general Cárdenas lo detuvo yle dijo.. "Deje que el señor termine."

Los problemas con los petroleros extranjeros se fueron haciendo más graves yse organizó otra reunión con el general Lázaro Cárdenas. El propio Presidentetrató de convencer a los dueños de las compañías de petróleo que pagaran a susobreros mexicanos una deuda de 26 millones de pesos. Sin embargo, uno de losrepresentantes le dijo al Presidente:

—¿Y, quién garantiza que el aumento será sólo de 26 millones de pesos?

—Yo lo garantizo contestó el Presidente.

—¿Usted? —replicó el representante.

—Sí, lo garantiza el Presidente de la República —respondió el generalCárdenas.

El emisario de la compañía esbozó una ligera sonrisa. El Presidente se puso depie y les dijo a todos: "Señores, hemos terminado."

Toda vez que se alcanza cierta profundidad, se retira el barreno y se coloca una válvula de control en la boca del



pozo, continuando la perforación con un trépano más pequeño (véase la figura 25). Una vez que se ha encontrado elcodiciado oro negro se averigua la extensión del yacimiento, para lo cual se perforan varios pozos alrededor. Cadabarril tiene 158.98 litros de petróleo.

Figura 25. Diagrama de un pozo-petrolero. (Tomado de Man, Energy and Society, Earl Cook, W. H.Freeman, 1976)

Hasta finales de 1991, el país contaba con una reserva probada de 65 500 millones de barriles de petróleo, y losprincipales centros productores son los complejos marinos Cantarell y Abkatún. Más (leí 90% de la producciónproviene de la Sonda de Campeche, Chiapas y Tabasco (véase el cuadro VIII). En la actualidad se consumendiariamente 2.6 millones de barriles de petróleo, de los cuales, aproximadamente la mitad, 1.8 millones, se exportaal extranjero (56% a Estados Unidos). Si el consumo y las reservas permanecieran constantes, el petróleo seacabará en el año 2060.

CUADRO VIII. Derivados del petróleo.

Derivados Uso

Gas propano y butano Gas doméstico

Gasavión Motores de combustión de avión

Gasolina para automóviles Motores para automóviles

Turbosina Turborreactores y propulsores

Combustible para tractores Tractores agrícolas

Diesel Motores diesel

Nafta Materia prima petroquímica

Gasolinas especiales Pinturas y solventes



Combustible para lámparas Lámparas y señales de ferrocarril

Cera y parafina Papel encerado, velas y aislante eléctrico

Lubricantes Lubricación general

Bitumen Carreteras

Aceite combustibleProducción de vapor, acero, calentamiento industrial yproducción de electricidad

Gasóleo Calefacción doméstica

FUENTE: Susana Chow Pangtay, Petroquímica y Sociedad , Col. La Ciencia desde México, FCE, 1987



V. LA ENERGÍA DEL CARBÓN: 300 MILLONES DE AÑOS

HACE aproximadamente 300 millones de años se formó gran parte del carbón mineral que existe en nuestroplaneta. Esto ocurrió en el Paleozoico superior, en el periodo llamado Carbonífero, aunque también durante losperiodos Pérmico, Cretácico, Jurásico, Triásico, Pleoceno y Mioceno se formaron grandes yacimientoscarboníferos.

El carbón se formó a partir de la descomposición anaeróbica de materia orgánica, principalmente plantas superioresterrestres (a diferencia del petróleo, que es de origen marino). Debido a la acción de las bacterias anaeróbicas, lamateria orgánica fue ganando carbono y perdiendo oxígeno e hidrógeno; este proceso, aunado a los incrementos depresión y temperatura con el paso del tiempo, provocaron cambios físicos y químicos en los restos orgánicos y lostransformaron en lo que hoy conocemos como carbón.

El carbón mineral se empezó a utilizar como combustible en China hace aproximadamente 2 000 años.Posteriormente lo utilizaron los romanos. Lo curioso del caso es que en el siglo XI un inglés "redescubrió" que elcarbón podía arder. Sin embargo, desde el siglo XIII, los ingleses lo empezaron a explotar y lo transportaban enbarco a Londres, donde lo utilizaban para producir calor. También los indios hopi lo emplearon en lo que hoy esArizona.

En 1670, el reverendo John Clayton informó la generación de un gas luminoso que se obtenía al calentar carbón enuna retorta. Un siglo después, en 1792, William Murdock, iluminaba su casa en Corwall, Escocia, con gas obtenidode la destilación de carbón.

Sin embargo, no fue sino hasta la época de la reina Isabel I cuando este combustible empezó a utilizarseampliamente en las ciudades inglesas, sacado de las minas de Newcastle y Cardiff. El carbón adquirió más

importancia cuando Abraham Darby descubrió el proceso que permite obtener coque a partir de carbón.8

Al poco tiempo el carbón, como combustible, se convertiría en uno de los principales protagonistas de laRevolución Industrial, al lado de la máquina de vapor inventada por James Watt, en 1765. El propio Watt diseñó,en 1803, un sistema de alumbrado para las calles y las casas, en el que se aprovechaba el gas producido del carbón;James Prescott Joule se dio cuenta de la relación que existía entre la máquina de vapor y el uso directo del carbón

(véase el recuadro 8).

Recuadro 8

James Prescott Joule y el equivalente mecánico del calor. "El conocer laequivalencia entre el calor y la energía mecánica es de gran valor para resolvergran número de problemas de interés e importancia. En el caso de la máquinade vapor, averiguando la cantidad de calor producida por la combustión decarbón podemos determinar qué parte de dicho calor se transforma en energíamecánica e indagar así hasta qué punto la máquina de vapor puede recibirnuevas mejoras. Los cálculos que se han hecho basándose en este principio han

hecho ver que puede producirse cuando menos diez veces más energía de la queactualmente se obtiene mediante la combustión del carbón. Otra conclusióninteresante es que el organismo animal, aunque destinado a realizar tantos otrosfines, es, en cuanto máquina, más perfecto que la máquina de vapor mejorcontruida, o sea, que es capaz de realizar más trabajo con el mismo gasto decombustible. "JAMES PRESCOTT JOULE, 1847.

Entre 1860 y la primera Guerra Mundial el carbón desplazó definitivamente a la madera como combustiblefundamental. A continuación, entre ambas guerras mundiales el petróleo sustituyó al carbón como principalenergético y esta situación se acentuó en la posguerra. Pese a ello, en 1978, el carbón representó el 26% de la



demanda de energía primaria mundial.

En el caso de México, según cifras de 1975, se ha tenido que importar carbón para satisfacer la demanda. Sinembargo, la producción ha ido aumentando. Hasta 1980 las reservas de carbón eran de 3 275 toneladas. Asimismo,las reservas de carbón no coquizable eran, según cifras de 1982, de 645 millones de toneladas. El carbón nocoquizable (es decir, del que no se puede obtener coque) es el que se emplea para la generación de energía eléctrica,mientras que el carbón coquizable —del que se obtiene coque— es el que se utiliza en la industria siderúrgica ymetalúrgica para la fabricación de hierro y acero. El acero, por ejemplo, tiene entre 0.2 y 2% de carbono que seobtiene del coque.

Los principales consumidores de carbón en nuestro país son las industrias que fabrican acero y hierro, y un pequeñoporcentaje (2.2% en 1975) se emplea para la generación de energía eléctrica. La planta carboeléctrica másimportante del país es la "José López Portillo", que se localiza en Coahuila; en sus dos unidades, Río Escondido yCarbón II, se generarán 2 600 MW con carbón no coquizable que se obtiene de las minas cercanas a PiedrasNegras.

El carbón mineral está compuesto de carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre, cenizas y otros elementos en menorcantidad (potasio, calcio, sodio, magnesio, etcétera).

La calidad del carbón se mide de acuerdo con las siguientes características: porcentaje de materia volátil, porcentajede carbono fijo, azufre, cenizas, oxígeno, hidrógeno, humedad y, finalmente, poder calorífico. Como se utilizandiferentes clasificaciones, tendremos que mencionar, aunque sea brevemente, las más comunes.

En cuanto al porcentaje de carbono fijo, el lignito tiene entre 50 y 69%, el carbón bituminoso de 69 a 86% y laantracita de 92 a 98%. De acuerdo con el porcentaje de materia volátil, el lignito tiene entre 40 y 50%, el carbónbituminoso entre 14 y 31% y la antracita de 2 a 8 por ciento.

El término bituminoso se refiere al grado de poder calorífico que tiene el carbón. Según esta clasificación, el carbónque posee un poder calorífico más alto (esto es, las kilocalorías por kilogramo que puede proporcionar en lacombustión) es, a pesar de ser una redundancia, el carbón bituminoso, como la hulla, que tiene un bajo contenidode materia volátil (8 500 kca/kg); después le sigue el carbón subituminoso con un contenido medio de materiavolátil (8 200 kcal/kg), luego la antracita, después el bituminoso con alto contenido de materia volátil (7 000), acontinuación los carbones subituminosos (5 500) y finalmente el lignito (3 500).

En tiempos geológicos primero se formó la turba, posteriormente el carbón café; éste se convirtió en lignito, que asu vez pasó a ser carbón subituminoso; este último se transformó en carbón bituminoso, que incluye a la hulla (elcarbón que se usa para cocinar) y finalmente en antracita, que es el carbón más antiguo. Todos éstos son losdiferentes tipos de carbón.

El carbón se utiliza en la industria siderúrgica, como coque, la industria metalúrgica, los sistemas de calefaccióncentral, la producción de gas y otros combustibles sintéticos y en las centrales carboeléctricas.

