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jueves, septiembre 21, 2006

The Core: Unobtanium

Carátula de The CoreHace poco han vuelto a poner en la tele la película The Core, a la cual ya he dedicado varios envíos, y a la que podría dedicar muchos más. Supongo que no es necesario repetir otra vez el argumento, así que iré directamente al grano. Y hoy le toca a ese mágico material indestructuble que es el unobtanium, del cuál está hecho el casco de la nave.

El unobtanium es un material que convierte el calor en energía eléctrica, virtualmente indestructuble, ya que se vuelve más resistente cuanto mayor es la presión y la temperatura a la que es sometido. Aquí hay que reconocerle un mérito a los guionistas por el guiño, ya que el término unobtanium es utilizado en el mundillo de la ciencia ficción para nombrar cualquier material con propiedades practicamente imposibles, casi mágicas, pero necesario para la historia que se quiere contar. El nombre es un pequeño juego de palabras, ya que unobtanium viene de la palabra inglesa unobtainable, que significa algo así como inobtenible (aunque esta palabra no existe en el diccionario) o imposible de obtener, y además, comienza con el prefijo un, que corresponde al dígito 1, en las normas de la IUPAC para denominar nuevos elementos químicos (podéis leer una interesante historia al respecto en Historias de la Ciencia).

Bueno, como decía, el unobtanium se vuelve más resistente cuanto más calor hace, y además, transforma ese calor en energía eléctrica. Vale. Nos lo creemos. Pero aquí ya tenemos un problema con uno de los pilares de la física: la conservación de la energía. En la peli nos explican que la fuente de energía de la nave es un reactor nuclear. Es decir, no utilizan para nada el unobtanium. Entonces ¿dónde va toda la energía que genera el unobtanium a partir del calor exterior? Bueno, uno podría decir que se acumula en forma de energía potencial eléctrica, pero pensad en la gran candidad de energía que debe absorber en forma de calor durante horas. ¿No tiene límite el unobtanium?

Pero sigamos. Al final de la película, cuando la nave se ha quedado sin fuente de energía (algo también merecedor de un envío, ya que poner el plutonio del reactor de la nave en una cabeza nuclear, no serviría para aumentar su potencia) y nuestra pareja protagonista está aparentemente condenada, el prota recuerda que el unobtanium del casco transforma el enorme calor del exterior en energía eléctrica, así que le enchufan un par de cables, y voilà! ya pueden alimentar la nave. Mientras lo explica exclama ¡Es como un enorme panel solar!

Veamos, aquí hay dos errores importantes. Por un lado, la comparación con un panel solar es desacertada, ya que éste no obtiene electricidad a partir del calor, sino de la luz. Bueno, alguien puede decir que tal vez se refería a un colector solar, de esos que se utilizan para calentar el agua de la ducha, pero éstos no generan electricidad. Por otro lado, para obtener electricidad útil, es decir, una corriente eléctrica, necesitamos una diferencia de potencial eléctrico. ¿Cómo se distribuye esa diferencia de potencial eléctrico en el casco? ¿Cómo obtenemos una correinte de él?

Para entender mejor esta problemática, y por qué no es posible que lo que vemos en la pellícula funcione, vamos a ver cómo funciona un panel solar. Un panel solar se basa en el llamado efecto fotoeléctrico (no todo el mundo sabe que Einstein recibió el Nobel de Física por su explicación de este efecto, y no por su Teoría de la Relatividad). ¿En qué consiste eso? Para entenderlo hay que explicar un poco por encima las características de un semiconductor.

Un semiconductor es un material que puede comportarse como aislante o como conductor de la electricidad (de ahí su nombre). ¿Cómo? Imaginemos los átomos de un semiconductor cualquiera, con sus electrones dando vueltas por ahí. Los electrones están más o menos ligados al átomo, dependiendo de su energía. Un electron con poca energía, permanecerá alrededor de su átomo, y no se moverá de ahí. Un electron en estas condiciones se encuentra en la llamada banda de valencia. Pero si por algún motivo, un electrón adquiere suficiente energía como para liberarse de su átomo (se suele decir que se excita, y sí, se puede hacer un chiste fácil), puede moverse líbremente (valga la redundancia), y en presencia de una diferencia de potencial eléctrico, se dirigirá al polo positivo. Un electrón en estas condiciones se encuentra en la llamada banda de conducción. Parece claro que cuantos más electrones estén en la banda de valencia, más aislante será el material, y cuantos más electrones haya en la banda de conducción, más conductor será.

