Por Michio Kaku
La edad de piedra no se acabó por falta de piedra. Del mismo modo, la era del petróleo acabara mucho antes de que el planeta se quede sin petróleo.
James Canton
¿El final del petróleo?
Hoy en dia nuestro planeta está completamente ligado a los combustibles fósiles, ya sea en forma de petróleo, gas natural, o carbón. Nuestro planeta consume un total de energía de unos 14 billones de vatios, de los cuales un 33% proceden del petróleo, un 25% del carbón, un 20% del gas, un 7% de la energía nuclear, un 15% de la biomasa y de la energía hidroeléctrica, y un modesto 5% de la energía solar y otras energías renovables.
Quien vio claramente el final de la era del petróleo fue M. King Hubbert, un ingeniero del petróleo que trabajaba para Shell Oil. En 1956, Hubbert pronuncio en el Instituto Norteamericano del Petróleo una conferencia trascendental en la que realizaba una alarmante predicción que suscito la burla de la mayoría de sus colegas de la época. Predijo que las reservas petroleras de EE.UU. se estaban reduciendo tan rápidamente que pronto se habría extraído el 50% del petróleo existente en el subsuelo, lo cual daría lugar a un periodo de decadencia irreversible que se situaría entre 1965 y 1971. Observaba que la cantidad total de petróleo que había en EE.UU. se podría representar en un gráfico como una curva en forma de campana, y que nos encontrábamos cerca del máximo de dicha curva. Predijo que a partir de aquel momento las cosas solo podían ir hacia abajo. Esto significaba que el petróleo seria cada vez más difícil de extraer, por lo que sucedería lo inevitable, EE.UU importaría petróleo.
Su predicción parecía temeraria, incluso extravagante e irresponsable, ya que entonces EE.UU. todavía bombeaba una enorme cantidad de petróleo de Texas y otros lugares del país. Pero ahora los ingenieros de petróleo ya no se ríen. La predicción de Hubbert era básicamente correcta. En 1970, la producción petrolera alcanzo un máximo de 10,2 millones de barriles diarios y posteriormente sufrió una caída de la que nunca se recuperó. Hoy en dia EE.UU importa el 59% del petróleo que utiliza. De hecho si comparamos un gráfico de las estimaciones de Hubbert, hecho varias décadas atrás, con un gráfico de la producción real de petróleo en EE.UU. durante 2005, ambas curvas son casi idénticas.
Curvas de Hubbert
Ahora la cuestión fundamental a la que se enfrentan los ingenieros del petróleo es la siguiente: ¿Estamos en el máximo del grafico de Hubbert por lo que respecta a las reservas mundiales de petróleo? Volviendo a 1956, Hubbert predijo también que la producción global de petróleo alcanzaría su pico máximo en unos 50 años. Podría ser que de nuevo tuviera razón. Cuando nuestros hijos miren retrospectivamente hacia nuestra época, ¿Consideraran los combustibles fósiles del mismo modo que nosotros vemos ahora el aceite de ballena, es decir, como una desgraciada reliquia de un pasado lejano?
En muchas ocasiones he pronunciado conferencias en Arabia Saudita y Oriente Proximo, y en ellas he hablado sobre ciencia, energía y el futuro. Por una parte, Arabia Saudita tiene 267000 millones de barriles de petróleo, por lo que parece que ese país flota sobre un enorme lago de crudo. Siempre que he viajado por Arabia Saudita y los estados del Golfo Pérsico he podido ser testigo de un enorme derroche de energía, con enormes fuentes que brotan en medio del desierto, creando gigantescos estanques artificiales y lagos. En Dubai existe incluso una pista de esquí cubierta en la que hay miles de toneladas de nieve artificial, desafiando totalmente al calor abrasador que hace en el exterior.
Pero ahora los ministros del Petróleo están preocupados. Más allá de toda retórica de “reservas de petróleo verificadas”, que supuestamente nos tranquilizan en cuanto a que tendremos mucho petróleo durante las décadas venideras, está la constatación de que muchas de esas cifras autorizadas son solo pura comedia. La expresión “reservas de petróleo verificadas” nos tranquiliza porque suena como algo definitivo y cargado de autoridad, hasta que nos damos cuenta de que esas reservas son a menudo una invención del pensamiento voluntarista y la presión política de un ministro local del Petróleo.
Hablando con los expertos en energía, pude ver que está surgiendo un consenso básico: o bien estamos en el pico más alto de la curva de Hubbert para la producción mundial de petróleo, o tal vez a una década de distancia de ese punto fatídico. Esto significa que en un futuro cercano podríamos entrar en un periodo de caída irreversible.
Por supuesto nunca nos quedaremos sin una gota de petróleo. Continuamente se descubren nuevos yacimientos. Pero los costos de la extracción y el refinado no dejaran de subir de manera vertiginosa. Por ejemplo, Canadá tiene enormes depósitos de arenas bituminosas, suficientes para satisfacer la demanda mundial de petróleo durante décadas, pero la extracción y el refinado no son rentables. EE.UU. tiene unas reservas de carbón que probablemente serían suficientes para 300 años, pero existen restricciones legales, y el costo de extraer todas las sustancias contaminantes, tanto en forma de partículas como gaseosas, resulta muy oneroso.
Además el petróleo sigue encontrándose en regiones del mundo de gran volatilidad política, que contribuyen a la inestabilidad de la política exterior. Si se hace un gráfico de los precios del petróleo a lo largo de décadas, se observa que la curva es como un recorrido en la montaña rusa, con picos que llegan al asombroso precio de 140 dólares por barril en 2008 (y más de 4 dólares el galón), para luego caer en picada a causa de la recesión. Aunque hay violentas oscilaciones debidas a la inestabilidad política, la especulación, los rumores, etc. Una cosa esta clara el precio del petróleo seguirá subiendo a largo plazo.
Nos enfrentamos también a otra situación: el ascenso de una clase media en China y la India, lo cual constituye uno de los grandes cambios demográficos de la era posterior a la Segunda Guerra Mundial y ha generado una enorme presión sobre los precios del petróleo y de las mercancías en general. Como ven las hamburguesas y los garages con dos coches en las películas de Hollywood, ellos también quieren vivir el sueño americano de consumo derrochador de energía.
Economía basada en el hidrogeno solar
En este aspecto, la historia parece repetirse. Si nos remontamos a principio del siglo XX, Henry Ford y Thomas Edison, dos viejos amigos, hicieron una apuesta sobre cuál sería la forma de energía que alimentaria el futuro. Henry Ford aposto por los combustibles líquidos, que sustituirían al carbón, ya que el motor de combustión interna reemplazaría a las máquinas de vapor. Thomas Edison aposto por el coche eléctrico. Fue una apuesta profética, cuyo resultado tendría un profundo efecto en la historia del mundo. Durante un tiempo se pensó que Edison ganaría la apuesta, porque el aceite de ballena era extremadamente difícil de conseguir. Sin embargo el rápido descubrimiento de depósitos de petróleo en Oriente Proximo y en otros lugares, y lo barato que resultaba este combustible, pronto hizo que Ford saliera victorioso. El mundo no ha vuelto a ser el mismo desde entonces, pero en la actualidad la tendencia está cambiando poco a poco. Quizás Edison gane todavía, un siglo después de realizar la apuesta.
En el momento actual, el costo de la electricidad producida mediante células solares es varias veces el precio de la que se produce a carbón. Pero el costo del hidrogeno solar no deja de bajar a causa de los continuos avances tecnológicos, mientras que el de los combustibles fósiles sigue subiendo lentamente. Se calcula que entre diez y quince años, más o menos, las dos curvas se cruzaran. Entonces las fuerzas del mercado harán el resto.
