LA QUÍMICA
HACIA LA CONQUISTA
DEL SOL

INTRODUCCIÓN

El estudio de las estrellas es la ciencia más antigua de la humanidad. El Sol y la Luna fueron adorados como dioses y los días de la semana fueron llamados de acuerdo a ellos y a los planetas.

Nuestro conocimiento del Universo se incrementa día a día. Sabemos más de sus secretos y de cómo nuestra civilización actual se ajusta al esquema de la armonía del Universo. También tenemos teorías, todavía imperfectas, de la evolución, no tanto del origen, de la especie humana, sino de cómo los átomos de nitrógeno y oxígeno se producen y combinan en las estrellas.

La estrella más importante en la vida de la Tierra es, indudablemente, el Sol: esférico y con un diámetro 100 veces mayor al de la Tierra, nos proporciona calor, luz y otras radiaciones que permiten el proceso de la vida en el planeta. La temperatura en la región central del Sol es de unos 15 millones de grados centígrados. En la fotósfera es de unos 6 000 grados centígrados.

El interior del Sol está tan caliente que no pueden existir allí los átomos individuales, debido a las colisiones de alta velocidad que constantemente separan los electrones del núcleo de los átomos. Estos núcleos y electrones tienen carga positiva y negativa respectivamente, se mueven a gran velocidad y de manera casi independiente, en forma análoga a como lo hacen las moléculas de un gas, generando así el cuarto estado de la materia conocido como plasma. La fotósfera del Sol está compuesta en 94% de hidrógeno, 5.9% de helio y 0.1% de elementos más pesados como carbono, oxígeno, nitrógeno y neón. Se cree que el interior está constituido de manera similar, aunque no hay ninguna prueba experimental de ello.

La propiedad más importante del Sol es que brilla, o que libera energía debido a reacciones de fusión nuclear. El Sol ha estado brillando en el firmamento unos 5 000 millones de años. Cada segundo, en el interior del Sol, se convierten 630 millones de toneladas de hidrógeno en 625.4 millones de toneladas de helio, proceso en el que se liberan 4.6 millones de toneladas de masa-energía. Con este ritmo, se calcula que el Sol brillará otros 5 000 millones de años.

FIGURA 1. El sol.

Desde el inicio de la civilización, el hombre ha utilizado la energía para su beneficio. Hasta hace aproximadamente 200 años su única fuente de energía era el Sol, por sí mismo o indirectamente en formas derivadas como los vientos o las caídas de agua. Hace cuatro o cinco generaciones, por lo general, se usaba la madera para la calefacción y los animales para el transporte; es decir que también así, indirectamente, se aprovechaba la energía solar absorbida por las plantas en la fotosíntesis.

Los chinos utilizaban el carbón hace ya 2 000 años; los griegos lo usaban especialmente en la fundición del bronce, y en Europa, desde el siglo XII, se conoce la minería del carbón aplicada en la herrería y la fundición. Con este combustible se hizo funcionar la primera máquina de vapor (Papin, 1706), precedida sólo por el molino de viento y la rueda de agua.

En el siglo pasado, tras el descubrimiento de Oersted, en 1819, de la interacción entre una aguja magnética y un cable conductor de corriente, empieza el desarrollo de las máquinas eléctricas. En forma paralela, comienza a desarrollarse la electroquímica con base en los estudios de Galvani (1780) y Volta (1800). En 1832 se construye el primer generador de corriente eléctrica, perfeccionado en 1867 por Siemens y Wheatstone. En 1834 Faraday estableció la relación entre el transporte de la carga eléctrica y las transformaciones químicas.

Si bien en Mesopotamia ya se utilizaba el petróleo desde la antigüedad, el consumo de combustibles fósiles fue insignificante hasta el siglo XVIII. Los primeros usos que se dieron al petróleo fueron para el alumbrado, el asfalto y los materiales de construcción. Se sabe que los mayas utilizaban el chapopotl para estos fines. En la India y el Medio Oriente se usaba el gas natural como combustible.

La explotación a gran escala del carbón comenzó en 1820, pero el petróleo no cobró gran importancia hasta el 12 de agosto de 1859, gracias al descubrimiento accidental de un yacimiento cuando se perforaba un pozo en Pensilvania. El desarrollo de los motores de combustión interna desencadenó una inusitada demanda de petróleo.

La primera máquina de combustión interna de cuatro tiempos la construyó Otto en 1862 y representa la base para la aparición del automóvil y del aeroplano. Por otra parte, la primera estación de energía eléctrica fue construida por Edison, en Nueva York, en 1882. El desarrollo de la energía nuclear y sus impresionantes aplicaciones se debe a Hahn, quien en 1938 logró la primera fisión artificial de uranio. En 1942 Fermi construyó el primer reactor nuclear en Chicago.

Así, desde el fuego hasta la energía nuclear, la humanidad ha ido haciendo suyas las fuentes de energía y esto ha permitido su extraordinario desarrollo tecnológico. Sin embargo, el empleo desordenado de estas fuentes ha traído como consecuencia grandes problemas económicos y políticos, así como irreparables tragedias. En la crisis de energéticos (1972-1974) se tomó conciencia por primera vez de que el petróleo sería escaso y costoso hacia fines del siglo XX y esto obligaba a la humanidad a buscar otras opciones de fuentes de energía.1 De esta manera el hombre vuelve los ojos a la fuente original: el Sol. Así se cierra en la civilización un ciclo importante que necesariamente transformará la historia de las futuras generaciones, orientándolas al empleo de esta fuente limpia e inagotable.

Las reservas de petróleo, gas natural, carbón y uranio son 2.5 × 10²² joules equivalentes a 8 × 10¹¹ toneladas equivalentes de carbón (tec).2 La superficie de la Tierra recibe 3 × 10²⁴ joules por año de energía solar. Como se puede apreciar, la Tierra recibe en menos de una semana una cantidad de energía solar igual a las reservas totales de energía no renovable. Es decir, si la Tierra estuviera cubierta en un 0.1% de su superficie con colectores que convirtieran la luz solar con una eficiencia de sólo 10%, todas las necesidades energéticas del mundo (4 × 10²⁰ joules por año) estarían cubiertas. Sin embargo, la energía solar tiene dos grandes inconvenientes: es difusa e intermitente. El primer factor hace necesario el desarrollo de sistemas idóneos de gran superficie colectora, mientras que el segundo obliga a generar dispositivos de almacenamiento. En los siguientes capítulos se verá cómo el hombre, ancestralmente ligado al Sol por las religiones, se propone superar los obstáculos que hasta ahora han impedido el uso generalizado de la energía solar.

FIGURA 2. Reactor.

1 Se calcula que las reservas de petróleo alcanzarán para otros 30 años y las de carbón 300.

2 Tec = 8 × 10³ kWh.