Materiales para salvar el mundo

Por José Ygnacio Pastor, Dr. en Ciencias Físicas (Catedrático de Universidad, Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

Si de alguna forma podemos definir al homo sapiens sapiens, en contraposición al resto de especies autoconscientes del planeta Tierra, es como un frenético devorador de energía. Según las previsiones de la Agencia Internacional de la Energía, de seguir el aumento de población y de consumo energético al ritmo actual, la demanda mundial se multiplicará en un factor entre tres y cinco de aquí a final de siglo. Pero la cantidad de energía disponible, manteniendo el equilibrio ecológico de esta isla de vida que vaga por el universo que es nuestro planeta, es en estos momentos limitada.

Actualmente, en los procesos de transformación de los combustibles en energía los rendimientos siguen siendo muy limitados, y en los mejores casos apenas alcanzan el 50%, pero lo habitual es estar muy lejos de estos valores. Lo peor de todo es que las tozudas leyes de la termodinámica nos limitan que podamos llegar mucho más allá de lo conseguido.

Sólo en los últimos decenios se ha vuelto la vista hacia las energía renovables (solar, eólica e hidráulica, aunque estas dos últimas con mayor o menor intensidad ya se explotaban desde hace mucho tiempo) como opciones alternativas pero aún estamos muy lejos de obtener altos rendimientos a bajos precios.
Por otra parte no tenemos derecho a restringir el desarrollo de los más desfavorecidos, aunque esto tampoco tiene que implicar que en los países desarrollados tengamos que retroceder en nuestra calidad de vida. Además, debemos conseguir el control del calentamiento global terrestre de origen antropogénico. ¿Cómo resolver este dilema?

El reto que tenemos por delante es enorme, y nos va la vida en ello. En este contexto, resulta imprescindible que Materiales y Energía colaboren. Para responder a estas necesidades tenemos varias opciones:

* Utilizar el carbón en forma licuada. El carbón es barato y hay reservas para varios siglos pero el incremento de contaminación que esto implicaría sería inasumible con la tecnología actual. Una respuesta sería encontrar materiales y tecnologías que permitieran la captura y almacenamiento de CO2 de forma segura, barata e indefinida.

* Apostar por las energías renovables. El desarrollo de biocombustibles parece una alternativa, pero en el computo global de emisiones de CO2 siempre el saldo es positivo y la cantidad de tierras de cultivo inmensas. Esto además puede llevar aparejado el encarecimiento, interesado a veces, de los alimentos de primera necesidad. La energía solar fotovoltaica hoy por hoy es una apuesta más estética que real, ya que el precio de la energía generada resulta muy elevado y las instalaciones tardan unos veinte años en amortizarse. Necesitamos materiales baratos para mejorar la eficiencia energética de las células solares. La energía eólica y la termo-solar pueden ser una interesante alternativa pero presentan un problema básico: su aleatoriedad. Es necesario tener centrales de generación alternativas para cuando estas no funcionan, y sistemas de almacenamiento para cuando producen energía en exceso. Esto último requiere el desarrollo de materiales y tecnologías que lo permitan de forma eficiente y barata.

* La energía nuclear, que no está de moda y a todos nos asusta. Las nuevas tecnologías de procesamiento de materiales están empezando a dar respuesta al reprocesamiento de residuos de alta actividad. Adicionalmente, si en algún momento fuera posible el desarrollo de centrales que usen torio como combustible, tendríamos resueltos simultáneamente varios problemas: los residuos de las centrales actuales, la posibilidad de su uso para la proliferación armamentística y las limitaciones de la disponibilidad de uranio, con el torio tendríamos combustible para más de un milenio. Finalmente las centrales de fusión (el combustible en este caso son isótopos de hidrógeno presentes en el agua de mar de forma prácticamente inagotable) se llevan presentando como la respuesta definitiva a nuestros problemas energéticos desde hace cincuenta años. Lamentablemente, todavía estamos lejos de poder dar una fecha de cuándo será posible tener un reactor de estas características pues los problemas, principalmente con los requerimientos de los materiales involucrados, son tan brutales que nos faltan decenios de investigación.

* Ahorrar energía. Posiblemente esta sea la única alternativa plausible y viable que tengamos en estos momentos. La cantidad de energía que desperdiciamos y desperdigamos a nuestro alrededor es enorme. Probablemente más del 80% de la energía contenida en nuestros combustibles se despilfarra. Sólo con conseguir un ahorro del 2% anual en 30 años conseguiríamos tener energía para todos. Si este ahorro además va acompañado de un desarrollo humano mucho más homogéneo en todo el mundo sería posible que la población mundial se estabilizara en torno a los 11.000 millones de humanos. ¿Pero cómo conseguir este ahorro sostenido de energía? Unos pocos materiales pueden tener las respuestas:

- Materiales superconductores de alta temperatura crítica. Buena parte de la energía eléctrica se pierde en su transporte y en la conversión de energía eléctrica a mecánica. Con estos materiales, si finalmente pudieran funcionar a temperatura ambiente, sería posible el transporte de energía sin pérdidas, el movimiento de vehículos con la décima parte de la energía actual, y el funcionamiento de los motores de una manera mucho más eficiente y silenciosa. Además permitiría un almacenamiento sencillo e instantáneo de la energía. Los problemas a resolver para conseguirlo parecen hoy por hoy insalvables, pero hace sólo 30 años era inimaginable que pudieran existir estos materiales.