Energía eólica
A corto plazo, las energías renovables como la eólica llevan las de ganar. La capacidad generadora del viento creció en todo el mundo de 17000 megavatios en 2000 a 121000 megavatios en 2008. La energía eólica, que en otros tiempos estaba considerada de poca importancia, se está haciendo cada vez más prominente. Los recientes avances en la tecnología de la turbina eólica han aumentado la eficiencia y la productividad de los parques eólicos, que constituyen uno de los sectores de más rápido crecimiento en el mercado de la energía.
Los actuales parques eólicos distan mucho del viejo molino de viento que daba energía a las granjas y las fabricas a finales del siglo XIX. Un solo aerogenerador no contaminante y seguro puede producir una potencia de 5 megavatios, lo cual es suficiente para abastecer a un pueblo pequeño.
Una turbina eólica tiene unas aspas enormes y lustrosas de unos 30 metros de longitud que giran con una fricción casi nula. Las turbinas eólicas generan electricidad del mismo modo que las presas hidroeléctricas y los generadores de bicicleta. El movimiento rotatorio hace girar un imán que se encuentra dentro de una bobina. El campo magnético producido genera un flujo de electrones en la bobina, creando una corriente eléctrica neta. Un gran parque eólico de 100 molinos puede producir 500 megavatios, lo cual es comparable con los 1000 megavatios que producen una central termoeléctrica o una central nuclear.
Durante las últimas décadas, Europa ha sido líder mundial en tecnología eólica. Sin embargo, recientemente EE.UU. ha superado a Europa en la producción en la producción de electricidad generada por el viento. En 2009, EE.UU. produjo 28000 megavatios a partir de la energía eólica. Pero solo en Texas se producen 8000 megavatios, y este estado tiene otros 1000 megavatios en construcción y aún más en proyecto. Si todo va segundo los planes establecidos, Texas generara 50000 megavatios mediante la energía eólica, más que suficiente para abastecer a este estado de 24 millones de habitantes.
China pronto superara a EE.UU. en energía eólica. Su programa basado en el aprovechamiento del viento creara 6 parques que tendrán capacidad para generar 127000 megavatios.
Aunque la energía eólica es cada vez más atractiva e indudablemente seguirá creciendo en el futuro, no puede aportar toda la energía que se consume en el planeta. En el mejor de los casos, será una parte integrante de un conglomerado energético mayor. La energía eólica se enfrenta a diversos problemas. Se genera solo de manera intermitente, cuando sopla viento, y únicamente en unas pocas zonas concretas del mundo. Además, a causa de las perdidas en la transmisión de electricidad, los parques eólicos han de estar cerca de las ciudades, lo cual limita aún más su utilidad.
Aquí llega el sol
En última instancia, toda la energía proviene del sol. Incluso el petróleo y el carbón son, en cierto modo, luz solar concentrada, porque son consecuencia de la energía solar que recibieron las plantas y los animales hace millones de años.
Las células solares funcionan convirtiendo directamente la luz solar en electricidad. Este proceso lo explico Einstein en 1905. Cuando una partícula de luz, es decir, un fotón, choca con un metal, desplaza un electrón, generando así una corriente.
Sin embargo las células solares no son eficientes. Incluso después de décadas de duro trabajo por parte de ingenieros y científicos, la eficiencia de una célula solar ronda el 15%. La investigación ha ido en dos direcciones. La primera consiste en aumentar la eficiencia de las celulares solares, lo cual constituye un problema técnico de muy difícil solución. La otra es reducir el costo de la fabricación, instalación y construcción de parques solares.
Aunque la energía solar no está todavía en situación de cumplir su promesa, la reciente inestabilidad de los precios del petróleo ha hecho que se intensifiquen los esfuerzos para llevar la energía solar finalmente al mercado. Se están batiendo records cada pocos meses. La producción de energía solar fotovoltaica crece un 45% por ciento anual, duplicándose prácticamente cada dos años. Las instalaciones fotovoltaicas suman actualmente en todo el mundo 15000 megavatios, con un crecimiento de 5600 megavatios solo en 2008.
En 2008, Florida Power & Light anuncio el mayor proyecto de plantas solares de EE.UU.
En 2009, First Solar, la empresa más importante en el ranking mundial de fabricantes de células fotovoltaicas, anuncio que crearía la mayor planta solar del mundo justo al norte de la muralla China. El contrato se está negociando, seria por diez años, contempla la construcción de un enorme complejo solar que contendrá 27 millones de paneles solares de capa fina que generaran una potencia de 2000 megavatios, o el equivalente a la producción de dos centrales termoeléctricas alimentadas con carbón, y producirán energía suficiente para abastecer a 3 millones de hogares. La planta, que cubrirá una superficie de casi 6500 kilómetros cuadrados se construirá en la Mongolia interior y en realidad forma parte de un parque energético mayor.
Construcción de células solares
Usos comunes
Uso hogareño
Transportes solares
El auto eléctrico
Dado que aproximadamente la mitad del petróleo extraído en todo el mundo se utiliza para autos, camiones, trenes y aviones, hay un enorme interés para reformar este sector de la economía.
La transición del petróleo a otras energías consta de varias etapas. La primera es el auto hibrido, que ya está en el mercado y utiliza una combinación de electricidad y gasolina. Este diseño tiene un pequeño motor de combustión interna para resolver los problemas típicos de las baterías: es difícil crear una batería que pueda funcionar para largas distancias y proporcionar una aceleración instantánea.
Pero el modelo hibrido es un primer paso. El vehículo enchufable, por ejemplo, tiene una batería lo bastante potente como para que el coche recorra con energía eléctrica unos ochenta kilómetros antes de tener que recurrir al motor de gasolina. Dado que la mayoría de la gente hace sus desplazamientos al trabajo o para ir de compras recorriendo no más de 80 kilómetros, estos autos pueden funcionar solo con electricidad para ese recorrido.
Un participante en esta carrera por el hibrido enchufable es el Chevrolet Volt, fabricado por General Motors. Tiene una autonomía de casi 65 kilómetros, utilizando solo una batería de ion de litio y de casi 500 kilómetros con el pequeño motor de gasolina.
Chevrolet Volt
Además, está el Tesla roadster, que no tiene motor de gasolina. Lo fabrica Tesla motors, una empresa de Silicon Valley que es la única de EE.UU. que vende autos totalmente eléctricos producidos en serie. El roadster es un elegante coche deportivo que puede circular igual que cualquier auto de gasolina, descartando así la idea de que las baterías eléctricas de ion de litio no pueden competir con los motores de gasolina.
Tuve la oportunidad de conducir un Tesla de dos plazas, propiedad de John Hendricks, el fundador de Discovery Communications, empresa matriz de Discovery Channel. En cuanto me senté en el asiento del conductor, el señor Hendricks me dijo que pisara el acelerador con todas mis fuerzas para probar su auto. Seguí su consejo y hundí el acelerador con todas mis fuerzas para probar su auto. Inmediatamente sentí una súbita oleada de potencia. Mi cuerpo se hundió en el asiento cuando me puse a 100 kilometras por hora en 3,9 segundos. Una cosa es oír como alardea un ingeniero sobre el rendimiento de los autos totalmente eléctricos y otra cosa es pisar el acelerador y sentirlo uno mismo.