Los carbones bituminosos son coquizables, es decir, que mediante un proceso de destilación se elimina la materiavolátil del carbón, quedando un carbón de muy buena calidad que se denomina coque y que es de gran utilidad enla industria siderúrgica (producción de hierro y acero, este último es precisamente una aleación de hierro ycarbono) y metalúrgica.

Los carbones subituminosos, llamados de flama larga por la forma en que se realiza la combustión, no se puedentransformar en coque y se utilizan en las centrales carboeléctricas, como la de Río Escondido, en Coahuila.

El carbón se puede obtener de dos formas: en minas de cielo abierto o de tajo y en minas subterráneas. Uno de losgrandes problemas en la extracción del carbón de las minas subterráneas es que se produce un gas muy venenoso,conocido como gas grisú (metano) que al mezclarse con el aire en una proporción superior a 6% puede explotar.Otro gran problema de las minas carboníferas son las condiciones de trabajo a las que están expuestos los mineros,pues al inhalar partículas de sílice (SiO2) del cuarzo cristalizado o amorfo de las minas pueden contraer una

enfermedad mortal llamada silicosis.

Cuando se descubre una veta de carbón, se requiere conocer tanto el volumen del yacimiento como la profundidad,ya que estos factores determinan el hecho de que la explotación de la mina sea económicamente rentable.



Una vez que se obtiene el carbón, se lava para quitarle el azufre (en las centrales carboeléctricas puede utilizarse sinlavar), después se pulveriza en un molino y se transporta en ferrocarril o en tuberías, suspendido en agua yposteriormente se recupera por centrifugación.

En una central carboeléctrica el carbón pulverizado se transporta por medio de un ventilador a la caldera, en la cualse mezcla con aire caliente. Una vez en la caldera se quema para calentar agua y producir vapor. Ahí, los productosde combustión se aprovechan para calentar nuevamente el aire, eliminando las cenizas mediante una malla cargadaeléctricamente que las atrae.

Por otro lado, el vapor se utiliza para mover una turbina que, unida a un generador, produce energía eléctrica.Uno de los problemas de las centrales carboeléctricas es que entre los productos de la combustión que se liberan ala atmósfera está el bióxido de carbono y el dióxido de azufre; este último es un contaminante bastante peligroso.Por ello, las termoeléctricas que trabajan con carbón, como la de Río Escondido, tienen filtros que evitan que estassustancias salgan a la atmósfera.



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8. Es común que los carbones bituminosos como la hulla —que más adelante se explicarán— se calienten enretortas para eliminar la materia volátil y el alquitrán; el residuo de este proceso forma una masa pororsa que sedenomina coque, el cual es un componente esencial en la fundición de hierro y en la producción de acero.



VI. CATARATAS DE ENERGÍA

LA UTILIZACIÓN de la energía hidráulica, esto es, el aprovechamiento de las caídas de agua en los ríos, data dela época de los griegos, quienes empleaban la rueda hidráulica para bombear agua, llamada noria, que inventó Filónde Bizancio en el siglo III a.C. Sin embargo, la descripción detallada de la rueda hidráulica, así como susaplicaciones se debe al ingeniero y arquitecto romano Marco Vitrubio Polión, quien la describe ampliamente en sulibro De architectura. Tanto la rueda hidráulica vertical como la horizontal se usaron en la Edad Media y el

Renacimiento, no sólo en la agricultura, sino en las minas, en la industria textil y maderera y en el transporte. Entre1835 y 1837 se instaló la primera turbina hidráulica, construida por el ingeniero Bénoit Fourneyron. La palabraturbina la inventó el ingeniero francés Claude Burdin. En el año de 1881 se construyó en Godalming, Inglaterra, laprimera planta hidroeléctrica y la producción de energía eléctrica a gran escala empezó en 1895, cuando seconstruyó la presa de 3.75 MW (megawatts) en las cataratas del Niágara.

Los rayos solares calientan los océanos, provocando que el agua se evapore y suba a la atmósfera para condensarseen las nubes y caer en forma de lluvia o nieve. Una parte cae en el mar y el resto en los continentes. Esta última esla que se aprovecha. El agua que cae en la tierra forma ríos que, debido a las condiciones topográficas,generalmente desembocan al mar. Para aprovechar la energía hidráulica se requiere, además de que los ríostransporten grandes volúmenes de agua, que las condiciones topográficas sean adecuadas, es decir, que hayagrandes caídas de agua en su trayecto hacia el mar.

Para convertir la energía hidráulica en electricidad, generalmente se construyen varias plantas hidroeléctricas a lolargo de un río. Por ejemplo, en el río Grijalva, de la parte más alta del río a la desembocadura están las siguientespresas: San Miguel, La Angostura, Netzahualcóyotl, Chicoasén y Malpaso (véase el recuadro 9).

Recuadro 9

Hidroeléctrica de Batopilas y la Société du Necaxa. La primera centralhidroeléctrica mexicana se construyó en 1889 en Batopilas, Chihuahua.

En 1900, "un empresario francés, el doctor Vacquié, a nombre de la Société du

Necaxa, obtuvo la concesión para aprovechar las aguas de ese río en lageneración de electricidad. También el mismo año, llegó a México el ingenieroestadunidense Fred Stark Pearson quien, tras visitar la región de Necaxa yrealizar los proyectos preliminares necesarios para la instalación de una centralhidroeléctrica, formó en Ottawa, Canadá, la Mexican Light and Power Company, Ltd., que obtuvo la concesión de la compañía francesa, procediendoa continuación al montaje de la central, cuya primera unidad entró en operaciónen diciembre de 1905". JOSÉ LUIS HERNÁNDEZ GALÁN, La energía de laTierra, CECSA, México.

En una presa se construye una gran cortina de concreto armado que detiene el agua que fluye del río. De esta formase acumulan millones de metros cúbicos de agua que poseen una energía potencial, cuyo valor depende de ladiferencia de los niveles superior e inferior de agua (la altura de la caída de agua) y el volumen de agua acumulada.En la cortina de la presa hay unas válvulas, llamadas compuertas; cuando éstas se abren permiten que el aguacircule libremente, cayendo desde grandes alturas (entre 60 y 750 m) a un depósito inferior, para continuar sutrayecto hacia el mar (véase figura 26). Cuando se abren las compuertas de una presa el volumen de agua que fluyepor unidad de tiempo (llamado gasto) es muy grande (por ejemplo, en la presa Netzahualcóyotl circulan 240 m³cada segundo). La energía que inicialmente era potencial, ahora se transforma en energía cinética debido al granchorro de agua que cae. Éste choca con los cangilones (especie de aspas en forma de cuchara con una estría en elcentro, en el caso de la turbina Pelton) de una turbina, provocando que ésta gire a gran velocidad (alrededor de 100revoluciones por minuto). La turbina, a su vez, está unida a un generador de corriente eléctrica, parecido algenerador de un coche, pero de grandes dimensiones y de esta forma se produce electricidad (véase la figura 26).



Figura 26. Diagrama de una central hidroeléctrica.

Cuando la caída de agua es grande (100 m o más), se utiliza una turbina tipo Pelton, cuya eficiencia está entre 84 y88%. Cuando los saltos de agua son menores de 100 m, es más conveniente usar las turbinas Francis (eficiencia de94-96%) y Kaplan (eficiencia de 93-95%). Las Francis se utilizan en caídas de agua cercanas a los 100 m y lasKaplan para caídas aún menores (véase la figura 27).

Figura 27. Diferentes tipos de turbinas hidráulicas.

Entre las ventajas que tiene una central hidroeléctrica está su alta eficiencia (entre 80 y 90%) y además nocontamina. Entre las desventajas está la acumulación de sedimentos en el fondo de la presa, por la erosión del agua,la cual ocasiona una reducción en la vida útil de la presa; además, son escasos los lugares adecuados paraconstruirla.

En nuestro país, hasta 1981, el 36% de la energía eléctrica total se generaba con 45 plantas hidroeléctricas. Sin

embargo, en ese entonces ya se estaban construyendo siete nuevas plantas.



VII. LA GEOTERMIA: TETERA NATURAL

DESDE la Antigüedad, el ser humano ha usado las aguas termales con diversos fines. Son conocidos el baño turcoo hamán, el baño sauna y las termas romanas. En el caso de México, el temascalli se utilizó desde la épocaprecolombina. Y ¿cuántas personas no han aprovechado los manantiales de aguas termales de Los Azufres o deIxtapan de la Sal?

Las aguas termales, los géysers, los volcanes de lodo, las fumarolas y las erupciones volcánicas sonmanifestaciones de un mismo fenómeno: el calor terrestre. Este calor proviene del núcleo de la Tierra, que poseeuna temperatura aproximada de 4 000ºC y que está constituido por un núcleo externo de materia fluida y otrointerno, sólido, de hierro. Se puede afirmar que el origen del calor terrestre está relacionado con la formación de laTierra. Éste proviene del calor generado por el núcleo terrestre. La corteza actúa como una especie de aislante delas capas interiores (manto y núcleo) y por otro lado, los elementos radiactivos, tales como potasio, uranio y torio,presentes principalmente en la corteza continental, contribuyen parcialmente en la generación de calor pordecaimiento radiactivo (10 microcalorías/gramo/ año).

A partir del calor que produce nuestro planeta, la teoría llamada tectónica de placas explica los fenómenosgeofísicos que se presentan en la superficie, tales como sismos y volcanes, mediante el mecanismo que lleva elcalor del interior a la superficie. La costra de nuestro planeta está constituida de grandes placas de roca que se

deslizan unas sobre otras. Generalmente una placa oceánica se mete abajo de una continental, provocando fracturasen las rocas por donde pueden escapar gases y vapores de magma (sílice (Si02) y minerales con hierro y magnesio),

formándose burbujas magmáticas que llegan a las proximidades de la superficie.

