Introducción a la ciencia I. Ciencias Físicas (96 page)

Los peligros de semejante contaminación pueden aún ser mayores si los combustibles fósiles siguen quemándose y en un volumen creciente. En la actualidad, ya se han mantenido conferencias internacionales en relación con este problema.

Para corregir todo esto, el petróleo y el carbón deben limpiarse antes de quemarlos, un proceso que es posible pero que, obviamente, añade gastos al combustible. Sin embargo, aunque el carbón fuese carbono puro, y el petróleo hidrocarburo puro también, mientras se sigan quemando el problema no se acabaría. El carbono se quemaría y produciría dióxido de carbono, mientras que los hidrocarburos producirían dióxido de carbono y agua. Esos productos son relativamente inofensivos por sí mismos (aunque algún monóxido de carbono, que es del todo venenoso, se forma también), por lo que sigue sin descartarse el problema.

Tanto el dióxido de carbono como el vapor de agua son los constituyentes naturales de la atmósfera. La cantidad de vapor de agua varía de vez en cuando y de un lugar a otro, pero el dióxido de carbono se halla presente en cantidades constantes de más o menos un 0,03 % en peso. El vapor adicional de agua añadido a la atmósfera al quemar combustibles fósiles se abre camino llegado el momento en el océano y, por sí mismo, constituye una insignificante adición. Pero ese dióxido de carbono adicional se disolverá, en parte, en el océano, y, en parte, en las rocas, pero algunas cantidades continuarán en la atmósfera.

La cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera ha aumentado en un 50 % respecto de su proporción original en 1900, y todo esto gracias a quemar carbón y petróleo, y sigue aumentando de forma crecientemente medible cada año. El dióxido de carbono adicional no crea problemas en lo que se refiere a la respiración, e incluso puede considerarse beneficioso para la vida vegetal. Sin embargo sí los crea el añadir algo al efecto invernadero, que eleva la temperatura media de la Tierra en una pequeña cantidad. Una vez más, es lo bastante escasa como para ser perceptible, pero la temperatura añadida tiende a elevar la presión del vapor en el océano y mantiene más agua en forma de vapor en el aire, en conjunto, lo cual es suficiente para aumentar todavía más el efecto invernadero.

Así, pues, resulta posible que el quemar los combustibles fósiles pueda activar una elevación suficiente en la temperatura como para que se derritan los casquetes polares, con desastrosos resultados para las líneas costeras continentales. En el caso peor, también es posible un gran cambio climático. Incluso existe la pequeña posibilidad de que se inicie un desbocado efecto invernadero que impulse a la Tierra en dirección a Venus, aunque necesitamos saber aún mucho más acerca de la dinámica atmosférica y de los efectos de la temperatura antes de hacer algo más que conjeturas.

Sin embargo, en cualquier caso el seguir quemando combustibles fósiles es algo que debe tratarse con considerable cautela.

No obstante, el hombre seguirá necesitando energía e incluso mayores cantidades que las requeridas hasta ahora. ¿Cómo proceder entonces?

Una posibilidad es hacer creciente uso de las fuentes cuya energía sea renovable: aprovechar la energía terrestre viviendo de las rentas, no del capital. La madera podría ser ese recurso si se dejara crecer el bosque y se recogiera la cosecha, aunque el bosque por sí solo no bastará ni mucho menos para satisfacer todas las necesidades de energía. También podríamos dar mayor aplicación al poder del viento y el agua, si bien estos elementos tampoco podrán ser nunca algo más que fuentes subsidiarias de energía. Lo mismo cabe decir de otras fuentes potenciales de energía en la tierra tales como la búsqueda de calor interno (por ejemplo, fuentes termales) o el aprovechamiento de las mareas oceánicas.

Mucho más trascendental a largo plazo es la posibilidad de encauzar directamente parte de la vasta energía vertida sobre la Tierra por el Sol. Esta «insolación» produce energía a un ritmo 50.000 veces mayor que toda la energía consumida en nuestro planeta. A este respecto, la «batería solar» es un artificio particularmente prometedor, pues hace uso también de semiconductores (fig. 10.2).

Fig. 10.2. Célula de una batería solar. Los rayos solares inciden sobre la tenue pastilla y liberan los electrones, formando así pares de vacíos-electrones. La divisoria p-n actúa como una barrera, o campo eléctrico, separando los electrones de los vacíos. Por tanto se desarrolla una diferencia de potencial a través de la divisoria, y entonces fluye la corriente por el circuito alámbrico.