El éxito de Tesla ha obligado a los principales fabricantes de automóviles a ponerse al dia, después de décadas de infravalorar el coche eléctrico. Robert Lutz, cuando era vicepresidente de General Motors, dijo: “Todos los genios que trabajan aquí, no paraban de decirme que la tecnología de los iones de litio llegaría en diez años, y Toyota estaba de acuerdo con nosotros, pero, mira por donde, aparece el Tesla. Entonces dije: ¿Cómo puede ser que una pequeña empresa de California que no ha hecho más que empezar, dirigida por unos individuos que no saben nada del negocio automovilístico, sea capaz de hacer esto y nosotros no?”
Tesla Roadster
Nissan está presentando el Leaf, tiene una autonomía de unos 160 kilómetros, una velocidad máxima de 145 km/hora y es totalmente eléctrico.
Nissan Leaf
Después del auto totalmente eléctrico, otro auto que causara sensación es el de celda de combustible. En junio de 2008 Honda anuncio su primer vehículo de celda de combustible, el FCX Clarity. Posee una autonomía de 400 kilómetros y una velocidad de 160 km/hora y todas las comodidades de un sedán cuatro puertas. Al utilizar exclusivamente hidrogeno como combustible, no necesita gasolina, ni carga eléctrica. Sin embargo, como todavía no existe la infraestructura necesaria para conseguir hidrogeno, solo está disponible en alquiler con derecho a compra y en California del sur.
Honda FCX
Posteriormente en 2009, GM, que emergía de la bancarrota anuncio el Chevrolet Equinox de celda de combustible. Detroit, que siempre ha ido por detrás de Japón en cuanto a tecnología de autos pequeños y de los híbridos, intenta conseguir apoyo para el futuro.
Si hablamos superficialmente del auto de celda de combustible, es el auto perfecto. Funciona mediante una combinación de hidrogeno y oxigeno que luego convierte en energía eléctrica, dejando solo agua como residuo. No produce humo. Resulta extraño mirar el escape de un vehículo de celda de combustible, lo que expele son gotitas de agua incoloras e inodoras.
Chevrolet Equinox
El problema que enfrenta el auto de celda de combustible es el mismo que le achacaron a Henry Ford. Las voces críticas afirmaban que la gasolina era peligrosa y que la gente moriría en horribles accidentes automovilísticos, quemados vivos en un choque. Además se necesitaría una gasolinera casi en cada manzana. En todos los aspectos, las criticas eran acertadas. La gente muere a miles cada año en horribles accidentes de tráfico y vemos gasolineras por todas partes. Pero la conveniencia de los autos es tan grande que la gente ignora estos hechos.
Ahora se están planteando las mismas objeciones en contra de los autos de celda de combustible. El combustible de hidrogeno es volátil y explosivo, y tendrían que instalarse estaciones de servicio para repostar hidrogeno. Pero en la medida que se masifiquen la gente los terminara adoptando y la infraestructura acompañara, como el mercado. Es inevitable que bajen los precios y saquen del mercado a los autos de gasolina. Todas las automotrices ya lo saben.
El hidrogeno no es en sí mismo un productor de energía, sino que más bien la transporta. En primer lugar hay que producir gas hidrogeno. Por ejemplo, hay que utilizar electricidad para separar el agua en hidrogeno y oxígeno. Por consiguiente, aunque los autos de celda nos prometen un futuro sin contaminación, sigue existiendo el problema de que la energía que usan proviene en gran medida de la combustión del carbón. No se puede obtener algo a cambio de nada. Pero sería un gran paso eliminar ese 50% de uso de gasolina para motores de combustión, se aumentaría el consumo eléctrico pero no todo es de centrales de carbón, como ya hemos visto existen la energía eólica, solar e hidroeléctrica, además de otras que hablaremos a continuación. Así que el aumento no sería directamente proporcional en cuanto a carbón se refiere.
La fisión nuclear
Una de las formas posibles de crear energía, no solo de transmitirla, es dividir el átomo de uranio. La ventaja que esto aporta es que la energía nuclear no produce grandes cantidades de gases de efecto invernadero, cosa que si hacen las centrales de carbón o petróleo. El problema que plantea la energía nuclear es que, cuando se divide el átomo de uranio, se producen enormes cantidades de residuos nucleares, que permanecen radioactivos durante intervalos de entre miles y decenas de millones de años. Un reactor de 1000 megavatios produce en un año 30 toneladas de residuos altamente radiactivos.
Durante la segunda guerra mundial, solo las naciones más grandes del planeta poseían los recursos, la tecnología y la capacidad que se necesitaba para fabricar una bomba atómica. Sin embargo, en el futuro el umbral puede bajar radicalmente cuando el precio del uranio enriquecido caiga en picada a causa de las nuevas tecnologias. Este es el peligro al que nos enfrentamos: la renovación y el abaratamiento de las tecnologias puede poner la bomba atómica en manos inestables.
La clave para fabricar la bomba atómica es asegurarse grandes cantidades de mineral de uranio y luego purificarlo. Esto significa separar el uranio 238 del uranio 235 que es el adecuado para una bomba atómica, pero solo llega al 0,7% estos dos isotopos son químicamente idénticos, por lo que el único modo de separarlos fiablemente es aprovechar el hecho de que el uranio 235 pesa un 1% menos que su pariente. Las plantas de enriquecimiento de uranio utilizan la tecnología de centrifugación, que hace girar una cápsula que contiene uranio, llegando a velocidades de 100000 revoluciones por minuto. Esto acentúa el 1% por ciento de diferencia en cuanto a masa entre el uranio 235 y el 238. Finalmente el uranio 238 cae a la parte inferior de la capsula. Después de muchas revoluciones se puede retirar el uranio 235 de la parte superior del tubo.
Proceso de enriquecimiento
Uranio Natural
Uranio Enriquecido
Pero hay otro método más barato aun, que es el enriquecimiento por láser. Si se examinan las capas de electrones de estos dos isotopos de uranio, resultan ser aparentemente lo mismo, ya que los núcleos tienen la misma carga. Pero si se analizan con mayor detenimiento las ecuaciones de las capas de electrones se descubre una ligerísima diferencia de energía entre las capas de electrones del uranio 235 y las del 238. Mediante un rayo láser sintonizado con una precisión extrema, es posible sacar electrones de la corteza del uranio 235, pero no del uranio 238. Una vez que los átomos del uranio 235 están ionizados, pueden separarse fácilmente de los átomos de uranio 238 mediante un campo eléctrico.
Durante los años 80 y 90 toda Europa y EE.UU. estuvieron intentando realizar el enriquecimiento por láser, pero no pudieron.
En 2006 unos científicos australianos anunciaron que no solo habían resuelto el problema, sino que tenían intención de comercializarlo. Dado que el 30% del costo de uranio enriquecido es el proceso de enriquecimiento, la empresa australiana Silex cree que podría haber un mercado para esta tecnología.
Metodo de enriquecimiento y Laser para enriquecer uranio
En 2008 GE Hitachi Nuclear Energy anuncio sus planes para construir la primera planta de enriquecimiento de uranio comercial en Wilmington, Carolina del Norte, antes del 2013.