El agua que se ha filtrado por las fisuras de la corteza, a lo largo de años, y que se encuentra cerca de una cámaramagmática se ha calentado debido a que el foco de calor está en contacto con una roca impermeable conductora yésta ha transmitido el calor hasta una formación rocosa permeable. En esta última, el agua ha quedado atrapada,formando un acuífero de agua caliente. Dicha formación está sellada en la parte superior por una capa de sales, quese han desprendido debido a que el agua filtrada disolvió las sales al pasar por las rocas (véase la figura 28).

Figura 28. Depósito geotérmico.

De esta forma, a profundidades que oscilan entre 0 y 10 km se puede encontrar un acuífero, en el cualpotencialmente puede haber agua caliente, vapor de agua o ambos.

La temperatura del suelo terrestre aumenta con la profundidad a una razón promedio de 30ºC por kilómetro; sinembargo, las variaciones de la temperatura no son las mismas en todos los lugares de la Tierra.

La exploración de yacimientos geotérmicos permite localizar aquellos lugares en los que es posible encontrar agua

o vapor a temperaturas elevadas y a profundidades cercanas a la superficie. Como la perforación de un pozo



geotérmico potencial es muy costosa, se utilizan métodos indirectos que permiten aproximarse poco a poco a lasposibilidades del lugar en cuestión. Entre éstos podemos mencionar la obtención de imágenes infrarrojas del lugardesde satélites y después desde aviones, es decir, utilizando la técnica denominada percepción remota; el análisisquímico de muestras de roca; la medición directa de la temperatura con termómetros enterrados en el suelo; lacreación de un modelo geológico tridimensional del yacimiento; las mediciones de la resistividad eléctrica del sueloy la densidad relativa de las rocas (gravimetría), y la reflexión y refracción de las ondas sísmicas, a partir demediciones naturales o artificiales (con explosivos).

Una vez que se han agotado los métodos indirectos se procede a la perforación del pozo, que es similar a la de unpozo petrolero.

Los pozos geotérmicos pueden ser de tres tipos: 1) vapor, 2) de líquido (agua caliente) y 3) de una mezcla de vapory líquido. Los yacimientos geotérmicos que contienen líquido y vapor son los más difíciles de explotar, dado que elagua contiene sales disueltas y forma una mezcla llamada salmuera. Ésta ocasiona grandes problemas de corrosiónen las instalaciones geotérmicas, que deben resolver los ingenieros geotérmicos, si quieren que una planta seaduradera.

El funcionamiento de una central geotérmica como la de Cerro Prieto, en Baja California Norte, que utiliza un ciclobinario (pues se emplea un ciclo para el vapor y otro para el agua) es como sigue:

Se explotan varios pozos geotérmicos, de los que se obtiene agua caliente y vapor, que llegan a un separador.Posteriormente, mediante un proceso de centrifugación se separa el vapor y el agua. El vapor de alta presión

obtenido se envía a una turbina especialmente diseñada para trabajar con vapor geotérmico (si se quiere generar lamisma cantidad de electricidad las turbinas deben admitir un volumen mayor del que se requiere en una centralconvencional). La energía del vapor se transforma en energía cinética de rotación en la turbina, que gira a miles derevoluciones por segundo. La turbina se une a través de un eje, llamado rotor, a un generador capaz de producirenergía eléctrica.

Sin embargo, una vez que se ha utilizado el vapor, éste pasa a un condensador, lo cual permite que la plantaproporcione más potencia, en lugar de descargarlo a la atmósfera. Del condensador se extraen los gases que no sepueden condensar y se eliminan a la atmósfera (anhídrido carbónico y ácido sulfhídrico); el agua obtenida delcondensador se bombea para su utilización posterior.

A continuación, el agua separada se conduce a otros separadores y evaporadores de baja presión, lo cual posibilita

producir energía eléctrica adicional. El agua de los condensadores pasa a una torre de enfriamiento y el calorobtenido en ésta se aprovecha para que trabajen los evaporadores (véase la figura 29).

Figura 29. Diagrama de una central geotérmica. (Basado en esquema de Luis C. A. Gutiérrez Negrin.)

Por otro lado, el agua de desecho se envía a una laguna, llamada de evaporación, aunque también se puede tratarpara obtener sustancias como ácido bórico, gas carbónico, agua pesada, cloruro de calcio, bicarbonato, sulfato de



amonio y cloruro de potasio (este último se produce en Cerro Prieto y se usa como fertilizante). También se puedeusar en la pesca, dado que un depósito de agua caliente es adecuado para la crianza de peces. Sin embargo, enalgunas centrales geotérmicas el agua se reinyecta para evitar la contaminación de algunos subproductosgeotérmicos.

La producción mundial de electricidad a través de centrales geotérmicas fue de 4 760 MW y nuestro paíscontribuyó (en 1991) a esta cifra generando 620 MW en la planta de Cerro Prieto, y 80 MW en Los Azufres,Michoacán. México ocupa el tercer lugar en la producción de electricidad a partir de energía geotérmica (primeroestá EUA y después Filipinas) y fue también el tercer país que instaló una central geotérmica en el mundo, la dePathé, en Hidalgo, que empezó a funcionar en 1959; sin embargo, como producía 150 kW y requería mucho

mantenimiento, tuvo que pararse.

La primera central geotérmica que se construyó fue la de Larderello, en Italia, y fue construida por Piero GinoriConti, en 1904 (véase el recuadro 10). El segundo país que instaló una central geotérmica fue Nueva Zelanda.

Recuadro 10

El príncipe de la geometría. "En 1884, el doctor Ferdinand Reynaut alimentó elvapor obtenido de los pozos a un cambiador de calor, en el que evaporó agua deun riachuelo próximo y, con este vapor "limpio", hizo trabajar una máquina deémbolo de nueve caballos de fuerza. Ésta fue la primera aplicación geométrica

a la generación de potencia, en este caso, mecánica, y aunque la instalación noduró mucho debido a la corrosión que sufrió el cambiador de calor, sirvió parademostrar que era posible represionar un pozo geotérmico sin que el vaporbuscara otra salida, como se había temido. En 1904, el príncipe Piero GinonConti, que llegaría a ser el presidente de la Società Boracifera di Larderello, repitió el experimento, pero esta vez alimentando directamente vaporgeotérmico, de varias atmósferas, a una pequeña máquina de 3/4 de caballo queaccionaba un generador de corriente directa. La electricidad así producida seusó en la iluminación de la planta de Larderello y ésa fue la primera aplicacióngeotermoeléctrica de la historia." JOSÉ LUISHERNÁNDEZ GALÁN, Laenergía de la Tierra,CECSA, México.

La temperatura promedio del agua o vapor geotérmicos está entre 150 y 340ºC, aunque con temperaturas menorestambién puede aprovecharse la energía geotérmica. Las profundidades a las que se encuentra un pozo geotérmicooscilan entre 200 y 3 500 m. La eficiencia real de una planta geotérmica es de 11 a 13%; y la duración promedio deun pozo geotérmico es de 10 años.



VIII. LA ENERGÍA DE LOS NÚCLEOS DE LOS ÁTOMOS

VIII. 1. LA FISIÓN NUCLEAR

EN 1932, el físico inglés James Chadwick descubre el neutrón. Con ello se abren las puertas para seguir lasinvestigaciones que conducirían a Enrico Fermi a construir en Chicago la primera pila o reactor nuclear. El neutrónes una partícula que no tiene carga eléctrica y su masa es casi igual a la del protón. Ambas partículas forman el

núcleo de un átomo.Chadwick trabajó para Ernest Rutherford, quien propuso el modelo del átomo, constituido por un núcleo centralcargado positivamente y electrones girando a su alrededor. El modelo de Rutherford, junto con el tratamientocuántico que le dio el físico danés Niels Bohr, conforman la descripción clásica del átomo. La descripción modernaincluye un núcleo, compuesto de protones, neutrones —que a su vez están compuestos por partículas máselementales llamadas quarks— y electrones representados como una nube con una cierta probabilidad deencontrarlos en un lugar determinado.

En el texto en que Chadwick anuncia su descubrimiento dice así:

Para explicar el gran poder de penetración de la radiación debemos suponer que la partícula no tiene carga

neta. Podemos también suponer que se trata de una combinación cerrada de protón y electrón, el neutrón discutido por Rutherford en su Conferencia Baqueriana en 1920. (Proc. Roy. Soc. of London, vol. A 136,1932).

Pero, ¿cuál es la relación entre el neutrón y la energía nuclear? Primero, hay que conocer la estructura del núcleoatómico y, segundo, tomar en cuenta que los neutrones son los responsables de las reacciones en cadena. Albombardear un átomo pesado con neutrones, el núcleo de éste se rompe o se fisiona, liberando en el proceso unaenorme cantidad de energía. Al fisionarse puede emitir también neutrones, y si éstos son dos o tres, chocarán conotros átomos, produciéndose una reacción en cadena. Por esta razón, el descubrimiento del neutrón es decisivo enla energía nuclear y en particular para producir energía útil en un reactor nuclear.

En 1933, los esposos Frédéric Joliot e Irene Curie descubren que al bombear una delgada lámina de aluminio con

partículas alfa (núcleos de helio) provenientes de una fuente de polonio, se produce una radiación muy intensa. Esasí como nace la radiactividad artificial.

El físico italiano Enrico Fermi demuestra en 1934 que al hacer incidir un haz de neutrones en la parafina, éstos sedesaceleran, debido a los choques elásticos con los átomos de parafina y, lo más importante, que los neutroneslentos son más efectivos para producir algunas reacciones nucleares. En 1935 la química Ida Noddack propone laprimera explicación de la fisión nuclear.

