El Quinto Elemento: Átomos solares ligeramente grasos

Como los dos últimos envíos han sido bastante extensos, el de hoy va a ser algo más corto, ligero, y casi podría decirse que innecesario, pues muy poca gente podría tomarse en serio la frase que voy a comentar. Me estoy refiriendo a una escena de la película El Quinto Elemento, en la que están reconstruyendo un cuerpo alienígena (que finalmente resulta ser Milla Jovovich), y uno de los científicos dice que están utilizando «átomos solares ligeramente grasos».

¿Por dónde empezar? En varias ocasiones he comentado que las estrellas son enormes bolas de plasma, formadas sobre todo por hidrógeno, que se va transformando en helio mediante reacciones nucleares de fusión. Pueden contener algún que otro elemento, producto también de dichas reacciones o que ya estaban presentes en la nube de polvo original que formó la estrella (aunque en última instancia, todo elemento químico diferente del hidrógeno o el helio se originó en algún momento en el interior de una estrella). En el caso concreto de nuestro Sol, la composición es de un 73,46% de hidrógeno, un 24,85% de helio y un 1,69% de otros elementos, entre los que podemos destacar el oxígeno (0,77%) y el carbono (0,29%). Por tanto, un «átomo solar» no es más que ión (recordad que el plasma es gas ionizado) de hidrógeno o helio.

Y ¿qué es una grasa? Bueno, las grasas son unos tipos de lípidos denominados acilglicéridos, aunque a veces se emplea de forma coloquial para referirse a cualquier lípido en general.

En el colegio nos enseñaron un poco de química orgánica, y entre ella, el concepto de grasa. Si os acordáis, la química orgánica estudiaba las moléculas formadas por cadenas de carbono. Nos decían que un átomo de carbono tiene 4 enlaces, que podían usarse para unirse a otros átomos (bien de carbono, bien de otros elementos, como el hidrógeno), y el profesor pintaba bonitas cadenas de letras unidas por rayas. Lo primero que nos enseñaban eran moléculas formadas únicamente por átomos de carbono e hidrógeno y que se denominan alcanos. Nos contaban también que los nombres de las moléculas tenían una nomenclatura, donde el prefijo indicaba el número de átomos de carbono. Así, teníamos el metano (1 C), el etano (2 C), el propano (3 C), el butano (4 C), y a partir del pentano (5 C) ya usábamos los prefijos griegos de toda la vida (y que aprendimos en geometría).

Normalmente, tras esta introducción, nos enseñaban que si sustituíamos uno o más hidrógenos de un alcano, por grupos hidroxilo (OH^-, un átomo de hidógeno unido a uno de oxígeno al que el queda un enlace libre), obteníamos un alcohol. Estas moléculas seguían una nomenclatura muy similar a los alcanos, y así aprendimos lo que era el metanol, el etanol (aunque muchos ya supieran de él de forma experimental), el propanol, etc. Hay un alcohol que debemos destacar: el propanotriol, también llamado glicerol o glicerina, que es un alcohol de 3 carbonos (propa-) y tres grupos OH (-tri-ol).

Vamos a saltarnos los pasos intermedios con los que se nos introducía en la química orgánica, para llegar a los ácidos grasos. Un ácido graso es una cadena como las de los alcanos, pero en la que en uno de sus extremos hay un grupo carboxilo. ¿Y esto qué es? Pues es un grupo funcional formado por un átomo de carbono unido a uno de oxígeno (mediante un enlace doble), y a un grupo OH.

Y con esto ya llegamos a las grasas. Si a una molécula de glicerol le «enganchamos» uno o más ácidos grasos, tenemos una grasa. El enlace se produce en los grupos OH de cada molécula, de forma que queda un único oxígeno haciendo de «puente» entre ambas, y los dos átomos de hidrógeno y el de oxígeno sobrantes, forman una molécula de agua (H₂O, como imagino todos sabréis). Como la molécula de glicerol tiene tres grupos OH, se pueden enlazar uno, dos o tres ácidos grasos, y así tenemos tres tipos de acilglicéridos diferentes: monoacilglicéridos, diacilglicéridos y trialcilglicéridos (también conocidos como triglicéridos).

Tras este repaso, volvamos a la peli. ¿Qué es un átomo solar ligeramente graso? Pues sólo se me ocurre que sea algo así como un ión de hidrógeno o helio, unido a una grasa. Fijáos que «ligeramente graso» es un calificativo de «átomo solar», por lo que lo importante es el átomo de hidrógeno o de helio, y el resto de la molécula de grasa sería como un complemento (molécula que tiene varios átomos de hidrógeno). La expresión tiene tan poco sentido como hablar de una «silla amueblada».