Según la han diseñado los «Bell Telephone Laboratories» en 1954, es un «emparedado», plano de semiconductores tipo n y tipo
p
. La luz solar cayendo sobre la placa desaloja de su lugar a algunos electrones. La transferencia se conecta, como lo haría una batería ordinaria, con un circuito eléctrico. Los electrones liberados se mueven hacia el polo positivo y los vacíos marchan hacia el polo negativo, constituyéndose así una corriente. La batería solar puede desarrollar potenciales eléctricos de medio voltio y hasta 9 W de fuerza por cada centímetro cuadrado expuesto al sol. Esto no es mucho, pero lo más espléndido de la batería solar es que no tiene líquidos, ni productos químicos corrosivos ni partes móviles..., se limita a generar electricidad indefinidamente mientras le dé el sol.

El satélite artificial
Vanguard I
, lanzado por Estados Unidos el 17 de marzo de 1958, fue el primero equipado con una batería solar para emitir sus señales radioeléctricas. Estas señales se siguen oyendo todavía al cabo de tanto tiempo, y seguirán dejándose oír durante muchos años.

La cantidad de energía que cae sobre un área de terreno en cualquier lugar soleado de la Tierra es de 9,4 millones de kilovatios-hora por año. Si algunas zonas especialmente favorecidas bajo ese aspecto, es decir, regiones desérticas como el Valle de la Muerte y el Sahara, estuviesen cubiertas con baterías solares y acumuladores eléctricos, podrían proveer al mundo con la electricidad necesaria por tiempo indefinido..., concretamente tanto como viva la raza humana, si no se suicida antes.

Una de las pegas, naturalmente, es la del coste. Los cristales puros de silicio que se deben recortar para las células necesarias resultan caros. En realidad, desde 1954 el precio se ha rebajado hasta un 1/250 de lo que era en un principio pero la electricidad solar sigue siendo diez veces más cara que la generada por el petróleo.

Naturalmente, las células fotovoltaicas pueden llegar a ser más baratas y más eficientes, pero el recoger la luz solar no es algo tan fácil como pueda parecer. Es abundante pero diluido y, como ya he mencionado antes, han de revestirse con dichas células vastas áreas si han de servir para el mundo. Por otra parte, es de noche la mitad del tiempo y aunque sea de día, puede haber niebla, neblinas o estar nublado Incluso el despejado aire del desierto absorbe una detectable fracción de la radiación solar, especialmente cuando el Sol está bajo en el firmamento. Finalmente, el mantenimiento de unas áreas grandes y expuestas de la Tierra podría ser caro y difícil.

Algunos científicos sugieren que tales centrales eléctricas solares deberían colocarse en órbita en torno de la Tierra en unas condiciones en que la luz solar esté intacta, sin interferencias atmosféricas, con lo que la producción por unidad de área se incrementaría hasta 16 veces más, pero no es probable que esto suceda en un futuro inmediato.

Entre el empleo a gran escala de los combustibles fósiles en la actualidad, y el empleo a gran escala de la energía solar en el futuro, se encuentra otra fuente de energía, disponible en grandes cantidades, que hizo su aparición más bien de forma inesperada, hace menos de medio siglo, y que tiene la potencialidad de llenar el hueco entre las dos formas de energía. Se trata de la
energía nuclear
, la energía albergada en los diminutos núcleos atómicos.

La energía nuclear es a veces llamada
energía atómica
, pero se trata de un nombre mal aplicado. Estrictamente hablando, la energía atómica es la energía que contienen las reacciones químicas, como al quemar carbón y petróleo, porque implican la conducta del átomo como un todo. La energía liberada por los cambios en el núcleo es de una clase por completo diferente y de una magnitud muchísimo mayor.

Apenas descubierto el neutrón por Chadwick en 1932, los físicos comprendieron que ahí se les ofrecía una maravillosa clave para desentrañar el núcleo atómico. Puesto que el neutrón no tenía carga eléctrica, podría penetrar fácilmente en el núcleo cargado. Los físicos empezaron inmediatamente a bombardear diversos núcleos con neutrones para observar las posibles reacciones nucleares resultantes; entre los más apasionados investigadores de esa nueva herramienta figuró el italiano Enrico Fermi.