Mientras esto ocurría, el equipo de Fermi bombardeaba con una fuente de neutrones el uranio y había encontradoun nuevo elemento de número atómico 93 que sufría "ulteriores desintegraciones cuya naturaleza aún no ha sidoaclarada", según afirma Otto María Corbino, impulsor de Fermi.

Ida Noddack había escrito una carta a la Revista de Química Aplicada, en la que señalaba: "Cabe pensar que albombardear núcleos pesados con neutrones, estos núcleos se descompondrán en varias partes menores, las cuales,si bien serán isótopos de elementos conocidos, no serán vecinos de los elementos sujetos a radiación." Pese a queIda Noddack envió al equipo de Fermi un artículo con su propuesta, no le hicieron caso. Aunque señala EmilioSegré, colaborador de Fermi, "tampoco Noddack se molestó en realizar los simples experimentos que podíansustentar su hipótesis."

Mientras Fermi recibe en 1938 el Premio Nobel por la producción de elementos radiactivos artificiales a partir deneutrones, se entera de que se ha logrado romper el núcleo atómico con neutrones.

Otto Hahn y su discípulo Fritz Strassmann comunican su resultado: "Como químicos, debemos decir que elproducto obtenido es bario, no radio, pero como químicos nucleares no podemos persuadirlos de este salto, encontradicción con todos los conocimientos previos de física nuclear. Tal vez, después de todo, nuestros resultados



se volvieron engañosos por una serie de extraños accidentes".

Otto Hahn comunica el hallazgo a su ayudante Lise Meitner, física austriaca de ascendencia judía a quien elfascismo hace huir a Suecia, pero que seguía de cerca las investigaciones de Hahn y lo había asistido durante másde treinta años. Lise se reúne con su sobrino en Kungalv, quien está de vacaciones: se trata del físico Otto R.Frisch, quien trabajaba en la misma dirección. Lise le da a leer la carta de Hahn y ambos interpretan correctamenteel experimento que Hahn y Strassman no se habían atrevido a considerar como fisión nuclear. Efectivamente,bombardeando uranio con neutrones se producen dos elementos que nada tienen que ver con éste: bario y kriptón.Frisch viaja a Copenhague para comunicarle a Niels Bohr su descubrimiento, pidiéndole que lo mantenga ensecreto hasta que él y Frau Meitner publiquen los resultados. A Frisch se le ocurre la idea de designar al fenómeno

con el nombre de fisión nuclear , tras preguntar a un biólogo por el nombre que se utilizaba para referirse a unacélula que se parte en dos. Cinco años más tarde sale publicado el artículo en la revista Nature, y esta demora les daventaja a Hahn y Strassman, quienes reciben el Nobel por el descubrimiento.

Poco después, Bohr y Wheeler (en aquella época su ayudante) exponen la teoría de que el isótopo de uranio-238 (elmás abundante en la naturaleza) produce fisión sólo si se bombardea con neutrones rápidos (con energías mayoresal megaelectrón- volt), mientras que el uranio-235 se puede fisionar con neutrones lentos. Más tarde, A. Nier y J. R.Dunning confirman experimentalmente la hipótesis de Bohr.

Fermi y Bohr eran las cabezas de las investigaciones nucleares de la época. En agosto de 1939, Leo Szilard,también pionero de la fisión, junto con varios compañeros húngaros, convencen a Albert Einstein para que firmeuna carta dirigida al entonces presidente de Estados Unidos Franklin Delano Roosevelt, advirtiéndole del peligro

que entrañaba el descubrimiento de la fisión del átomo.

La famosa carta, aún en controversia, sin justificación, dado que Einstein no participó en la construcción de labomba atómica, provocó que los EUA aceleraran las investigaciones de la fisión nuclear para impedir que losalemanes tomaran la delantera. Y efectivamente, no pudieron tomarla porque los físicos más importantes seencontraban exiliados en EUA. Sin embargo, el mal uso de la energía nuclear fue lo que aceleró las investigacionesy produjo los desastrosos resultados conocidos por todos: la bomba atómica arrojada en 1945 sobre las ciudades

japonesas de Hiroshima y Nagasaki.

En 1940 E. M. McMillan, J.W. Kennedy y A.C. Wahl descubren el plutonio, elemento producido en los reactoresnucleares y que se utiliza para hacer la bomba atómica, utilizando el ciclotrón de 1.5 metros de Berkeley. Unequipo impresionante de físicos trabajaba entonces para lograr producir una reacción en cadena controlada y, "de

pasadita", el combustible necesario para la fabricación de la bomba.

Sólo cuatro años después del descubrimiento de la fisión, el 2 de diciembre de 1942, Fermi y sus colaboradores,después de algunos fracasos, logran construir en Stagg Field, Chicago, bajo la dirección de Arthur H. Compton, laprimera pila de uranio, primer reactor nuclear, en el lugar donde se proyectaba instalar una cancha de squash parala Universidad de Chicago. Para entonces, en varios sitios de EUA se investigaba cómo lograr la fisión controlada,por ejemplo en las universidades de Berkeley y Columbia.

El momento en que la pila de uranio de Chicago alcanzó el nivel crítico, según narra Fermi, fue como sigue:

En la mañana del 2 de diciembre de 1942, las indicaciones demostraron que se habían excedido ligeramentelas condiciones críticas, y que la reacción en cadena no se efectuaba dentro del sistema únicamente por la

absorción de las tiras de cadmio. Durante la mañana, con cuidado se retiraron todas las tiras de cadmio menosuna; esta última se extrajo poco a poco, y se vigiló de cerca la intensidad. A partir de las mediciones, seesperaba que el sistema se volviera crítico al remover un tramo de cerca de ocho pies de esta última tira. Enefecto, cuando se removieron cerca de siete pies de altura, la intensidad se elevó a un valor muy alto, pero aunasí, se estabilizó después de algunos minutos en un nivel finito. Con algo de ansiedad, se dio la orden deremover un pie y medio de la tira. Esta operación nos llevaría a la victoria. Cuando se retiró el pie y medio,muy lentamente comenzó a elevarse la intensidad, pero en una proporción cada vez mayor, que siguiócreciendo hasta que se hizo evidente que finalmente se desviaría. Luego se insertaron las tiras de cadmiodentro de la estructura y la intensidad decayó con rapidez a un nivel insignificante.

En los primeros experimentos se utilizó uranio natural (238), pero dado que se podían partir los núcleos conneutrones lentos, se formaron dos equipos de investigación: el de Dunning y Booth bajo la asesoría de Urey



(descubridor del agua pesada), que trabajaba con uranio enriquecido, y el de Fermi, Szilard, Zinn y Anderson, queempleaba uranio natural.

Poco después, el Proyecto Manhattan, dirigido por el general Leslie Groves y con J. Robert Oppenheimer, comouno de los jefes, dio su fruto letal: las tres primeras bombas atómicas construidas en Los Alamos, Nuevo México.

Sin embargo, toda moneda tiene dos caras. El reverso de la desgracia que representó la utilización de la energía dela fisión en las bombas atómicas lanzadas sobre Hiroshima y Nagasaki fue la construcción del reactor nuclear.Después del reactor de Chicago se construyeron rápidamente centrales nucleares en Canadá, Francia, la ex URSS,Alemania e Inglaterra.

Hasta ahora se ha dado un panorama general de los hechos más relevantes que llevaron a la construcción del primerreactor, y sólo han pasado cincuenta años desde entonces. No obstante, estos sucesos se aquilatan mejor si se tieneuna idea general del funcionamiento de un reactor nuclear.

Un reactor es un sistema en el cual se libera calor como producto de la fisión nuclear controlada, el cual seaprovecha para generar electricidad, producir radioisótopos y hacer investigaciones científicas.

Para su funcionamiento, el reactor requiere de un combustible: uranio y torio son los elementos más adecuados.Más adelante se verá por qué.

El átomo se compone de un núcleo y de electrones con cierta probabilidad de encontrarlos en un lugar determinado

alrededor del núcleo. Éste está formado por dos tipos de partículas: los protones y los neutrones. Los protonestienen una masa de 1.673 X 10-27 kg, ligeramente menor que la de los neutrones (1.675 X 10-27 kg). Los protonesestán cargados positivamente, mientras que los neutrones no tienen carga.

La estructura de los núcleos atómicos depende del número de protones y neutrones de cada núcleo. El número deprotones o número atómico se designa por la letra Z, y el número de nucleones (protones más neutrones) se llamanúmero de masa o másico y se representa por la letra A. De manera que el número A-Z da el número de neutronesde un átomo. Por ejemplo, 238U92 quiere decir uranio con Z=92 protones y A=238 nucleones, por lo tanto, A-

Z=146 neutrones. En cambio, el 235U92 tiene Z=92 protones y A-Z=143 neutrones. El primero, 238U92, es el

llamado uranio natural y es el que más abunda en la naturaleza. El 235U92, tiene que enriquecerse, ya que se

encuentra en una proporción de 0.7% mezclado con el uranio natural. Entre los procesos de enriquecimientopueden mencionarse la difusión y la centrifugación; ambos requieren de una tecnología compleja.

En el método de difusión gaseosa se aprovecha el hecho de que como el 235U92 es más ligero que el 238U92, la

velocidad de difusión del 235U92 a través de una delgada capa (metal poroso) es más rápida. Para lograrlo, los

óxidos sólidos de uranio se transforman en hexafluoruro de uranio (UF6), compuesto que se puede convertir en

vapor fácilmente. Como la concentración de uranio enriquecido (235U92) aumenta lentamente, es necesario repetir

el proceso de difusión muchas veces con ayuda de bombas y condensadores.