Y sí, ya sé que es más que posible que los guionistas supieran que estaban diciendo una enorme chorrada, y lo hicieran a propósito por motivos humorísticos, pero ¿a que es divertido recordar un poco la química orgánica?

Un poco de radiactividad

Estos días es noticia las candidaturas de diferentes ayuntamientos a tener un cementerio nuclear, y las numerosas y enérgicas protestas de gente en contra. Escuchando y leyendo declaraciones, puedo comprobar que hay bastante desconocimiento en general sobre todo lo que rodea la radiactividad, y se asocia inmediatamente a algo muy peligroso y dañino, tanto para el hombre como para el medio ambiente. Y sí, la radiactividad puede ser muy dañina, incluso letal, pero no es una fuerza irresistible que atraviesa todo. Se puede aislar, y de hecho, se hace.

¿Que es la radiactividad? Hace tiempo expliqué un poco qué es y que qué produce la radiactividad, pero no está de más recordarlo. Existen isótopos cuyos núcleos atómicos no son estables, por tener «demasiada energía». La naturaleza tiende siempre a la configuración menos energética, por lo que estos isótopos desprenden energía en forma de radiación electromagnética o partículas subatómicas. Durante este proceso, el núcleo ve modificado su número de protones o neutrones (o ambos). Si como resultado, se modifica el número de neutrones, se convierte en otro isótopo del mismo elemento. Y si se modifica el número de protones, el elemento químico cambia (la transmutación de la materia anhelada por los antiguos alquimistas).

Existen tres tipos de radiación: la radiación alfa, que consiste en núcleos de helio (dos protones y dos neutrones «juntitos»), la radiación beta, que consiste en electrones o positrones, y la radiación gamma, que es radiación electromagnética (es decir, fotones). La radiación alfa es muy energética, pero fácilmente bloqueable. Bastan unas hojas de papel para impedir su paso (pensad que después de todo, aunque ligeros, se trata de núcleos atómicos enteros). La radiación beta es algo más penetrante, pero sólo un poco más. Una lámina de aluminio puede deneterla sin problemas. La radiación gamma ya es harina de otro costal. Es muy penetrante y se necesitan barreras bastante más gruesas, y de materiales muy concretos, como el plomo o el hormigón.

¿Por qué es dañina la radiactividad? Bueno, la radiactividad es dañina porque es ionizante, es decir, es capaz de ionizar átomos. ¿Y eso qué quiere decir? Pues que cuando la radiación atraviesa la materia, puede arrancar electrones de los átomos que la componen, alterando algunas propiedades. Si eso ocurre con átomos que forman parte de una estructura celular, ésta puede resultar dañada. Y dependiendo de dónde esté el daño y de su cantidad, será más o menos perjudicial para el ser vivo afectado.

He mencionado la cantidad, y es que la radiactividad no escapa a la cita atribuida a Paracelso: «todo es veneno, nada es veneno; la diferencia está en la dosis» (o algo así; si alguno conoce la cita exacta, le agradecería que me corrigiera). El cuerpo humano puede soportar pequeñas dosis de radiactividad, y de hecho, las soporta diariamente. Existe radiactividad en la naturaleza, que no tiene nada que ver con la actividad humana ¿Os acordáis del artículo en el que comenté la datación por carbono-14? Todos los seres vivos (incluidos nosotros) tienen una cantidad de carbono-14 formando parte de su estructura, y el carbono-14 es un isótopo radiactivo. Y no es el único que podemos encontrar en la naturaleza.

En otro orden de cosas, el hombre utiliza elementos radiactivos y radiaciones ionizantes, para otros fines además de la energía nuclear, como por ejemplo en el campo de la medicina. Los famosos rayos X que se utilizan para realizar radiografías, es radiación ionizante. Y precisamente por eso el paciente se queda solo en la sala, en el momento de la irradiación (una única dosis no es dañina, pero una exposición diaria es otra cosa). La radioterapia utilizada en tratamientos para el cáncer consiste precisamente en matar los tejidos afectados mediante radiación ionizante (pudiendo utilizarse material radiactivo, dependiendo del tipo de tratamiento). Y hay métodos de diagnóstico que consisten en inyectar directamente un isótopo radiactivo en el paciente, que luego es fácilmente detectable desde el exterior, proporcionando información de «por dónde va». Por supuesto, todos estos elementos son manipulados con las debidas precauciones, y las salas donde se utilizan están convenientemente apantalladas.