Fermi y sus colaboradores descubrieron que se obtenía mejores resultados cuando se frenaba a los neutrones haciéndoles pasar primero por agua o parafina. Proyectando protones contra el agua o la parafina, los neutrones moderan su marcha tal como lo haría una bola de billar al recibir los golpes de otras. Cuando un neutrón se traslada a la velocidad «termal» (velocidad normal en el movimiento de los átomos), tiene mayores probabilidades de ser absorbido por el núcleo, porque permanece más tiempo en la vecindad de éste. Hay otra forma de enfocarlo si se considera que la longitud de onda asociada al neutrón es mayor, porque la longitud de onda es inversamente proporcional al momento de la partícula. Cuando el neutrón reduce la marcha, su longitud de onda aumenta. Para emplear una metáfora, el neutrón se hace más perezoso y adquiere más volumen. Por consiguiente, golpea el núcleo con mayor facilidad, tal como una bola de bolera tiene más probabilidades de hacer un derribo total que una pelota de golf.

Esa probabilidad asignable a ciertas especies de núcleos para la captura de un neutrón se denomina su «sección transversal». Este término define metafóricamente el núcleo cual un blanco de tamaño concreto. Es más fácil lanzar una pelota de béisbol contra la pared de una granja que hacer puntería en una tabla de 30 cm a la misma distancia. Las secciones transversales del núcleo bajo el bombardeo de neutrones se calculan en mil millonésimas partes de millón de un centímetro cuadrado (10
^–24
de cm
²
). En 1942 los físicos americanos M. G. Holloway y C. P. Baker llamaron
bam
a esa unidad.

Cuando el núcleo absorbe un neutrón, su número atómico permanece invariable (porque la carga del núcleo sigue siendo la misma), pero su número másico asciendo una unidad. El hidrógeno 1 se hace hidrógeno 2, el oxígeno 17 se hace oxígeno 18, y así sucesivamente. La energía que recibe el núcleo del neutrón cuando éste penetra en su masa, puede «excitar» al núcleo, es decir, acrecentar su contenido de energía. Entonces se emite esa energía adicional en forma de rayos gamma.

El nuevo núcleo es a menudo inestable. Por ejemplo, cuando el aluminio 27 capta un neutrón y se hace aluminio 28, uno de los neutrones en el nuevo núcleo pasa a ser rápidamente un protón (emitiendo un electrón). Este aumento en la carga positiva del núcleo ocasiona una transformación: el aluminio (número atómico 13) se hace silicio (número atómico 14).

Como el bombardeo de neutrones parecía un excelente recurso para transformar un elemento en el siguiente de la escala, Fermi decidió bombardear el uranio para ver si podía crear un elemento artificial: el número 93. Analizando los productos tras el bombardeo del uranio, él y sus colaboradores encontraron indicios de nuevas sustancias radiactivas. Creyeron tener ya el elemento 93, y lo llamaron «uranio X». Pero, ¿cómo identificar positivamente el nuevo elemento? ¿Cuáles deberían ser sus propiedades químicas?

Pues bien —se pensó—, el elemento 93 debería estar bajo el renio en la tabla periódica y, por tanto, sería similar químicamente al renio. (En realidad, y aunque nadie lo comprendiera por aquellas fechas, el elemento 93 pertenecía a una nueva y rara serie, lo cual significaba que se asemejaría al uranio, no al renio (véase capítulo 6); así, pues, se partió con el pie izquierdo en la búsqueda de su identificación.) Si fuera como el renio, tal vez se pudiera identificar la ínfima cantidad creada de «elemento 93» mezclando los productos del bombardeo de neutrones con renio y separando después el renio mediante procedimientos químicos. El renio actuaría como un «vehículo», transportando consigo el «elemento 93» químicamente similar. Si el renio demostrara poseer radiactividad, ello traicionaría la presencia del elemento 93.

El físico alemán Otto Hahn y la científica austríaca Lise Meitner, trabajando juntos en Berlín, siguieron esa línea de experimentación. El elemento 93 no se mostró con el renio. Entonces Hahn y Meitner se preguntaron si el bombardeo de neutrones no habría transformado el uranio en otros elementos cercanos a él en la tabla periódica, y se propusieron averiguarlo. Por aquellas fechas —1938— Alemania ocupó Austria, y Fráulein Meitner, que como súbdita austríaca se había sentido segura hasta entonces a pesar de ser judía, se vio obligada a huir de la Alemania hitleriana y buscar refugio en Estocolmo. Hahn prosiguió su trabajo con el físico alemán Fritz Strassman.

Varios meses después, Hahn y Strassman descubrieron que el bario adquiría cierta radiactividad cuando se le agregaba el uranio bombardeado. Ambos supusieron que esa radiactividad debería pertenecer al radio, el elemento situado inmediatamente debajo del bario en la tabla periódica. La conclusión fue que el bombardeo del uranio con neutrones cambiaba una parte de aquel en radio.