Hay otro detalle importante a tener en cuenta. Cuando un electron pasa de la banda de valencia a la de conducción, el átomo al que pertenecía tiene un electrón de menos (vaya perogrullada), lo que quiere decir que ya no es eléctricamente neutro, sino que tiene una carga positiva debido al hueco dejado por el electrón (ahora hay un protón de más). La diferencia de potencial no sólo afecta a los electrones de la banda de conducción, sino a esos huecos dejados en la banda de valencia, que se mueven en sentido contrario al de los electrones (hacia el polo negativo). Pensemos en el siguiente ejemplo: una fila de butacas en el cine, en las que todas están ocupadas menos una. El espectador a la izquierda de esa butaca, la ocupa dejando la suya libre. El de al lado, al ver que su compañero se ha cambiado, se sienta en esa nueva butaca libre, desocupando la suya, y así sucesivamente. La butaca vacía se va moviendo hacia la izquierda, aunque realmente son los espectadores los que se desplazan hacia la derecha. Con los huecos que dejan los electrones sucede lo mismo, y se comportan como si fueran partículas de carga positiva.

Sigamos. Al incidir luz sobre un material, un fotón puede transferir su energía a un electrón. Si la nueva energía del electrón es suficiente, pasará a la banda de conducción y dejará un hueco en la de valencia. Cuantos más fotones (con la suficiente energía) se absorban, más parejas electrón-hueco se formarán. Esto es el efecto fotoeléctrico. Fijáos en algo muy importante. Lo único que hace el efecto fotoeléctrico es crear portadores de carga, haciendo más conductor el material. Pero este fenómeno no crea una corriente eléctrica por sí mismo.

¿Cómo se crea entonces la corriente? Una corriente eléctrica no es más que cargas eléctricas desplazándose en una dirección preferente (es decir, que no vale con que las cargas se muevan aleatoriamente, tienen que hacerlo más o menos juntas en la misma dirección). Así que necesitamos mover esas cargas. ¿Cómo? Bien, hemos visto que en un semiconductor, si parte de sus electrones se excitan lo suficiente, se crean parejas electrón-hueco, y por tanto, existe el mísmo número de cargas positivas que negativas, y el material sigue siendo eléctricamente neutro. A un semiconductor se le pueden añadir impurezas, utilizando elementos cuyos átomos tengan un electrón más o un electrón menos de valencia. Estos átomos de impurezas, sustituyen a los átomos del semiconductor en la estructura cristalina, y se dice que el semiconductor está dopado. Si se utilizan átomos cuya valencia es inferior en uno, es decir, tienen un electrón de menos, resulta que tenemos un semiconductor con huecos de más, al que se llama semiconductor tipo P (de positivo). Si por el contrario utilizamos átomos con valencia superior en uno, es decir, con un electrón de más, pues obtenemos un semiconductor con exceso de electrones, al que se llama semiconductor tipo N (de negativo). En el caso concreto del silicio (semiconductor por excelencia), dado que tiene una valencia de 4, se utilizan elementos de valencia 3 (como el boro o el aluminio) para fabricar semiconductores P, y elementos de valencia 5 (como el fósforo) para fabricar semiconductores N. Fijaos que el semiconductor resultante sigue siendo eléctricamente neutro, ya que sigue habíendo el mismo número de electrones que de protones. Sin embargo, un semiconductor dopado tiene más (o menos) electrones en la banda de conducción, que huecos en la de valencia. Y eso es lo que nos importa.