La energía de la fusión
La energía de la fusión se basa en la unión de átomos de hidrogeno con gran cantidad de calor, con lo que libera mucha más energía y produce muy pocos residuos. A diferencia de la energía de la fisión, la de la fusión libera la energía nuclear del Sol. La fuente de energía del universo está encerrada en las profundidades del átomo de hidrogeno. La energía de la fusión ilumina el Sol y los cielos. Es el secreto de las estrellas. Quien logre dominar la energía de la fusión liberara una energía ilimitada y eterna. Además, el combustible que requieren estas plantas de fusión procede del agua de mar ordinaria. Con el mismo peso de combustible, la fusión libera 10 millones de veces más energía que la gasolina. Un vaso de agua de unos 225 gramos equivale a la energía contenida en 500000 barriles de petróleo. La tecnología es calentar y comprimir gas hidrogeno hasta que los núcleos se fusionen, liberando cantidades gigantescas de energía.
Los físicos son prudentemente optimistas. “Hace una década algunos científicos se preguntaban si la fusión era posible, incluso en el laboratorio. Ahora sabemos que la fusión funcionara. La duda es si resultara económicamente rentable” dice David Baldwin de General Atomics, que supervisa uno de los mayores reactores de fusión de EE.UU., el DIII-D.
Fusión por laser
Tuve oportunidad de visitar la instalación NIF de fusión por láser y es algo colosal. Por su estrecha relación con las bombas de hidrogeno, el reactor de la NIF está emplazado en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, donde el ejército diseña ojivas de hidrogeno. Tuve que pasar muchos controles de seguridad antes de finalmente poder acceder a la instalación.
Pero cuando llegue al reactor, viví una experiencia impresionante. Estoy acostumbrado a ver láseres en laboratorios universitarios, pero ver la instalación NIF fue una experiencia abrumadora. Ocupa un edificio de diez pisos del tamaño de tres campos de futbol y tiene 192 rayos laser gigantescos que se disparan por un largo túnel. Es el mayor sistema de laser del mundo y produce 60 veces más energía que cualquier otro anterior a él. Esta planta costo 4000 millones de dólares.
Cuando los rayos laser se disparan por aquel largo túnel, acaban chocando con un conjunto de espejos que enfocan cada rayo hacia un diminuto objetivo que tiene el tamaño de una cabeza del alfiler y que está hecho de deuterio y tritio (dos isotopos del hidrogeno). Resulta increíble, pero 500 billones de vatios de energía laser se dirigen a una diminuta bola que apenas es visible a simple vista, y la abrasan hasta que la bolita alcanza una temperatura de 100 millones de grados, mucho más calor que en el centro del Sol. (La energía de este impulso colosal es equivalente a la producción de medio millón de centrales nucleares en un breve instante). La superficie de esta bolita microscópica se vaporiza rápidamente, lo cual libera una onda de choque que destroza la bolita y libera la energía de fusión.
En la fusión por láser los 192 rayos laser tienen que incidir en la superficie de una bolita diminuta con una precisión extrema para que la bolita implosione uniformemente. Los rayos tienen que acertar en esta diminuta diana con un desfase no mayor de 30 billonésimas de segundo entre uno y otro. El más leve desalineamiento de los rayos laser o la más imperceptible irregularidad de la bolita significa que esta no se calentara de manera simétrica, con lo cual explotara hacia un lado, en vez de implosionar esféricamente. Si la bolita tiene una irregularidad de más de 50 nanómetros (lo que viene a ser unos 150 átomos), no implosionará simétricamente. (es como intentar lanzar una pelota de beisbol desde 500 kilómetros). Por lo tanto, el alineamiento de los rayos laser y la uniformidad de la bolita son los problemas principales a los que se enfrenta la fusión por láser.
Hay otro proyecto, la Unión Europea está preparando su reactor que supuestamente comenzaba su construcción en 2011, ahora, con el desastre económico en que está sumergida Europa habrá que ver si sigue en pie el proyecto.
Fusion por Laser
ITER: la fusión en un campo magnético
En Francia, el Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER) utiliza unos enormes campos magnéticos para contener el gas hidrogeno caliente. En vez de usar rayos laser para implosionar una bolita de material de hidrogeno, el ITER utiliza un campo magnético para comprimir lentamente el gas. La instalación se parece mucho a una rosca hueca (toroidal) que está hecho de acero y tiene unas bobinas magnéticas rodeando el hueco del rosco. El campo magnético impide que el hidrogeno escape de esta cámara toroidal. Entonces se envía una corriente eléctrica que pasa a través del gas, calentándolo. La combinación de comprimir gas mediante un campo magnético y enviar una corriente eléctrica que lo invade hace que el gas se caliente a muchos millones de grados.
El ITER es de los más ambiciosos proyectos científicos internacionales que se han abordado en todos los tiempos. El núcleo de la instalación es una cámara de metal en forma de rosca. En total su peso será de 23000 toneladas. Sus componentes son tan pesados que las carreteras por las que se transportara el equipo han de ser modificadas para tal efecto. Un largo convoy de camiones llevara los componentes, el más pesado de los cuales tiene u peso de 900 toneladas, y el más alto una altura de 4 pisos. El edificio que albergara el ITER tiene una altura de 19 pisos y se asentara sobre una superficie de 60 campos de futbol, se prevé que cueste 10000 millones de euros. Esta instalación generara 500 megavatios que es 10 veces la cantidad de energía que entra inicialmente en el reactor
El problema es que el campo magnético ha de ajustarse con precisión para que el gas se comprima uniformemente sin formar bultos por ninguna parte, ni adoptar formas irregulares. Imaginemos que intentamos comprimir una pelota con las manos, de tal forma que la comprensión sea uniforme. Veremos que el balón se abomba en las zonas donde no aprietan nuestras manos, haciendo que sea casi imposible comprimirlo de manera uniforme. Por lo tanto el problema es la inestabilidad; no un problema de física, sino de ingeniería.
La gravedad, como explico Newton, es estrictamente una fuerza de atracción. Por lo tanto, en una estrella la gravedad comprime el gas hidrogeno de manera uniforme, dándole forma de esfera (esta es la razón por la que las estrellas y los planetas son esféricos, y no cúbicos o triangulares). Pero las cargas eléctricas son de dos tipos: positivas y negativas. Si formamos una bola de cargas negativas, estas se repelerán unas a otras y se dispersaran por todas las direcciones. Sin embargo, si reunimos cargas positivas y negativas, obtendremos lo que se llama un “dipolo”, con un complicado conjunto de líneas de campo eléctrico que parecen una tela de araña. De manera similar, los campos magnéticos forman un dipolo; por consiguiente, comprimir un gas caliente de manera uniforme dentro de una cámara con forma de rosco es una tarea sumamente difícil. De hecho se necesita una supercomputadora para dibujar los campos eléctricos y magnéticos que emanan de una simple configuración de electrones.
Proyecto ITER
Otro proyecto es el DEMO. Mientras el ITER está diseñado para producir 500 megavatios por un mínimo de 500 segundos, el DEMO se diseñara para producir energía de forma continuada. El DEMO añade un paso más, cuando se produce la fusión, se forma un neutrón suplementario que escapa rápidamente de la cámara. No obstante, es posible rodear la cámara con un recubrimiento especial llamado “la manta” que está diseñado específicamente para absorber la energía de este neutrón. Entonces la manta se calienta. Dentro de ella hay unas tuberías por las que circula agua y esta se pone a hervir. Este vapor se envía a las palas de una turbina que genera electricidad.
Proyecto DEMO
DEMO se pondrá en marcha en 2033 ese reactor será un 15% más grande que ITER. El DEMO producirá una cantidad de energía que es 25 veces la que consume. En total, se espera que el DEMO produzca 2000 megavatios de energía, lo cual la haría comparable a una central hidroeléctrica.