El proceso de enriquecimiento por centrifugación se basa en que el gas de hexafluoruro de uranio (UF6) —que

contiene tanto uranio natural (238U92) como enriquecido (235U92)—, al someterse a la centrifugación (como cuando

nos metemos al torbellino en una feria), desplaza a los bordes el uranio natural más pesado y deja más cerca del

centro al uranio enriquecido, que es más ligero. El uranio ligeramente enriquecido se recoge mediante unas tuberíasy se vuelve a centrifugar. Este procedimiento se repite varias veces hasta conseguir la concentración adecuada. Laventaja del método de centrifugación es que consume la décima parte de energía que el de difusión.

El número atómico o de protones determina químicamente a un elemento, aunque cambie en número de neutrones;de manera que a un elemento con diferente número de neutrones pero igual número de protones se le llama isótopo.En el ejemplo anterior el uranio 235 y el 238 son dos isótopos del mismo elemento: uranio. Los isótopos sonquímicamente idénticos, pero su estructura nuclear es muy diferente. Tanto así, que los dos grandes grupos dereactores se dividen en los que utilizan uranio natural como combustible en forma de óxido de uranio (UO2) y los

que usan uranio enriquecido, como hexafluoruro de uranio (UF6). La diferencia entre ambos sólo son tres

neutrones.



Si pudiéramos colocar en una balanza de equilibrio las partículas que constituyen el núcleo, separadas en uno de losplatos, y en el otro todo el núcleo, observaríamos un fenómeno interesante: el plato donde se encuentran laspartículas que componen el núcleo separadas, pesará más. Esta diferencia de masa entre ambos estados se debe a laenergía que mantiene unidos a los protones y los neutrones y se denomina energía de amarre. Dicha energía es laque se aprovecha al romper los núcleos atómicos y se calcula a partir de la fórmula de Einstein, E = mc², queestablece la equivalencia entre masa y energía.

Cuando se hace incidir un haz de neutrones en un núcleo de uranio pueden ocurrir tres cosas: 1) una reacción dedispersión en la que, debido a colisiones elásticas o inelásticas, se da únicamente un intercambio de energía entre elnúcleo y los neutrones; 2) una captura radiactiva, en la cual un neutrón es capturado (lento, en la mayoría de los

casos), se emiten partículas gamma (γ ) o fotones de alta energía y posteriormente el átomo radiactivo decaeformando otro elemento, que a su vez emite partículas beta (β) o electrones; 3) una fisión nuclear, en la cual losnúcleos de número másico elevado, y sólo éstos, absorben un neutrón. El elemento pesado, al absorber el neutrónprovoca que las fuerzas nucleares de atracción entre protón-protón, neutrón-neutrón y protón-neutrón, seancomparables a las fuerzas de repulsión electrostáticas (o coulombianas) entre los protones cargados positivamente.

Es decir, la fisión consiste en el rompimiento de un núcleo atómico pesado para formar dos ligeros, proceso duranteel cual se libera gran cantidad de energía (véase la figura 30).

Figura 30. Reacción en cadena de un núcleo de uranio enriquecido con moderador de neutrones.

El núcleo, como resultado de la colisión con el neutrón se rompe en dos núcleos de manera parecida a como ocurrecuando una gota de agua se divide en dos. En caso de que los neutrones incidentes sean lentos, los fragmentos denúcleo guardarán una relación de 2 a 3 respecto a su masa. Éste es el caso del bario y el kriptón, y en general decualquier pareja de elementos altamente radiactivos. Los núcleos resultantes de la fisión se llaman productos defisión (véase la figura 30).

En las reacciones de fisión se rompen generalmente núcleos de tono, uranio o plutonio. El resultado son dosnúcleos ligeros y la liberación de una enorme cantidad de energía en forma de calor y, en algunos casos, otrosneutrones.

La energía liberada al bombardear un núcleo de uranio-235 es de aproximadamente 200 MeV (megaelectrón-volts). Para tener una idea de lo que representa esta cifra, equivale a una energía tres millones de veces mayor quela liberada en la combustión de carbón. La mayor parte de la energía liberada (salvo la de los neutrinos) seconvierte en calor (véase el cuadro IX).

CUADRO IX. Distribución aproximada de la energía liberada en la fisión de un núcleo radiactivo.

MeV (megaelectrón-volts)



Energía cinética de los fragmentos de fisión 168

Energía Instantánea de los rayos gamma (γ ) 7

Energía cinética de los neutrones de fisión 5

Partículas beta (β) de los productos de fisión 7

Rayos gamma (γ ) de los productos de fisión 6

Neutrinos (partículas sin carga y sin masa) 10

Total 203

Por otro lado, hay núclidos (núcleos característicos) fisionables únicamente con neutrones de mucha energía,llamados neutrones rápidos; éstos son el torio-232 y el uranio-238. En cambio, hay otros que se pueden romper conneutrones de cualquier energía y en particular con neutrones de baja energía, llamados neutrones lentos. Éstos son:uranio-233, uranio-235 y plutonio-239. A este último tipo de núcleos se les llama fisibles para distinguirlos de losprimeros, llamados fisionables.

Los neutrones lentos tienen mayor probabilidad de provocar una reacción de fisión —según lo demostró Fermi—,ya que pasan cerca del núcleo radiactivo durante más tiempo (la sección eficaz de dispersión es mayor para losneutrones lentos).

La energía calorífica liberada en la fisión de un kilogramo de uranio-235 es de 81 X 1012 joules y la de unkilogramo de plutonio-239 es de 79.5 X 1012 joules.

Una reacción de fisión puede controlarse cuando se logra que en promedio se produzcan dos o tres neutronescapaces de chocar con otros núcleos de uranio. Éste es el proceso que ocurre en el interior de un reactor. La formafísica de evaluarlo consiste en medir una cantidad llamada factor de reproducción, que es igual al cociente delnúmero de neutrones producidos en un intervalo corto de tiempo, entre los neutrones absorbidos por cualquierproceso más los neutrones perdidos también en ese intervalo. Si este valor, designado por la letra k, es igual a 1, elreactor se denomina crítico; si es menor o mayor que 1 se llama subcrítico o supercrítico, respectivamente.

La cantidad mínima de combustible necesaria para producir una reacción en cadena controlada, en el caso de unreactor, o sin control, cuando se trata de una bomba atómica, se denomina masa crítica y de ésta dependen lasdimensiones del reactor (debe haber cierta densidad de neutrones producidos). Para el uranio-235, en ciertascondiciones, la masa crítica es de aproximadamente 1 kg. Sin embargo, el uranio, tal y como se encuentra en lanaturaleza, nunca puede alcanzar las condiciones críticas (afortunadamente).

Un reactor, para producir energía eléctrica funciona como sigue: la parte más importante del reactor es el núcleo.En él se encuentran las barras de combustible, el moderador, el refrigerante, las barras de control, el reflector y lafuente de neutrones. Todos ellos están protegidos, para evitar que salgan las radiaciones, con una gruesa capa deacero llamada vasija del reactor y posteriormente una gruesa protección de concreto armado. Los componentesvarían según el tipo de reactor. La fuente de neutrones puede ser de polonio-berilio o radón-berilio, emisores departículas alfa (α), núcleos de helio. Ésta se acerca a las barras de combustible para iniciar la reacción nuclear.

Las barras de combustible están rodeadas de un material o sustancia llamado moderador. El moderador se encargade frenar los neutrones para aumentar la posibilidad de producir fisiones nucleares. Como moderadores se utilizanel agua pesada (bióxido de deuterio), en los reactores canadienses CANDU, que operan con uranio natural, y aguanatural en los reactores BWR y PWR (de agua hirviente y agua a presión, respectivamente), que trabajan con uranioenriquecido (véase la figura 31). También se utiliza berilio, óxido de berilio y carbón en forma de grafito. Elreflector se encarga de reducir las pérdidas de neutrones en las paredes del núcleo del reactor. Las barras de controlal sumergirse absorben gran cantidad de neutrones; éstas son generalmente de boro o cadmio, y su función escontrolar la potencia del reactor al grado de poder pararlo inmediatamente.



Figura 31. Diagrama de un reactor de agua a presión (PWR). (FUENTE: CFE.)

El refrigerante es el fluido que absorbe el calor producido por la fisión y lo transporta fuera del núcleo del reactor.En algunos casos el moderador y el refrigerante son de la misma sustancia, por ejemplo, de agua; pero elrefrigerante puede ser de sodio líquido, una mezcla de sodio y potasio, bióxido de carbono o helio.

El calor producido por la fisión se lleva fuera del núcleo (véase la figura 31) y mediante un intercambiador de calor(exceptuando el caso en que el refrigerante sea agua) se aprovecha dicho calor para producir vapor de agua, que va

directamente a una turbina conectada a un generador, para así producir energía eléctrica.

Existen varios tipos de reactor: PWR (reactor de agua a presión y uranio enriquecido), BWR (reactor de aguahirviente y uranio enriquecido), CANDU (reactor de agua pesada como moderador que utiliza uranio natural ybarras de combustible presurizadas), HTCR (reactor que usa como refrigerante helio gasificado a alta temperatura ygrafito como moderador) y FBR (reactor rápido de cría, en el que a partir de neutrones rápidos se producengrandes cantidades de plutonio, más que el producido originalmente, de manera que no hay que recambiar lasbarras de combustible).