Una vez entendido esto, imaginemos que cogemos un semiconductor P y otro N, y los unimos por un lado (en el mundo real esto se hace de otra manera, pero de momento no importa). Hemos formado lo que se conoce como una unión P-N (sí, también se puede hacer un chiste fácil; luego la gente se extraña de los telecos estemos algo salidos). En la zona de unión, los electrones de más del lado N, se recombinan con los huecos de más del lado P, formando lo que se llama la zona de deplexión, en la que ya no hay huecos ni electrones libres, por lo que esa zona se comporta como un aislante. Acordaos que el semiconductor seguía siendo eléctricamente neutro, aunque fuera P o N. En la zona de deplexión, tenemos electrones de más en el lado P, y electrones de menos en el lado N (debido a la recombinación), por lo que tenemos una carga neta positiva en el lado N, y una carga neta negativa en el P. Esta diferencia de potencial eléctrico hace que los electrones del lado N tiendan a ir al lado P, y los huecos del lado P al N, pero la zona de deplexión lo impide, ya que es un aislante. Estas uniones se suelen utilizar sobre todo como diodos (dispositivos que sólo dejan pasar corriente eléctrica en unsentido), pero en esta ocasión nos importan otras propiedades.

¿Qué ocurre si a cada extremo (P y N) de este invento le conectamos un conductor, y cerramos un circuito? Pues que los electrones del lado N ya pueden ir al lado P siguiendo ese circuito, al igual que los huecos del lado P, formando una corriente eléctrica. Los electrones y huecos que llegan al otro lado de esta manera, se recombinan en su destino. Esto haría que el número de portadores de carga libres disminuyera, pero si el dispositivo está siendo iluminado (y tiene una geometría óptima para ello), y constantemente nuevos fotones son absorbidos y crean nuevas parejas electrón-hueco, pues ya tenemos una corriente de forma indefinida.

¿Alguien se ha perdido? No pasa nada. Recapitulemos lo importante. El efecto fotoeléctrico transforma la energía luminosa en energía potencial eléctrica. Pero por sí mismo, lo único que hace es generar portadores de carga libres. Necesitamos dar al material semiconductor un tratamiento especial, para crear diferencias en ese potencial eléctrico a nuestra conveniencia, y que esas cargas se muevan, creando una corriente eléctrica.

Así que apliquemos esto mismo al unobtanium. No se explica cómo se transforma el calor en energía eléctrica, pero realmente no es necesario saberlo. De alguna manera, el calor exterior es absorbido y utilizado para crear cargas eléctricas. En la película, la fuente de energía de la nave es el reactor nuclear, y no el unobtanium. Es decir, el casco de la nave no ha sufrido ningún tipo de tratamiento para favorecer el exceso de cargas negativas o positivas en determinadas zonas, por lo que es de sentido común suponer que estas cargas están repartidas por igual por el casco de la nave. Otro hecho que apoya esta suposición es que los tripulantes no se electrocutan cuando tocan el casco, o algún objeto metálico apoyado en él. Así que no hay diferencia de potencial eléctrico (o al menos apreciable) entre las distintas zonas del casco. Y sin diferencia de potencial, pues no hay corriente. Ni un mísero miliamperio.

22 comentarios:

  1. Vaya! No puedo creer que sea el primero en comentar!

    Bueno, sólo quería decirte, Alf, que me encanta tu blog y tu forma de explicar las cosas. Haces que lo que parece complicado y demasiado técnico lo pueda entender casi todo el mundo.

    Ánimo, sigue así!!

    PD: cuando dices "energía luminosa" no debe´ría ser en realidad "energía lumínica"

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  2. Casi me duele justificar nada de ese aborto de película, pero ya que presumiblemente el interior de la nave está a una temperatura sensiblemente inferior al exterior se puede generar fácilmente una diferencia de potencial por efecto Seebeck (no nos olvidemos de que las propiedades colectivas del "gas" de electrones son cruciales).

    Lo que sí me preocupa es, precisamente, cómo se mantiene dicha diferencia de temperatura, porque si (como parece obvio) se utiliza la propia energía generada por el unobtanium, que a su vez sale de la diferencia de temperatura, eso es una móvil perpetuo de primera especie (es decir, aunque el proceso tuviese una eficacia del 100%, contraviniendo ya la 2ª ley, se tendría energía para mantener la diferencia de temperatura original y listo, no quedaría nada para mover la nave).