EXTRAIDO DEL LIBRO "LA FISICA DEL FUTURO"
La edad de piedra no se acabó por falta de piedra. Del mismo modo, la era del petróleo acabara mucho antes de que el planeta se quede sin petróleo.
James Canton
¿El final del petróleo?
Hoy en dia nuestro planeta está completamente ligado a los combustibles fósiles, ya sea en forma de petróleo, gas natural, o carbón. Nuestro planeta consume un total de energía de unos 14 billones de vatios, de los cuales un 33% proceden del petróleo, un 25% del carbón, un 20% del gas, un 7% de la energía nuclear, un 15% de la biomasa y de la energía hidroeléctrica, y un modesto 5% de la energía solar y otras energías renovables.
Quien vio claramente el final de la era del petróleo fue M. King Hubbert, un ingeniero del petróleo que trabajaba para Shell Oil. En 1956, Hubbert pronuncio en el Instituto Norteamericano del Petróleo una conferencia trascendental en la que realizaba una alarmante predicción que suscito la burla de la mayoría de sus colegas de la época. Predijo que las reservas petroleras de EE.UU. se estaban reduciendo tan rápidamente que pronto se habría extraído el 50% del petróleo existente en el subsuelo, lo cual daría lugar a un periodo de decadencia irreversible que se situaría entre 1965 y 1971. Observaba que la cantidad total de petróleo que había en EE.UU. se podría representar en un gráfico como una curva en forma de campana, y que nos encontrábamos cerca del máximo de dicha curva. Predijo que a partir de aquel momento las cosas solo podían ir hacia abajo. Esto significaba que el petróleo seria cada vez más difícil de extraer, por lo que sucedería lo inevitable, EE.UU importaría petróleo.
Su predicción parecía temeraria, incluso extravagante e irresponsable, ya que entonces EE.UU. todavía bombeaba una enorme cantidad de petróleo de Texas y otros lugares del país. Pero ahora los ingenieros de petróleo ya no se ríen. La predicción de Hubbert era básicamente correcta. En 1970, la producción petrolera alcanzo un máximo de 10,2 millones de barriles diarios y posteriormente sufrió una caída de la que nunca se recuperó. Hoy en dia EE.UU importa el 59% del petróleo que utiliza. De hecho si comparamos un gráfico de las estimaciones de Hubbert, hecho varias décadas atrás, con un gráfico de la producción real de petróleo en EE.UU. durante 2005, ambas curvas son casi idénticas.
Curvas de Hubbert
Ahora la cuestión fundamental a la que se enfrentan los ingenieros del petróleo es la siguiente: ¿Estamos en el máximo del grafico de Hubbert por lo que respecta a las reservas mundiales de petróleo? Volviendo a 1956, Hubbert predijo también que la producción global de petróleo alcanzaría su pico máximo en unos 50 años. Podría ser que de nuevo tuviera razón. Cuando nuestros hijos miren retrospectivamente hacia nuestra época, ¿Consideraran los combustibles fósiles del mismo modo que nosotros vemos ahora el aceite de ballena, es decir, como una desgraciada reliquia de un pasado lejano?
En muchas ocasiones he pronunciado conferencias en Arabia Saudita y Oriente Proximo, y en ellas he hablado sobre ciencia, energía y el futuro. Por una parte, Arabia Saudita tiene 267000 millones de barriles de petróleo, por lo que parece que ese país flota sobre un enorme lago de crudo. Siempre que he viajado por Arabia Saudita y los estados del Golfo Pérsico he podido ser testigo de un enorme derroche de energía, con enormes fuentes que brotan en medio del desierto, creando gigantescos estanques artificiales y lagos. En Dubai existe incluso una pista de esquí cubierta en la que hay miles de toneladas de nieve artificial, desafiando totalmente al calor abrasador que hace en el exterior.
Pero ahora los ministros del Petróleo están preocupados. Más allá de toda retórica de “reservas de petróleo verificadas”, que supuestamente nos tranquilizan en cuanto a que tendremos mucho petróleo durante las décadas venideras, está la constatación de que muchas de esas cifras autorizadas son solo pura comedia. La expresión “reservas de petróleo verificadas” nos tranquiliza porque suena como algo definitivo y cargado de autoridad, hasta que nos damos cuenta de que esas reservas son a menudo una invención del pensamiento voluntarista y la presión política de un ministro local del Petróleo.
Hablando con los expertos en energía, pude ver que está surgiendo un consenso básico: o bien estamos en el pico más alto de la curva de Hubbert para la producción mundial de petróleo, o tal vez a una década de distancia de ese punto fatídico. Esto significa que en un futuro cercano podríamos entrar en un periodo de caída irreversible.
Por supuesto nunca nos quedaremos sin una gota de petróleo. Continuamente se descubren nuevos yacimientos. Pero los costos de la extracción y el refinado no dejaran de subir de manera vertiginosa. Por ejemplo, Canadá tiene enormes depósitos de arenas bituminosas, suficientes para satisfacer la demanda mundial de petróleo durante décadas, pero la extracción y el refinado no son rentables. EE.UU. tiene unas reservas de carbón que probablemente serían suficientes para 300 años, pero existen restricciones legales, y el costo de extraer todas las sustancias contaminantes, tanto en forma de partículas como gaseosas, resulta muy oneroso.
Además el petróleo sigue encontrándose en regiones del mundo de gran volatilidad política, que contribuyen a la inestabilidad de la política exterior. Si se hace un gráfico de los precios del petróleo a lo largo de décadas, se observa que la curva es como un recorrido en la montaña rusa, con picos que llegan al asombroso precio de 140 dólares por barril en 2008 (y más de 4 dólares el galón), para luego caer en picada a causa de la recesión. Aunque hay violentas oscilaciones debidas a la inestabilidad política, la especulación, los rumores, etc. Una cosa esta clara el precio del petróleo seguirá subiendo a largo plazo.
Nos enfrentamos también a otra situación: el ascenso de una clase media en China y la India, lo cual constituye uno de los grandes cambios demográficos de la era posterior a la Segunda Guerra Mundial y ha generado una enorme presión sobre los precios del petróleo y de las mercancías en general. Como ven las hamburguesas y los garages con dos coches en las películas de Hollywood, ellos también quieren vivir el sueño americano de consumo derrochador de energía.
Economía basada en el hidrogeno solar
En este aspecto, la historia parece repetirse. Si nos remontamos a principio del siglo XX, Henry Ford y Thomas Edison, dos viejos amigos, hicieron una apuesta sobre cuál sería la forma de energía que alimentaria el futuro. Henry Ford aposto por los combustibles líquidos, que sustituirían al carbón, ya que el motor de combustión interna reemplazaría a las máquinas de vapor. Thomas Edison aposto por el coche eléctrico. Fue una apuesta profética, cuyo resultado tendría un profundo efecto en la historia del mundo. Durante un tiempo se pensó que Edison ganaría la apuesta, porque el aceite de ballena era extremadamente difícil de conseguir. Sin embargo el rápido descubrimiento de depósitos de petróleo en Oriente Proximo y en otros lugares, y lo barato que resultaba este combustible, pronto hizo que Ford saliera victorioso. El mundo no ha vuelto a ser el mismo desde entonces, pero en la actualidad la tendencia está cambiando poco a poco. Quizás Edison gane todavía, un siglo después de realizar la apuesta.
En el momento actual, el costo de la electricidad producida mediante células solares es varias veces el precio de la que se produce a carbón. Pero el costo del hidrogeno solar no deja de bajar a causa de los continuos avances tecnológicos, mientras que el de los combustibles fósiles sigue subiendo lentamente. Se calcula que entre diez y quince años, más o menos, las dos curvas se cruzaran. Entonces las fuerzas del mercado harán el resto.