Cada tipo de reactor tiene ventajas y desventajas; sin embargo, una condición que todos deben satisfacer es laseguridad, es decir, una alta probabilidad de que no ocurran accidentes, ya que los productos de fisión sonaltamente radiactivos, lo que puede constituir una amenaza para cualquier forma de vida y afectar el medio. Por

ello, la seguridad en los reactores es fundamental. Otro gran problema es el almacenamiento o el destino que se déa los desechos radiactivos. Pese al rechazo social que ha ocasionado la energía nuclear por los accidentes ocurridosy por el destino de los desechos radiactivos, la tecnología nuclear es un recurso que se debe conocer y considerardentro de las posibilidades energéticas, porque es un recurso real que proporciona a la población grandes cantidadesde energía eléctrica. En el cuadro X se proporciona la radiación que recibe un ser humano en un año. Como puedeobservarse, la cantidad de radiación natural es superior a la artificial

CUADRO X. Radiación que recibe una persona anualmente.

Radiación Milirems (mrem)



Radiación natural

Materiales terrestres 60

Rayos cósmicos (Sol y estrellas) 50

Materiales de construcción 5-15

Materiales terrestres 10

SUBTOTAL 125-135

Radiación del cuerpo humano por elementos radioactivos presentes en él 25

Radiación artíficial

Radiografías y fluoroscopías 40

Aparatos de televisión 5

Viajes en avión (más de 7 h) 5

Centrales nucleares 3

Relojes con carátula luminosa 2

SUBTOTAL 55

TOTAL 205-215

FUENTE: CFE,1987

En el caso de México, se está construyendo la segunda unidad de la Central Nucleoeléctrica de Laguna Verde,Veracruz (es del tipo BWR). La primera ya genera 654 MW de potencia y es el primer reactor nuclear para producirelectricidad que posee el país. La segunda unidad entrará en operación en pocos años y generará una cantidadsimilar de energía eléctrica.

También existen algunos reactores nucleares para experimentación, como el que tiene el Instituto Nacional deInvestigaciones Nucleares, en Salazar y el del Instituto de Investigaciones Nucleares, en la UNAM, pero todos éstosson reactores subcríticos.

VIII. 2. FUSIÓN NUCLEAR

En todas las estrellas y en el Sol, en particular, se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear. A temperaturas demillones de grados los átomos se disocian y quedan cargados eléctricamente o ionizados en un estado de la materiaque se denomina plasma. En estas condiciones se rompen las barreras que mantienen unidos a los electrones con elnúcleo, los cuales se denominan coulombianas y se pueden unir los núcleos de los átomos, liberando grandescantidades de energía.

En la fusión, las reacciones nucleares que ocurren en las estrellas se han reproducido en condiciones simplificadas

y artificiales en los laboratorios terrestres. En una reacción de fusión dos núcleos de elementos ligeros como elhidrógeno se unen para formar uno pesado, con una energía de amarre mayor que cualquiera de los núcleos ligeros.Dado que la energía de amarre es mayor, hay un déficit de masa o una masa faltante, que se manifiesta de acuerdocon la fórmula de Einstein como una gran liberación de energía.

Los elementos e isótopos que se utilizan para producir una reacción de fusión son el deuterio, el tritio (isótopos delhidrógeno) y el helio (véase la figura 32). En los reactores de fusión, la reacción más conveniente en términosenergéticos es la de deuterio y tritio. El primero se encuentra en el agua y el segundo se puede producirartificialmente a partir del litio. En términos de abundancia y costo, la reacción más conveniente es la de deuteriocon deuterio.



Figura 33. Diagrama esquemático de un TOKAMAK. Reactor de fusión por confinamiento magnético.

En México se ha construido en el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares un TOKAMAK experimentalllamado Novillo.

Hasta ahora, en la mayoría de los TOKAMAK los tiempos de confinamiento han sido de milésimas de segundo, razónpor la cual se ha invertido más energía en calentar el plasma que la que se obtiene de la fusión nuclear.

2) Otra forma de lograr una reacción de fusión es el método de confinamiento inercial. En la fusión por el métodode confinamiento inercial se ha utilizado un láser muy potente (de 30 000 000 000 de watts) que se parte en variosrayos y el pulso tiene una duración de una mil millonésima de segundo. Los "brazos" del láser se hacen incidir enuna minúscula pelotita que contiene deuterio y tritio. El láser provoca un gran aumento repentino de la presión ytemperatura en la cápsula con deuterio y tritio, y la fuerza de inercia comprime a los núcleos hasta lograr la fusión.

Hasta ahora no se ha logrado construir un reactor de fusión comercial, esto es, que sea capaz de producir energíaeléctrica. Sin embargo, en Inglaterra se han obtenido progresos considerables. En Rusia se tienen grandesTOKAMAK, al igual que en Japón. En relación con los sistemas de confinamiento inercial, en el LawrenceLivermore Laboratory, en California, funcionan los dos grandes láseres de fusión llamados Shiva y Nova.

Entre las reacciones de fusión más convenientes, la de deuterio-tritio tiene la ventaja de que el deuterio se encuentraen forma abundante en la naturaleza y el tritio se puede producir a partir del litio como ya se había mencionadoanteriormente.

Una de las grandes ventajas de la fusión controlada es la escasa radiación producida, así como la corta vida de loselementos radiactivos como el tritio (isótopo del hidrógeno), que en realidad es el único producto radiactivo de lasreacciones de fusión, los neutrones que decaen en átomos de hidrógeno y los productos radiactivos que se producencuando los neutrones chocan con las paredes del contenedor, que dependen de la estructura del mismo. Todo loanterior, sin considerar que se produce (en el caso de la reacción deuterio-tritio) cuatro veces más energía que en lafisión nuclear. Basta esperar que se den las condiciones de ignición del reactor, es decir, que se produzca másenergía de la que se invierte para lograr la fusión.



IX. LA CUERDA DEL MOVIMIENTO: ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA

CUANDO jugamos con un balero notamos que después de cierto tiempo nos cuesta más trabajo hacer capiruchos,debido a que la cuerda se ha enredado. Si dejamos el balero colgando observamos que empieza a girar solo a granvelocidad en un sentido; lo mismo ocurre con un yoyo. ¿Qué ocasiona que se mueva el balero? La respuesta laencontramos en el almacenamiento de energía. Una parte de la energía que hemos empleado para jugar se haalmacenado en la cuerda y se manifiesta posteriormente como energía cinética.

También la cuerda de los juguetes es otro mecanismo en el que interviene el fenómeno de almacenar energía. Hoy,en todos los juguetes de pilas se almacena energía. De hecho, las pilas son uno de los múltiples sistemas dealmacenamiento de energía.

En la vida cotidiana, el sistema de almacenamiento más conocido es la batería de un automóvil (construida a basede plomo y un ácido), cuya diferencia con una pila es que aquélla es recargable, mientras que la mayoría de laspilas comunes se descargan y no pueden recargarse.

Pero, además de los juguetes y las baterías, los sistemas de almacenamiento de energía tienen dos aplicaciones agran escala:

1) Posibilitan hacer un uso más eficiente de la energía que se consume. Para ello, es posible guardar la energíadurante los periodos de baja demanda, mediante un sistema de almacenamiento de energía, y utilizarla en losperiodos de alta demanda. Esto puede hacerse en ciclos diarios, semanales, mensuales, estacionales, etc. Se hademostrado que si se emplea el almacenamiento de energía en ciclos diarios, se puede reducir un 3% la unidadsuperior de demanda y con ciclos semanales se reduce un 5%. En la figura 34 se muestra una curva típica semanalde demanda de energía que se satisface con los diferentes tipos de centrales eléctricas. Comúnmente las plantastermoeléctricas de combustible de bajo precio se utilizan para satisfacer la demanda de energía en las horas en quese gasta más energía o demanda pico, cuya eficiencia es de alrededor de 25%. En estos casos, la introducción de unsistema de almacenamiento puede reducir en 5% la máxima demanda de energía, porque se aprovecha máseficientemente en el tiempo.

En la gráfica A se muestra una curva típica de la genercaión de energíaeléctrica de todas las centrales eléctricas a lo largo de una semana (como puedeobservarse, en las noches, sábado y domingo se requiere menos energíaeléctrica). En B se muestra la misma curva pero con la introducción de unsistema de almacenamiento. se guarda la energía en las noches, sábado ydomingos y se genera para satisfacer la demanda pico, con este sistema sepuede conseguir un ahorro de energía eléctrica.

Figura 34. Almacenamiento de energía.



Los volantes giratorios o flywheels son ruedas hechas de un material muy resistente a la tensión y con unadistribución de materia que ayuda a soportar grandes velocidades (por ejemplo, un tipo de rueda es más delgada enel borde y aumenta de espesor conforme nos acercamos al centro). En los volantes giratorios se almacena energíacinética que es directamente proporcional a la tensión del material e inversamente proporcional a la densidad delmismo. Conforme aumenta la velocidad de giro del volante, aumenta la energía almacenada.

Hay distintas formas de volantes giratorios: anillos concéntricos unidos por resinas, miles de pequeñas fibras unidasen el Centro como si se tratara de un manojo de espaguetti, ruedas con grosor decreciente y anillos suspendidosmagnéticamente.

Para generar electricidad los volantes giratorios se colocan en una unidad sellada al vacío, para evitar las pérdidaspor fricción con el aire y se conectan a un motor-generador.

Para entender mejor este sistema, en San Francisco se pusieron a operar unos tranvías con volantes giratorios.Durante las bajadas, el movimiento de las ruedas del tranvía hacía que se generase electricidad, la cual sealmacenaba como energía cinética del volante giratorio y durante las subidas la energía almacenada en el volante seempleaba para mover el motor eléctrico del tranvía.

En los sistemas de calor latente o sensible se aprovecha, valga la redundancia, el calor latente o sensible de unmedio de almacenamiento para guardar el calor. En el proceso, un fluido de trabajo pasa o transfiere el calor de lafuente de almacenamiento.