    Un saludo.

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  3. Hola,

    Voy a justificar un poco la película, pero como no soy físico es posible que me equivoque así que corregirme.

    Suponiendo que el "unobtanium" genera energía electrica, esta se queda en forma de carga (como un condensador gigante), para recuperar la energía sólo hace falta conectar los dos polos del condensador al circuito... Aquí viene lo malo, si, como vemos, no se electrocutan al tocar el casco de la nave, lo único que nos queda por pensar es que el otro polo queda por la parte de fuera del casco.

    Qué pensáis? me equivoco mucho?

    S2

    Ranganok Schahzaman

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  4. Pasotaman, si no recuerdo mal en la peli se refrigeraba la nave mediante nitrógeno líquido.
    De esta forma, el nitrógeno enfría el interior de la nave y se crea una diferencia de temperaturas entre el interior y el exterior que se puede emplear para generar electricidad mediante el efecto Seebeck, como tu muy bien dices. Puede que esta sea una de las pocas cosas técnica y físicamente posibles que aparecen en toda la peli.

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  5. Y si se hace la nave más resistente y genera más energía cuanto más calor y presión se le somete, ¿por qué no meten la nave en el interior del sol? tendrían un super-mega-generador eléctrico super-endurecido!!!

    Se me va la olla con estas cosas.

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  6. anónimo: creo recordar que sí se citaba el nitrógeno líquido (usaban parte del mismo para salir al exterior cuando entraban en la "geoda gigante"). No obstante, lo razonable es suponer que se usa más bien como líquido de refrigeración para "distribuir el frío", y que hay un aparato frigorífico en alguna parte de la nave. Lo contrario haría necesario que el nitrógeno se mantuviese frío desde la superficie hasta el núcleo. Esto requeriría un buen aislamiento térmico (imposiblemente bueno diría yo) impidiendo el aprovechamiento del efecto Seebeck.

    Un saludo.

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  7. Si fueses el guionista harias un película maravillosa...mente aburrida!!!
    La ciencia ficción es precisamente ficcón basada en la ciencia, no al contrario. Imaina que por ley las peliculas debiesen presentar hechos fisicamente factibles: sólo habría películas de guerra, sexo y nerds haciendo cálculos...
    geek

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  8. Si, como dice pasotaman, hay un aparato frigorífico en alguna parte de la nave, es un aparato más maravilloso aún que el unobtanium. Pero pasotaman tiene razón, debe haberlo. Aunque el unobtanium sea un aislante perfecto, que en la peli no se lo pretende, hay fuentes de calor dentro de la nave (reactor, seres humanos) y el nitrógeno no es una fuente infinita de "frío". Un frigorífico adecuado debería sacar calor de la nave hacia el exterior, venciendo un gradiente de temperatura de varios miles de grados en contra. Un sistema como los que conocemos, basado en el efecto Joule Thompson, debería calentar un gas, por compresión, hasta que su temperatura fuera superior a la del magma, luego "enfriarlo" en un serpentín exterior a la nave y finalmente, llevarlo a menos de 20ºC por expansión. Tal gas y tal aparato no parecen existir.
    Aprovecho para preguntar: ¿Cómo funcionan los sistemas de refrigeración de trajes espaciales, capaces de funcionar en el vacío? ¿Dónde transfieren el calor?

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  9. ricardo: según http://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_Cooling_and_Ventilation_Garment , simplemente se hace pasar agua fría por tubos en contacto con la piel del astronauta, y luego se disipa el calor por radiación. Nunca he tratado ese campo. Sí he experimentado alguna vez con refrigeración termoeléctrica. Si se dispusiese de materiales de propiedades, en efecto, maravillosas, se podría refrigerar la nave por efecto Peltier (como los procesadores de ordenador). Eso sí, dicha refrigeración requiere aporte de energía. Es el motivo de que citase a refrigeración en mi mensaje original: o se usa el efecto termoeléctrico para generar una diferencia de potencial a costa de dejar que el habitáculo se caliente, o se enfría el habitáculo aportando energía (que se va en mantener la diferencia de potencial). Lo de la peli es querer comerse la tarta y seguir teniéndola entera, que dirían los ingleses.