Energía eólica
A corto plazo, las energías renovables como la eólica llevan las de ganar. La capacidad generadora del viento creció en todo el mundo de 17000 megavatios en 2000 a 121000 megavatios en 2008. La energía eólica, que en otros tiempos estaba considerada de poca importancia, se está haciendo cada vez más prominente. Los recientes avances en la tecnología de la turbina eólica han aumentado la eficiencia y la productividad de los parques eólicos, que constituyen uno de los sectores de más rápido crecimiento en el mercado de la energía.
Los actuales parques eólicos distan mucho del viejo molino de viento que daba energía a las granjas y las fabricas a finales del siglo XIX. Un solo aerogenerador no contaminante y seguro puede producir una potencia de 5 megavatios, lo cual es suficiente para abastecer a un pueblo pequeño.
Una turbina eólica tiene unas aspas enormes y lustrosas de unos 30 metros de longitud que giran con una fricción casi nula. Las turbinas eólicas generan electricidad del mismo modo que las presas hidroeléctricas y los generadores de bicicleta. El movimiento rotatorio hace girar un imán que se encuentra dentro de una bobina. El campo magnético producido genera un flujo de electrones en la bobina, creando una corriente eléctrica neta. Un gran parque eólico de 100 molinos puede producir 500 megavatios, lo cual es comparable con los 1000 megavatios que producen una central termoeléctrica o una central nuclear.
Durante las últimas décadas, Europa ha sido líder mundial en tecnología eólica. Sin embargo, recientemente EE.UU. ha superado a Europa en la producción en la producción de electricidad generada por el viento. En 2009, EE.UU. produjo 28000 megavatios a partir de la energía eólica. Pero solo en Texas se producen 8000 megavatios, y este estado tiene otros 1000 megavatios en construcción y aún más en proyecto. Si todo va segundo los planes establecidos, Texas generara 50000 megavatios mediante la energía eólica, más que suficiente para abastecer a este estado de 24 millones de habitantes.
China pronto superara a EE.UU. en energía eólica. Su programa basado en el aprovechamiento del viento creara 6 parques que tendrán capacidad para generar 127000 megavatios.
Aunque la energía eólica es cada vez más atractiva e indudablemente seguirá creciendo en el futuro, no puede aportar toda la energía que se consume en el planeta. En el mejor de los casos, será una parte integrante de un conglomerado energético mayor. La energía eólica se enfrenta a diversos problemas. Se genera solo de manera intermitente, cuando sopla viento, y únicamente en unas pocas zonas concretas del mundo. Además, a causa de las perdidas en la transmisión de electricidad, los parques eólicos han de estar cerca de las ciudades, lo cual limita aún más su utilidad.
Aquí llega el sol
En última instancia, toda la energía proviene del sol. Incluso el petróleo y el carbón son, en cierto modo, luz solar concentrada, porque son consecuencia de la energía solar que recibieron las plantas y los animales hace millones de años.
Las células solares funcionan convirtiendo directamente la luz solar en electricidad. Este proceso lo explico Einstein en 1905. Cuando una partícula de luz, es decir, un fotón, choca con un metal, desplaza un electrón, generando así una corriente.
Sin embargo las células solares no son eficientes. Incluso después de décadas de duro trabajo por parte de ingenieros y científicos, la eficiencia de una célula solar ronda el 15%. La investigación ha ido en dos direcciones. La primera consiste en aumentar la eficiencia de las celulares solares, lo cual constituye un problema técnico de muy difícil solución. La otra es reducir el costo de la fabricación, instalación y construcción de parques solares.
Aunque la energía solar no está todavía en situación de cumplir su promesa, la reciente inestabilidad de los precios del petróleo ha hecho que se intensifiquen los esfuerzos para llevar la energía solar finalmente al mercado. Se están batiendo records cada pocos meses. La producción de energía solar fotovoltaica crece un 45% por ciento anual, duplicándose prácticamente cada dos años. Las instalaciones fotovoltaicas suman actualmente en todo el mundo 15000 megavatios, con un crecimiento de 5600 megavatios solo en 2008.
En 2008, Florida Power & Light anuncio el mayor proyecto de plantas solares de EE.UU.
En 2009, First Solar, la empresa más importante en el ranking mundial de fabricantes de células fotovoltaicas, anuncio que crearía la mayor planta solar del mundo justo al norte de la muralla China. El contrato se está negociando, seria por diez años, contempla la construcción de un enorme complejo solar que contendrá 27 millones de paneles solares de capa fina que generaran una potencia de 2000 megavatios, o el equivalente a la producción de dos centrales termoeléctricas alimentadas con carbón, y producirán energía suficiente para abastecer a 3 millones de hogares. La planta, que cubrirá una superficie de casi 6500 kilómetros cuadrados se construirá en la Mongolia interior y en realidad forma parte de un parque energético mayor.
Construcción de células solares
Usos comunes
Uso hogareño
Transportes solares
El auto eléctrico
Dado que aproximadamente la mitad del petróleo extraído en todo el mundo se utiliza para autos, camiones, trenes y aviones, hay un enorme interés para reformar este sector de la economía.
La transición del petróleo a otras energías consta de varias etapas. La primera es el auto hibrido, que ya está en el mercado y utiliza una combinación de electricidad y gasolina. Este diseño tiene un pequeño motor de combustión interna para resolver los problemas típicos de las baterías: es difícil crear una batería que pueda funcionar para largas distancias y proporcionar una aceleración instantánea.
Pero el modelo hibrido es un primer paso. El vehículo enchufable, por ejemplo, tiene una batería lo bastante potente como para que el coche recorra con energía eléctrica unos ochenta kilómetros antes de tener que recurrir al motor de gasolina. Dado que la mayoría de la gente hace sus desplazamientos al trabajo o para ir de compras recorriendo no más de 80 kilómetros, estos autos pueden funcionar solo con electricidad para ese recorrido.
Un participante en esta carrera por el hibrido enchufable es el Chevrolet Volt, fabricado por General Motors. Tiene una autonomía de casi 65 kilómetros, utilizando solo una batería de ion de litio y de casi 500 kilómetros con el pequeño motor de gasolina.
Chevrolet Volt
Además, está el Tesla roadster, que no tiene motor de gasolina. Lo fabrica Tesla motors, una empresa de Silicon Valley que es la única de EE.UU. que vende autos totalmente eléctricos producidos en serie. El roadster es un elegante coche deportivo que puede circular igual que cualquier auto de gasolina, descartando así la idea de que las baterías eléctricas de ion de litio no pueden competir con los motores de gasolina.
Tuve la oportunidad de conducir un Tesla de dos plazas, propiedad de John Hendricks, el fundador de Discovery Communications, empresa matriz de Discovery Channel. En cuanto me senté en el asiento del conductor, el señor Hendricks me dijo que pisara el acelerador con todas mis fuerzas para probar su auto. Seguí su consejo y hundí el acelerador con todas mis fuerzas para probar su auto. Inmediatamente sentí una súbita oleada de potencia. Mi cuerpo se hundió en el asiento cuando me puse a 100 kilometras por hora en 3,9 segundos. Una cosa es oír como alardea un ingeniero sobre el rendimiento de los autos totalmente eléctricos y otra cosa es pisar el acelerador y sentirlo uno mismo.