- Materiales para altas temperaturas. Cuanto mayor sea la temperatura de las centrales térmicas de producción de energía mayor será el rendimiento de la misma y más energía será posible extraer del combustible. En la actualidad prácticamente todas las centrales de producción de energía son centrales térmicas, desde las de carbón a las termosolares pasando por las nucleares. Sólo subir 100 o 200 ºC su temperatura de trabajo permitiría rendimientos mucho mayores, y en esto de nuevo los materiales tienen la respuesta.

- Materiales de efecto térmoelectrico. En todo proceso de combustión tenemos siempre un calor residual que se pierde. Por ejemplo a través del tubo de escape de nuestros coches o por la rodadura de los neumáticos en la carretera. El desarrollo de nuevos materiales de efecto termoeléctrico está abriendo recuperar parte de este calor residual en forma de energía eléctrica.

- Materiales para el aislamiento térmico y la iluminación. En estos momentos disponemos de tecnologías y materiales para hacer edificios y ciudades autosostenibles, donde el calor generado o recibido del exterior se puede utilizar para generar energía y así reducir el impacto ecológico de la construcción.

Como se ha mostrado el factor clave para responder a este reto es el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías. Los “Materiales para la Energía” descritos son sólo algunas de las opciones que tenemos a nuestro alcance, pero su mejor conocimiento puede ayudarnos a salvar el mundo.

Fuente:
- “Devoradores de energía”, J.Y. Pastor, www.upm.es, 2012

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Comentarios

No existe la posibilidad, o el estudio, de formas de energía extraterrestre (que no sea el sol)????
Por ejemplo de las partículas que chocan con la atmósfera creando cargas eléctricas, o del propio campo electromagnético terrestre, quizás paneles solares orbitando la tierra y mandando la energía en firma de luz…

El Sol es nuestra principal fuente de energía, de la cual aprovechamos una muy pequeña fracción. Cualquier otro tipo de radiación extraterrestre es mucho más pequeña y difícil de utilizar por lo que no sería rentable comparada con la del Sol.

En los libros de Asimov ya se reflejaba la posibilidad de recolectar energía solar en La Luna (más eficientemente al no tener atmósfera) y renviarla a La Tierra en forma concentrada con grandes reflectores. Hoy por hoy es inviable.

Si bien es cierto que el sol es nuestra mayor fuente de energía también es cierto que no siempre podemos disponer de él (por ejemplo una excesiva nubosidad). Mi pregunta es si existiría la posibilidad de conseguir otras fuentes que colaboren con el sol.
Por ejemplo. seria posible almacenar la electricidad de las tormentas, o añadirla a la corriente producida por las centrales????
Y por ejemplo, en una posibilidad mas remota, conseguir energía a partir de reacciones provocadas con una base de neutrinos (llegados desde el sol o producidos en la misma tierra de forma “artificial”. Tengo entendido que son “asimiladores” de energía y que en ciertos casos “expendedores” de fotones

Con sistemas de recolección orbital de energía solar se evitaría ese problema y el rendimiento sería mucho mayor al evitar la atmósfera. Existen diseños tentativos de varias agencias, aunque por el momento inviables. Como sistemas alternativos ya se están explorando los eólicos, los hidráulicos, los geotérmicos, residuos forestales y biomasa, nucleares y todos los combustibles fósiles clásicos.

La electricidad a partir de las tormentas es un viejo sueño. El principal problema es que no disponemos de materiales y dispositivos para almacenar tamaña cantidad de energía liberada en tan poco tiempo. Desde luego que serían una solución. Recuerda que los fenómenos atmosféricos son debidos a la energía solar que recibimos.

El problema con los neutrinos es que aunque hay muchos no interaccionan con casi nada y eso es un serio inconveniente para su aprovechamiento energético. Sería mejor intentarlo con la antimateria, pero por el momento es el material más caso conocido debido a su escasez y dificultad de manipular. En ciertos libros de ciencia ficción se diseñan naves interestelares que recogen la escasísima antimateria presente en el espacio y hace funcionar sus motores de antimateria. Quizás algún día sea algo más que un sueño.

Seria interesante comprobar si el grafeno como sustitutivo del plomo o el litio en las baterías, seria capaz de aguantar esas grandes corrientes eléctricas, en un momento determinado.

Respecto a los neutrinos. Con lo poco que he aprendido sobre sus propiedades me aventuro a pensar que esconde grandes cantidades de energía que se podra aprovechar de alguna manera.

Ya lo están haciendo y muchas otras cosas, como superconductores para el almacenamiento de energía sin perdidas.

Interesante. Gracias por las respuestas.

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