    Un saludo.

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  10. Si no recuerdo mal, en "Have a Spacesuit, Will Travel" de Heinlein, el astronauta se refrigera por aire que circula por el traje y que una vez caliente es expulsado por válvulas colocadas en las articulaciones. Creo recordar que menciona que se gasta más aire en eso que en respirar.

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  11. Muy buena explicacion del efecto fotoelectrico. Genial como siempre. Yo aprendo mas leyendote que lo que me estudie en mis ya lejanas epocas de estudiante.

    Como dijo alguien por ahi. Haces facil lo que parece dificil.

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  12. Sobre el efecto Seebeck, la diferencia de potencial aparecería entre las zonas de diferente temperatura, es decir, entre el interior y el exterior del casco (como comentó Ranganok). Para poder utilizarla, habría que conectar un cable en el interior y otro en el exterior. Esto último es imposible (o suicida) teniendo en cuenta el entorno, y en la peli sólo los conectan en el interior.

    No estoy seguro de la violación de la 2ª Ley de la Termodinámica. Lo pensé en su momento y le di varias vueltas, pero no he mencionado nada porque no parece hacerlo: el calor pasa del punto caliente (manto y núcleo terrestre) al frío (la nave). Ahí bien. Podemos pensar que la nave no incrementa su temperatura porque precisamente ese calor absorbido se convierte de alguna manera en electricidad. Parece que bien también. A menos que sea precisamente en ese "de alguna manera", donde se viole la termodinámica. Pero no estoy seguro.

    La ciencia ficción es precisamente ficcón basada en la ciencia, no al contrario.

    Pues me acabas de dar la razón. Basada en la ciencia, no en la fantasía. Una obra de ciencia ficción precisamente debería tener menos patadas a la física.

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  13. ¿Podria ser posible que la diferencia de potencial se de entre el casco de la nave y el propio motor nuclear?

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  14. alf: en efecto, es imposible un proceso[*] cuyo único resultado sea la absorción de calor de un foco y su conversión neta en trabajo. Necesariamente se debe ceder calor a la nave, que incrementará su temperatura. Es directamente el enunciado clásico de Kelvin (o Kelvin-Plank) del 2º principio. También es muy fácil verlo en términos de incremento de entropía del conjunto (simplemente considerando que el calor específico de la nave es positivo y la temperatura del entorno constante).

    [*] Estrictamente, lo imposible según el enunciado clásico es un proceso cíclico. No obstante, las formulaciones modernas eliminan completamente esta restricción y, aunque habría mucho que hablar sobre ello, incluso el ejemplo clásico de Clausius de dividir un proceso en ciclos elementales valdría para generalizarlo.

    http://personales.ya.com/casanchi/fis/2principio01.htm (por ejemplo)

    Sobre lo de conectar un cable al exterior, sí, es imposible un material que resista en fase sólida ese calor, pero bueno, esa es precisamente la idea del unobtanium este xD.

    Un saludo.

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  15. Eso de los materiales fantásticos como deus ex machina siempre ha sido, y seguirá siendo la forma de solucionar cuiestiones técnicas que de otra manera harían imposibles el desarrollo de la trama. No recuerdo en donde leí una historia de ciencia ficción, donde para poder remontarse por el aire y alcanzar la luna, se utilizaba un mineral del que existía una veta aqui en la tierra, este mineral tenía propiedades antigravitatorias.

    Si fuese posible que existiese un material de esas características, ¿por qué existe una veta aqui en el planeta? ¿Por qué no se perdió en el espacio durante los primeros tiempos de formación del planeta?

    Y no, hasta donde tengo entendido, no era el producto de la desintegración de otro elemento radiactivo, así que la vida media de un elemento no producía el mineral antigravitatorio. Era solamente una carta debajo de la manga para solucionar el desarrollo de la trama.