El éxito de Tesla ha obligado a los principales fabricantes de automóviles a ponerse al dia, después de décadas de infravalorar el coche eléctrico. Robert Lutz, cuando era vicepresidente de General Motors, dijo: “Todos los genios que trabajan aquí, no paraban de decirme que la tecnología de los iones de litio llegaría en diez años, y Toyota estaba de acuerdo con nosotros, pero, mira por donde, aparece el Tesla. Entonces dije: ¿Cómo puede ser que una pequeña empresa de California que no ha hecho más que empezar, dirigida por unos individuos que no saben nada del negocio automovilístico, sea capaz de hacer esto y nosotros no?”
Tesla Roadster
Nissan está presentando el Leaf, tiene una autonomía de unos 160 kilómetros, una velocidad máxima de 145 km/hora y es totalmente eléctrico.
Nissan Leaf
Después del auto totalmente eléctrico, otro auto que causara sensación es el de celda de combustible. En junio de 2008 Honda anuncio su primer vehículo de celda de combustible, el FCX Clarity. Posee una autonomía de 400 kilómetros y una velocidad de 160 km/hora y todas las comodidades de un sedán cuatro puertas. Al utilizar exclusivamente hidrogeno como combustible, no necesita gasolina, ni carga eléctrica. Sin embargo, como todavía no existe la infraestructura necesaria para conseguir hidrogeno, solo está disponible en alquiler con derecho a compra y en California del sur.
Honda FCX
Posteriormente en 2009, GM, que emergía de la bancarrota anuncio el Chevrolet Equinox de celda de combustible. Detroit, que siempre ha ido por detrás de Japón en cuanto a tecnología de autos pequeños y de los híbridos, intenta conseguir apoyo para el futuro.
Si hablamos superficialmente del auto de celda de combustible, es el auto perfecto. Funciona mediante una combinación de hidrogeno y oxigeno que luego convierte en energía eléctrica, dejando solo agua como residuo. No produce humo. Resulta extraño mirar el escape de un vehículo de celda de combustible, lo que expele son gotitas de agua incoloras e inodoras.
Chevrolet Equinox
El problema que enfrenta el auto de celda de combustible es el mismo que le achacaron a Henry Ford. Las voces críticas afirmaban que la gasolina era peligrosa y que la gente moriría en horribles accidentes automovilísticos, quemados vivos en un choque. Además se necesitaría una gasolinera casi en cada manzana. En todos los aspectos, las criticas eran acertadas. La gente muere a miles cada año en horribles accidentes de tráfico y vemos gasolineras por todas partes. Pero la conveniencia de los autos es tan grande que la gente ignora estos hechos.
Ahora se están planteando las mismas objeciones en contra de los autos de celda de combustible. El combustible de hidrogeno es volátil y explosivo, y tendrían que instalarse estaciones de servicio para repostar hidrogeno. Pero en la medida que se masifiquen la gente los terminara adoptando y la infraestructura acompañara, como el mercado. Es inevitable que bajen los precios y saquen del mercado a los autos de gasolina. Todas las automotrices ya lo saben.
El hidrogeno no es en sí mismo un productor de energía, sino que más bien la transporta. En primer lugar hay que producir gas hidrogeno. Por ejemplo, hay que utilizar electricidad para separar el agua en hidrogeno y oxígeno. Por consiguiente, aunque los autos de celda nos prometen un futuro sin contaminación, sigue existiendo el problema de que la energía que usan proviene en gran medida de la combustión del carbón. No se puede obtener algo a cambio de nada. Pero sería un gran paso eliminar ese 50% de uso de gasolina para motores de combustión, se aumentaría el consumo eléctrico pero no todo es de centrales de carbón, como ya hemos visto existen la energía eólica, solar e hidroeléctrica, además de otras que hablaremos a continuación. Así que el aumento no sería directamente proporcional en cuanto a carbón se refiere.
La fisión nuclear
Una de las formas posibles de crear energía, no solo de transmitirla, es dividir el átomo de uranio. La ventaja que esto aporta es que la energía nuclear no produce grandes cantidades de gases de efecto invernadero, cosa que si hacen las centrales de carbón o petróleo. El problema que plantea la energía nuclear es que, cuando se divide el átomo de uranio, se producen enormes cantidades de residuos nucleares, que permanecen radioactivos durante intervalos de entre miles y decenas de millones de años. Un reactor de 1000 megavatios produce en un año 30 toneladas de residuos altamente radiactivos.
Durante la segunda guerra mundial, solo las naciones más grandes del planeta poseían los recursos, la tecnología y la capacidad que se necesitaba para fabricar una bomba atómica. Sin embargo, en el futuro el umbral puede bajar radicalmente cuando el precio del uranio enriquecido caiga en picada a causa de las nuevas tecnologias. Este es el peligro al que nos enfrentamos: la renovación y el abaratamiento de las tecnologias puede poner la bomba atómica en manos inestables.
La clave para fabricar la bomba atómica es asegurarse grandes cantidades de mineral de uranio y luego purificarlo. Esto significa separar el uranio 238 del uranio 235 que es el adecuado para una bomba atómica, pero solo llega al 0,7% estos dos isotopos son químicamente idénticos, por lo que el único modo de separarlos fiablemente es aprovechar el hecho de que el uranio 235 pesa un 1% menos que su pariente. Las plantas de enriquecimiento de uranio utilizan la tecnología de centrifugación, que hace girar una cápsula que contiene uranio, llegando a velocidades de 100000 revoluciones por minuto. Esto acentúa el 1% por ciento de diferencia en cuanto a masa entre el uranio 235 y el 238. Finalmente el uranio 238 cae a la parte inferior de la capsula. Después de muchas revoluciones se puede retirar el uranio 235 de la parte superior del tubo.
Proceso de enriquecimiento
Uranio Natural
Uranio Enriquecido
Pero hay otro método más barato aun, que es el enriquecimiento por láser. Si se examinan las capas de electrones de estos dos isotopos de uranio, resultan ser aparentemente lo mismo, ya que los núcleos tienen la misma carga. Pero si se analizan con mayor detenimiento las ecuaciones de las capas de electrones se descubre una ligerísima diferencia de energía entre las capas de electrones del uranio 235 y las del 238. Mediante un rayo láser sintonizado con una precisión extrema, es posible sacar electrones de la corteza del uranio 235, pero no del uranio 238. Una vez que los átomos del uranio 235 están ionizados, pueden separarse fácilmente de los átomos de uranio 238 mediante un campo eléctrico.
Durante los años 80 y 90 toda Europa y EE.UU. estuvieron intentando realizar el enriquecimiento por láser, pero no pudieron.
En 2006 unos científicos australianos anunciaron que no solo habían resuelto el problema, sino que tenían intención de comercializarlo. Dado que el 30% del costo de uranio enriquecido es el proceso de enriquecimiento, la empresa australiana Silex cree que podría haber un mercado para esta tecnología.
Metodo de enriquecimiento y Laser para enriquecer uranio
En 2008 GE Hitachi Nuclear Energy anuncio sus planes para construir la primera planta de enriquecimiento de uranio comercial en Wilmington, Carolina del Norte, antes del 2013.