En el sistema de almacenamiento de calor latente se aprovecha el calor que produce una sustancia cuando cambiade fase. El cambio de sólido a líquido es el que más se utiliza en la práctica. Para guardar el calor se utilizan, porejemplo, lechos de roca, agua caliente, líquidos orgánicos, metales, ladrillos, sales, etc. Para seleccionar losmateriales se debe considerar que posean una alta capacidad calorífica (calor sensible) o un valor elevado de calorde fusión (calor latente). En ambos casos, la temperatura máxima y mínima, así como la densidad de energía, sonlos criterios que más pesan para elegir un material adecuado.

IX. 1. LOS IMANES SUPERCONDUCTORES Y OTROS SISTEMAS QUÍMICOS PARA ALMACENARENERGÍA

El fenómeno de la superconductividad consiste en que, al bajar la temperatura de algunos materiales como elmercurio, el niobio, el plomo o el tantalio o aleaciones como el estaño, llega un momento (temperatura crítica) enque la resistencia al paso de la corriente se hace igual a cero, y en consecuencia, las pérdidas por la potenciadisipada son despreciables. Por otro lado, otra propiedad de los superconductores es la presencia del efectoMeissner, que consiste en que éstos no permiten la presencia de un campo magnético, propiedad que posibilita queun superconductor flote en el aire si se coloca abajo de un imán. Estas propiedades tienen muchas aplicaciones enlos sistemas eléctricos.

Un imán superconductor es una bobina hecha de un material superconductor (un alambre enrollado en un núcleo)por la que se hace pasar una corriente elevada, produciéndose un campo magnético que induce una corrienteeléctrica, aunque existe un campo magnético crítico y una corriente crítica para los cuales la superconductividaddesaparece.

En los imanes superconductores la energía almacenada es proporcional al cuadrado del campo magnéticoproducido. Se ha propuesto almacenar energía mediante grandes bobinas enterradas bajo tierra, hechas demateriales superconductores, pues en estas condiciones las corrientes serían elevadas y los campos magnéticos quese producirían serían intensos. Así, se puede lograr que una corriente eléctrica se mantenga almacenada girando enla bobina sin pérdidas. Dichas bobinas deben estar provistas de un sistema de enfriamiento para alcanzar lascondiciones de superconductividad.

La gran ventaja de los imanes superconductores es su elevada eficiencia, así como el almacenamiento directo quese logra de la energía eléctrica.

Se debe mencionar un descubrimiento reciente que de seguro provocará cambios tecnológicos y que servirá paralograr un aprovechamiento continuo de la energía solar: los nuevos materiales superconductores, llamados



superconductores de alta temperatura o calientes, hechos a base de óxidos de cobre con elementos de las tierrasraras como lantano e itrio.

Como se mencionó anteriormente, los sistemas de almacenamiento son indispensables para la utilizaciónininterrumpida de las fuentes intermitentes de energía, ya que con ellos dicha energía puede aprovecharse tambiéndurante las noches, así como para aumentar la eficiencia del proceso de demanda (le energía eléctrica. De estossistemas, los imanes superconductores constituyen la forma más eficiente de almacenamiento; sin embargo, hastaahora eran sumamente costosos, ya que requerían de un sistema de refrigeración muy complejo y helio líquido paraalcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto (-273º C).

Con los nuevos materiales superconductores esta desventaja desaparece. Como se señaló anteriormente, cuando haysuperconductividad, la resistencia al paso de una corriente eléctrica es cero o nula. Con los novedosos materiales lasuperconductividad puede lograrse a temperaturas mucho más altas que las obtenidas anteriormente (-175º C), loque permite utilizar nitrógeno líquido como refrigerante, que es un elemento abundante en la atmósfera, lo cualsignificaría un sistema de refrigeración más sencillo y por lo tanto menos costoso.

De lo anterior se desprende que con los nuevos materiales, en un plazo cercano se encontrará un sistema dealmacenamiento de energía que abaratará el aprovechamiento continuo de energía.

En México, el Instituto de Investigaciones en Materiales y el Instituto de Física, ambos de la UNAM, han producidodiversos materiales superconductores de alta temperatura.

En general, los nuevos materiales superconductores inauguran un área de investigación en el campo de losenergéticos y, en particular, serán de gran utilidad en el aprovechamiento de las fuentes no convencionales querequieren de sistemas de almacenamiento, como es el caso de la energía solar o la eólica. Probablemente se puedanconstruir superconductores combinados con páneles de celdas solares o aerogeneradores, capaces de proporcionaruna alternativa más atractiva para el aprovechamiento de la energía solar en México y en el mundo.

Por otro lado, existen sistemas químicos para almacenar energía. Éstos son: el almacenamiento de hidrógeno, quese puede generar en la electrólisis del agua, para convertirlo en electricidad en una celda de combustible; los tubostermoquímicos, en los cuales se lleva a cabo una reacción endotérmica del lado de la fuente de calor y unaexotérmica, del lado de la demanda de energía; las bombas de calor, y, finalmente, las baterías o pilas.

Las baterías o pilas son dispositivos electroquímicos que convierten la energía eléctrica (en forma de corriente

directa o constante) en energía química durante la carga de la batería, y durante la descarga, convierten la energíaquímica en energía eléctrica. En los sistemas de almacenamiento de energía sólo se pueden emplear las bateríasrecargables. De ellas, la más conocida es la batería de automóvil, que es una batería que funciona con la reacciónquímica que se produce cuando se combina plomo con un ácido. Sin embargo, existen otras que son apropiadaspara el almacenamiento, como las de cloruro de zinc y agua (ZnCI

2.H20), las de litio, con una aleación de sulfuro

ferroso (Li-FeS) y las de sulfuro de sodio (NaS). El costo, la duración, la eficiencia, la vida útil de la batería, así como la energía que puede proporcionar por unidad de volumen son algunas de las características más importantesque deben considerarse antes de seleccionar algún tipo de pila.

En el cuadro XI se resume la eficiencia de los diversos sistemas de almacenamiento de energía.

Los avances en investigación que se realicen en los sistemas de almacenamiento de energía son indispensables para

que fuentes de energía como la solar o la eólica puedan competir con otras fuentes de energía.

CUADRO XI. Sistemas de almacenamiento de energía.

Físicos Eficiencia (%)

Hidrobombeo 66 (en promedio)

Aire comprimido 69 "

Volantes giratorios 78 "

Calor sencible y latente 65 "



Magnetos superconductores 90 "

Químicos

Batería Li/aleación FeS 58.3-74

Batería NaS y ZnCl2(H2O) 56.7-72.2

Bateria plomo-ácido 60.7-67.7

Celda de combustible con H 24-58

Tubo termoquímico, SO3 23.5

Bomba termoquímica HYCSOS 11.6-14

En el caso de México, es esencial diversificar el uso de las fuentes de energía. Ya se está haciendo en fuentes comola geotermia, la fisión nuclear y el carbón. Sin embargo, deben intensificarse los esfuerzos en la investigación yconstrucción de plantas piloto, así como en la tecnología de la energía solar, la eólica, la energía de la biomasa y lafusión nuclear. El uso eficiente de la energía, así como el desarrollo de sistemas de almacenamiento experimentalesdebe desarrollarse en la práctica.

De igual forma, el ahorro de energía y las medidas prácticas para que la población colabore en el uso racional de la

energía desempeñan un papel importante. Las opciones energéticas individuales o autosuficientes y rurales nodeben dejarse de lado por prestarle más interés a la satisfacción de la macro demanda de energía que requiere elpaís; por el contrario, las iniciativas individuales, pequeñas o regionales, deben estimularse, pues la suma depequeñas partes puede representar una contribución importante para satisfacer la demanda de energía de cualquierpersona.

Finalmente, nuestro país, a diferencia de muchos otros, tiene la fortuna de contar con petróleo para cubrir gran partede la demanda energética. Pero, si nos faltara, ¿cómo se cubrirían las necesidades energéticas de cada persona?Para responder a esta pregunta, sólo añadiremos un ingrediente final: el petróleo es una fuente que tarde o tempranose agotará y algunos países son importadores de energía. El aprovechamiento de las diversas fuentes (véase lafigura 36) debe hacerse seria e inteligentemente, pensando en todas las variables que intervienen a corto, mediano ylargo plazo. La formación de recursos y la investigación práctica y teórica constituyen una forma de aumentar

nuestras reservas.