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  16. Gracias por las respuestas a cómo funciona la refrigeración de un traje espacial. Aún no he visto lo que dice la wikipedia, pasotaman, pero lo haré.
    Me olvidé de comentar lo siguiente. El la peli, el protagonista tiene la idea de conectar los sistemas de la nave al casco generador de electricidad, mientras observa un modelo de la molécula de unobtanium que cuelga frente a sus narices. Ese modelo es de una molécula real, la de uno de los llamados "fullerenos", compuesta exclusivamente por átomos de carbono, y que, obviamente, no tiene ninguna de las propiedades maravillosas que se le atribuyen en la peli.
    Y concuerdo con Alf, ciencia ficción es ficción basada en la ciencia, no una fantasía irreal donde los personajes usan un lenguaje con palabras tomadas de la ciencia. Y agrego que la ficción basada en la ciencia existe y no es aburrida. Es para mí novedoso que para hacer entretenida una historia haya que violar necesariamente las leyes de la física.

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  17. Mytho: Creo que te refieres a la cavorita, que salía en "Los Primeros Hombres en la Luna", de H.G.Wells. Pero también me parece recordar que en la novela "Un Descubrimiento Prodigioso" de Julio Verne se construían unas naves gracias a un material parecido.

    Alf: Joder, me has traído malos recuerdos: yo tmabién soy teleco (auqnue profesionalemnte no me dedico a nada parecido) y la asignatura de "Electrónica de Dispositivos", en la que se encuadraba todos los principios sobre semiconductores, era uno mis ogros particulares.

    Pero, por otra parte, algo debí sacar en claro, porque ahora este post en concreto me ha resultado sencillísimo de entender.

    Saludos,

    Ferre

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  18. Yo, la verdad, es que a la pelicula "El nucleo" le tengo mas mania por lo aburrida y tonta que es que por las patadas a la fisica que pueda haber en ella, con lo que la defensa de tener que violar las leyes físicas para hacer una peli entretenida no cuela. De hecho si hubiera sido una historia emocionante, con un planteamiento y unos personajes interesantes, no hubiera notado tanto los montones de metidas de pata que hay cientificamente hablando, y si los hubiera notado, los habria disculpado.

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  19. Hola Alf, soy Carlos de NovaCiencia, pese a que leo tu blog asiduamente, pues es de lo mejorcito que hay en la red, me estreno en los comentarios para felicitarte por tu trabajo, es sensacional, mucho ánimo y sigue así.

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  20. Ferre: ¡Efectivamente! Se trata de la cavorita. No recordaba el nombre dado que leí esa obra hará la friolera de 20 años, cuando me iniciaba en la ciencia ficción.

    Por otro lado, ¿soy solamente yo, o a alguien más le dio la impresión de que el científico "mediático" que les acompaña es una especie de caricatura de Carl Sagan, bastante peyorativa?

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  21. Voy a hacer una aclaración que no tiene nada que ver con el tema de este post.

    Estoy coleccionando la serie "Erase una vez el Espacio". Lo compro en el kiosko de mi calle.
    La colección "Erase una vez el espacio" está incluida en la serie "Erase una vez la ciencia".

    La distribuidora de la colección es Planeta deagostini. La web es:

    http://www.planetadeagostini.es/ficha.php?id=156

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  22. Hola, Alf, sólo quería comentarte que me parece un blog increíble este que escribes. Es mucha gente la que te lo dice, pero no podía pasar la oportunidad de decírtelo yo mismo (llevo leyéndote bastante tiempo). Yo también soy teleco, aunque técnico en Imagen y Sonido únicamente, y, al igual que ha comentado alguien tampoco trabajo en nada relacionado directamente (soy informatico). Me has recordado mis tiempos de estudiante y me ha encantado recordar de nuevo todo eso de los semiconductores, sustancias dopantes, etc... muy muy interesante. Muchas gracias. Enhorabuena.

    http://malditaindecision.blogspot.com

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