La energía de la fusión
La energía de la fusión se basa en la unión de átomos de hidrogeno con gran cantidad de calor, con lo que libera mucha más energía y produce muy pocos residuos. A diferencia de la energía de la fisión, la de la fusión libera la energía nuclear del Sol. La fuente de energía del universo está encerrada en las profundidades del átomo de hidrogeno. La energía de la fusión ilumina el Sol y los cielos. Es el secreto de las estrellas. Quien logre dominar la energía de la fusión liberara una energía ilimitada y eterna. Además, el combustible que requieren estas plantas de fusión procede del agua de mar ordinaria. Con el mismo peso de combustible, la fusión libera 10 millones de veces más energía que la gasolina. Un vaso de agua de unos 225 gramos equivale a la energía contenida en 500000 barriles de petróleo. La tecnología es calentar y comprimir gas hidrogeno hasta que los núcleos se fusionen, liberando cantidades gigantescas de energía.
Los físicos son prudentemente optimistas. “Hace una década algunos científicos se preguntaban si la fusión era posible, incluso en el laboratorio. Ahora sabemos que la fusión funcionara. La duda es si resultara económicamente rentable” dice David Baldwin de General Atomics, que supervisa uno de los mayores reactores de fusión de EE.UU., el DIII-D.
Fusión por laser
Tuve oportunidad de visitar la instalación NIF de fusión por láser y es algo colosal. Por su estrecha relación con las bombas de hidrogeno, el reactor de la NIF está emplazado en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, donde el ejército diseña ojivas de hidrogeno. Tuve que pasar muchos controles de seguridad antes de finalmente poder acceder a la instalación.
Pero cuando llegue al reactor, viví una experiencia impresionante. Estoy acostumbrado a ver láseres en laboratorios universitarios, pero ver la instalación NIF fue una experiencia abrumadora. Ocupa un edificio de diez pisos del tamaño de tres campos de futbol y tiene 192 rayos laser gigantescos que se disparan por un largo túnel. Es el mayor sistema de laser del mundo y produce 60 veces más energía que cualquier otro anterior a él. Esta planta costo 4000 millones de dólares.
Cuando los rayos laser se disparan por aquel largo túnel, acaban chocando con un conjunto de espejos que enfocan cada rayo hacia un diminuto objetivo que tiene el tamaño de una cabeza del alfiler y que está hecho de deuterio y tritio (dos isotopos del hidrogeno). Resulta increíble, pero 500 billones de vatios de energía laser se dirigen a una diminuta bola que apenas es visible a simple vista, y la abrasan hasta que la bolita alcanza una temperatura de 100 millones de grados, mucho más calor que en el centro del Sol. (La energía de este impulso colosal es equivalente a la producción de medio millón de centrales nucleares en un breve instante). La superficie de esta bolita microscópica se vaporiza rápidamente, lo cual libera una onda de choque que destroza la bolita y libera la energía de fusión.
En la fusión por láser los 192 rayos laser tienen que incidir en la superficie de una bolita diminuta con una precisión extrema para que la bolita implosione uniformemente. Los rayos tienen que acertar en esta diminuta diana con un desfase no mayor de 30 billonésimas de segundo entre uno y otro. El más leve desalineamiento de los rayos laser o la más imperceptible irregularidad de la bolita significa que esta no se calentara de manera simétrica, con lo cual explotara hacia un lado, en vez de implosionar esféricamente. Si la bolita tiene una irregularidad de más de 50 nanómetros (lo que viene a ser unos 150 átomos), no implosionará simétricamente. (es como intentar lanzar una pelota de beisbol desde 500 kilómetros). Por lo tanto, el alineamiento de los rayos laser y la uniformidad de la bolita son los problemas principales a los que se enfrenta la fusión por láser.
Hay otro proyecto, la Unión Europea está preparando su reactor que supuestamente comenzaba su construcción en 2011, ahora, con el desastre económico en que está sumergida Europa habrá que ver si sigue en pie el proyecto.
Fusion por Laser
ITER: la fusión en un campo magnético
En Francia, el Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER) utiliza unos enormes campos magnéticos para contener el gas hidrogeno caliente. En vez de usar rayos laser para implosionar una bolita de material de hidrogeno, el ITER utiliza un campo magnético para comprimir lentamente el gas. La instalación se parece mucho a una rosca hueca (toroidal) que está hecho de acero y tiene unas bobinas magnéticas rodeando el hueco del rosco. El campo magnético impide que el hidrogeno escape de esta cámara toroidal. Entonces se envía una corriente eléctrica que pasa a través del gas, calentándolo. La combinación de comprimir gas mediante un campo magnético y enviar una corriente eléctrica que lo invade hace que el gas se caliente a muchos millones de grados.
El ITER es de los más ambiciosos proyectos científicos internacionales que se han abordado en todos los tiempos. El núcleo de la instalación es una cámara de metal en forma de rosca. En total su peso será de 23000 toneladas. Sus componentes son tan pesados que las carreteras por las que se transportara el equipo han de ser modificadas para tal efecto. Un largo convoy de camiones llevara los componentes, el más pesado de los cuales tiene u peso de 900 toneladas, y el más alto una altura de 4 pisos. El edificio que albergara el ITER tiene una altura de 19 pisos y se asentara sobre una superficie de 60 campos de futbol, se prevé que cueste 10000 millones de euros. Esta instalación generara 500 megavatios que es 10 veces la cantidad de energía que entra inicialmente en el reactor
El problema es que el campo magnético ha de ajustarse con precisión para que el gas se comprima uniformemente sin formar bultos por ninguna parte, ni adoptar formas irregulares. Imaginemos que intentamos comprimir una pelota con las manos, de tal forma que la comprensión sea uniforme. Veremos que el balón se abomba en las zonas donde no aprietan nuestras manos, haciendo que sea casi imposible comprimirlo de manera uniforme. Por lo tanto el problema es la inestabilidad; no un problema de física, sino de ingeniería.
La gravedad, como explico Newton, es estrictamente una fuerza de atracción. Por lo tanto, en una estrella la gravedad comprime el gas hidrogeno de manera uniforme, dándole forma de esfera (esta es la razón por la que las estrellas y los planetas son esféricos, y no cúbicos o triangulares). Pero las cargas eléctricas son de dos tipos: positivas y negativas. Si formamos una bola de cargas negativas, estas se repelerán unas a otras y se dispersaran por todas las direcciones. Sin embargo, si reunimos cargas positivas y negativas, obtendremos lo que se llama un “dipolo”, con un complicado conjunto de líneas de campo eléctrico que parecen una tela de araña. De manera similar, los campos magnéticos forman un dipolo; por consiguiente, comprimir un gas caliente de manera uniforme dentro de una cámara con forma de rosco es una tarea sumamente difícil. De hecho se necesita una supercomputadora para dibujar los campos eléctricos y magnéticos que emanan de una simple configuración de electrones.
Proyecto ITER
Otro proyecto es el DEMO. Mientras el ITER está diseñado para producir 500 megavatios por un mínimo de 500 segundos, el DEMO se diseñara para producir energía de forma continuada. El DEMO añade un paso más, cuando se produce la fusión, se forma un neutrón suplementario que escapa rápidamente de la cámara. No obstante, es posible rodear la cámara con un recubrimiento especial llamado “la manta” que está diseñado específicamente para absorber la energía de este neutrón. Entonces la manta se calienta. Dentro de ella hay unas tuberías por las que circula agua y esta se pone a hervir. Este vapor se envía a las palas de una turbina que genera electricidad.
Proyecto DEMO
DEMO se pondrá en marcha en 2033 ese reactor será un 15% más grande que ITER. El DEMO producirá una cantidad de energía que es 25 veces la que consume. En total, se espera que el DEMO produzca 2000 megavatios de energía, lo cual la haría comparable a una central hidroeléctrica.
EXTRAIDO DEL LIBRO "LA FISICA DEL FUTURO"