1041 Cuasar (débil) 1027 Traslación de laLuna

1013 Catarats delNiágara

10-1 Tecla depiano

1039 Nebulosa deAndrómeda 1025 E. Potencial de

océanos 1011E. Aprovch.

de lasmareas

10-3 Colibrí

1037 Cúmulo globular 1023Calor solar querecibe la tierra

1 semana109 Tzunami 10-5 E.P. de un

grano de sal

1035 Traslación de laTierra 1021

E. solar querecibe la Tierra

en 1 hora107 Rayos 10-7 Salto de unapulga

1033 Energía del Sol (1mes)

1019 Terremoto 105 1/2 manzana 10-9 E. en reposode 7 protones

1031 Traslación deNeptuno 1017

Volcanes yfuentes

termales103 Cerillo 10-11 EA de núcleo

de oxígeno

1029 Rotación de laTierra 1015 Huracán 101 Bíceps 10-13 E. en Reposo

del electrón



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condensador. Dispositivo o aparato que se emplea en las centrales de energía para transformar un gas en líquido olicuar un vapor.

coque. Material poroso que se obtiene de los carbones bituminosos cuando se le quitan la materia volátil y elalquitrán. El coque es un componente esencial en la industria de la fundición de hierro y acero.

ciclo de Carnot. Ciclo ideal de una máquina térmica de cuatro etapas, durante las cuales se tiene una temperaturamáxima (o de entrada) y una mínima (de salida). La eficiencia teórica máxima de cualquier máquina térmicacorresponde a la del ciclo de Carnot y es aproximadamente de 60%. En la práctica, los ciclos con los que trabajanlos diferentes motores tienen eficiencias reales inferiores a este valor.

déficit de masa. Masa faltante en una reacción de fusión nuclear que se transforma en energía liberada en forma decalor. Como la energía debe ser igual antes y después de la reacción nuclear, la diferencia de masa o déficit de masase manifiesta como la energía liberada en forma de calor.

deuterio. Isótopo del hidrógeno que posee en su núcleo un protón y un neutrón (D). El hidrógeno común tiene ensu núcleo únicamente un protón.

digestor. Dispositivo que sirve para convertir los excrementos en gas utilizable o biogas, como el metano. EnChina existen más de 5 millones de digestores.

electrodepositado. Proceso químico basado en la electrólisis (proceso que ocurre en una batería de coche común),

en el cual se deposita una capa delgada de un metal sobre algún otro material.energía. Capacidad de realizar trabajo, en el sentido físico, que posee un cuerpo o sistema.

eficiencia. Valor que indica en términos porcentuales o unitarios el cociente de la energía que sale de un sistemaentre la energía que entra. Factor que permite evaluar el funcionamiento de una máquina o la conversión de unaforma de energía a otra. Una eficiencia de 1 o 100% sería una máquina o un proceso perfectos.

eólica. Energía del viento. Eolo, según la mitología griega era el dios del viento.

espectro electromagnético. Diagrama que muestra las diferentes energías (y por lo tanto frecuencias y longitudesde onda) de las ondas electromagnéticas de luz o fotones. Abarca desde los rayos gamma, más energéticos, hastalas ondas de radiofrecuencia, menos energéticas.

evaporador. Máquina o dispositivo que se emplea en las centrales eléctricas para transformar agua u otro líquidoen vapor. Es una caldera con gran cantidad de pequeños tubos en su interior.

FBR (reactor). Reactor rápido de cría (East Breeder Reactor). En este tipo de reactores se utiliza uranio o plutoniocomo combustible y se produce más combustible del que se consume. El combustible sobrante puede emplearsecomo carga en otro reactor. Como refrigerante se emplea sodio fundido.

fisión nuclear. Proceso atómico por el cual un núcleo atómico se parte o fisiona en dos núcleos más ligeros y selibera gran cantidad de energía.

fotones. Partículas con masa en reposo igual a cero que constituyen a la luz y que viajan en el vacío a la velocidad

más alta que se puede encontrar en la naturaleza: 300 000 km/s.

formas de energía. Clasificación física y química de los diferentes tipos de energía. Energía mecánica (cinética ypotencial), térmica o calorífica, electromagnética, química, nuclear, etcétera.

fotoeléctrico. Efecto que se presenta en los metales, mediante el cual los fotones de la frecuencia apropiadaproducen electrones libres, generando una corriente eléctrica. El efecto fue explicado por Einstein gracias a lamecánica cuántica y su explicación le valió el Premio Nobel.

fotosíntesis. Reacción bioquímica que ocurre en las plantas y en la cual el bióxido de carbono, el agua y la energíadel Sol se transforman en glucosa y oxigeno.



potencia. Rapidez con la que se realiza un trabajo o energía por unidad de tiempo.

PWR (reactor). Reactor de agua a presión (Pressurized Water Reactor). Emplea uranio enriquecido comocombustible y agua como moderador y refrigerante.

quark. Palabra acuñada por Murray Gellman y George Sweig en 1963 y tomada de un poema de la obra Finnegan's Wake de James Joyce (Three quarks for muster mark!) para las partículas primarias del átomo. Un protón estáconstituido por tres quarks, dos de tipo Arriba (Up) y uno tipo Abajo (Down). El neutrón tiene dos tipo Abajo y unotipo Arriba.

radiación. Emisión de energía de un cuerpo. Ésta depende de la temperatura a la que se encuentre dicho cuerpo yse calcula con la ley de energía de Planck, la cual señala que la energía de un paquete de energía, cuanto o fotón esigual a la frecuencia multiplicada por la constante de Planck.

radiactividad natural. Desintegración espontánea de los núcleos de los átomos en otros núcleos hasta llegar a unnúcleo estable. Durante la desintegración se producen partículas alfa (núcleos de helio), partículas beta (electroneso positrones) y partículas gamma (fotones de alta energía).

radiactividad artificial. Desintegración provocada por una reacción nuclear, en la cual se hace que un neutrónchoque con el núcleo de algún elemento, partiéndolo en dos núcleos más ligeros, neutrones, otras partículas yliberando gran cantidad de energía durante el proceso de fisión. Los neutrones que llegan a algún tejido vivoprovocan daños irreparables.

radioisótopos. Isótopos de un elemento que producen radiación nuclear.

retorta. Cámara alargada que se emplea en los procesos industriales para destilar el carbón y quitarle la materiavolátil y el alquitrán.

salmuera. Agua con sal que sale de los depósitos geotérmicos, de la cual tienen que quitarse las sales porqueproducen corrosión en diferentes partes de las instalaciones geotérmicas.

separador. Dispositivo que se emplea en las centrales de energía para separar por algún proceso físico, como lacentrifugación, los líquidos de los gases. En el caso de las centrales geotérmicas se emplean el agua del vapor deagua.

semiconductor. Material cuya conducción es intermedia entre un conductor y un aislante. Los materialessemiconductores poseen una banda prohibida con una energía menor de 5 electron-volts. El silicio tiene una bandaprohibida de 1.1 eV. La banda prohibida está entre las bandas de valencia y de conducción.

superconductor. Material en el que al bajar la temperatura hasta una temperatura crítica se presenta el fenómenode la superconductividad. En la superconductividad la resistencia al paso de la corriente es igual a cero y sepresenta el efecto Meissner. Actualmente, se han descubierto los nuevos superconductores cerámicos de altatemperatura, en los que el fenómeno se presenta a -175 grados Celsius.

temascalli. Baño de vapor de agua con hierbas medicinales que utilizaban nuestros antepasados.

TOKAMAK. Reactor de fusión nuclear por confinamiento magnético en forma de dona o toro. La palabra TOKAMAK

es un acróstico de Toroid (toroide), Kamera (cámara), Magnet (imán) y Katushka (bobina). Fue inventado por loscientíficos soviéticos Igor E. Tamm y Andéi D. Sajarov.

trabajo. Producto de la componente de una fuerza sobre la dirección en la que se mueve un objeto por la distanciaque recorre dicho objeto.

transistor. Dispositivo electrónico que se utiliza para amplificar las señales eléctricas. Está hecho de un materialsemiconductor y consta de un emisor, un colector y una base.

tritio. Isótopo del hidrógeno que tiene en su núcleo un protón y dos neutrones (T).

turbogenerador. Turbina unida a un generador. La turbina es un dispositivo mecánico que transforma una



corriente de agua o de gas, a través de unas aspas o álabes, en energía cinética de un eje de giro. Si ese eje giratorioes el de un generador se convierte en energía eléctrica. El generador está compuesto de un rotor (la parte que gira),que consiste en una bobina (alambre de cobre enrollado) y un estator (la parte fija), que es un imán. Cuando elgenerador gira en presencia del campo magnético de un imán se produce una corriente eléctrica en la bobina. Lascentrales de energía emplean turbogeneradores para transformar energía mecánica en eléctrica.



COLOFÓN

Este libro se terminó de imprimir y encuadernar en el mes de agosto de 1993 en los talleres de Impresora yEncuadernadora Progreso, S.A. de C.V., Calz. de San Lorenzo, 244, 09830 México, D.F:, se tiraron 10 000ejemplares.

La Ciencia desde México es coordinada editorialmente por MARCO ANTONIO PULIDO y MARÍA DEL

CARMENFARÍAS.



CONTRAPORTADA

"La energía es deleite eterno", afirmaba el poeta William Blake. A muchos les parece natural llegar a una casa yprender un foco, la radio o calentar algún alimento en la cocina. Sin embargo, atrás de estas acciones cotidianas seencuentran una tecnología y una ciencia que permiten realizarlas. Todas tienen en común que requieren de unafuente de energía, en este caso energía eléctrica y gas. A fin de que haya electricidad en todas las casas se requierede grandes centrales termoeléctricas, hidroeléctricas, carboeléctricas y nucleoeléctricas. Lo mismo ocurre con el

gas, para extraerlo se requiere perforar pozos petroleros y colocar plataformas marinas.En El oro solar y otras fuentes de energía se tratan las diversas fuentes de energía que van desde la solar hasta lafusión nuclear, pasando por el petróleo, el carbón y la energía hidráulica. Para entenderlas, el autor proporcionaalgunos antecedentes históricos, recuadros con anécdotas como la explosión de la olla express cuando Papin lallevó a la Royal Society de Inglaterra, así como sus características fundamentales. El autor hace hincapié enaquellas fuentes de energía que se pueden sostener a largo plazo como la energía solar. Ésta representa unaalternativa para satisfacer la demanda energética de nuestro país que debe apoyarse más de lo que hasta ahora se hahecho. No sólo con la construcción de pequeñas plantas de potencia, sino a través de la instalación de dispositivossolares en las comunidades alejadas de las grandes ciudades en las cuales llevar energía eléctrica resulta una tareamuy costosa.

Juan Tonda Mazón estudió en la Facultad de Ciencias de la UNAM. Trabajó en el área de fuentes de energía delIIE. Ha escrito más de 50 artículos de divulgación científica, es coautor del libro Los señores del cero, publicadopor CNCA-Pangea y es presidente de la SOMEDICYT.

El oro solar y otras fuentes de energía

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