Antes he mencionado que los isótopos radiactivos lo son porque sus núcleos tienen demasiada energía, y deben liberarla. ¿Qué ocurre cuando ya han emitido esa energía que les sobra? Todos los isótopos radiactivos, al emitir radiación se convierten en otros (recordad que el número de protones y neutrones del núcleo se ve alterado), que pueden ser radiactivos o no. Pero si es radiactivo tendrá que ir decayendo a su vez en otro. Finalmente, todo material radiactivo termina decayendo (directa o indirectamente) a isótopos estables no radiactivos. Existe un concepto llamado periodo de semidesintegración, llamado también semivida, que es intrínseco a cada isótopo radiactivo. Nos dice cuánto tiempo pasa hasta que la mitad del material ha decaído en otro isótopo diferente. Cuanto mayor sea el periodo de semidesintegración, más duradero será el material radiactivo, y cuanto menor sea, antes desaparecerá. Fijaos que todos los materiales radiactivos terminan desintegrándose con el tiempo, precisamente porque sus núcleos son inestables. No ocurre así con los elementos no radiactivos, que pueden durar indefinidamente.

Bueno, una vez hemos asimilado todo esto, vayamos el punto de la polémica: los residuos nucleares y su almacenamiento. En una central nuclear se fisionan elementos radiactivos (por lo general, uranio) para obtener energía. Para ello, el combustible nuclear se dispone en una serie de varillas que se intoducen en el reactor. Durante el proceso, se producen entre otras cosas, otros elementos radiactivos. Una varilla «gastada» contiene dichos elementos, además de parte del combustible nuclear original, que no se ha fisionado. Por otro lado, hay partes del reactor, herramientas y otros utensilios, que tras tanta exposición a la radiación, terminan por volverse algo radiactivos (no porque la radiactividad sea algo «contagioso», sino porque algunos núcleos atómicos, al absorber la radiación, sufren el proceso inverso, adquieren energía y se vuelven inestables). Y no sólo una central nuclear produce residuos radiactivos, sino que un hospital también puede generarlos, como hemos visto.

Los residuos radiactivos se dividen en tres grupos, según su emisión de radiación y su periodo de semidesintegración: de baja actividad, de media actividad y de alta actividad, siendo estos últimos los más peligrosos. Todos estos residuos deben ubicarse en un lugar seguro hasta que decaigan en elementos no radiactivos, y para eso están los vulgarmente llamados cementerios nucleares.

Las expresiones «desechos nucleares» y «cementerio nuclear» evocan algún tipo de bidón metálico lleno de un líquido brillante, que se vierte de cualquier forma en algún lugar condenado. Puede que hace unas décadas esta visión no estuviera demasiado alejada de la realidad, pero a día de hoy, el tratamiento de estos residuos es bien distinto. Precisamente, la misión de estos «cementerios» es almacenar estos residuos de forma que no causen daño al hombre y al medio ambiente en general. Hay dos tipos de estos almacenes: superficiales, para residuos de baja y media actividad, y profundos, para los de alta actividad. Estos almacenes no son simples naves industriales donde se amontonan los resiuduos, sino que están formados por paredes muy gruesas de hormigon, que impiden la salida de la radiación.

Los residuos en sí, también se recubren de hormigón para minimizar la radiación que alcanza el exterior (no olvidéis que se transportan de alguna manera hasta que llegan a su almacenamiento). Y así recubiertos, se introducen en el almacém, que proporciona aún más aislamiento. Si se toman todas las medidas necesarias, la radiactividad en el exterior del cementerio nuclear no debería ser superior a la radiactividad natural.

Con esto no quiero pintarlo todo de rosa. Los materiales radiactivos pueden llegar a ser muy peligrosos, pero precisamente por eso, se toman enormes medidas de seguridad en su uso. Y si se cumplen, no debería haber ningún problema.

La enésima máquina de movimiento perpetuo

Poco antes del inicio de las pasadas fiestas, recibí un correo electrónico llamando mi atención sobre un artículo publicado en una web, sobre un nuevo diseño de automóvil eléctrico (gracias Javier). El artículo hace referencia a unos gráficos que no aparecen, dado que parece ser una versión resumida del original, que está publicado en otra web diferente.

El artículo en cuestión comienza hablando de la contaminación y poca eficiencia de los motores de combustión interna, y de que los motores eléctricos no son una solución en sí mismos, si la electricidad necesaria (para cargar las baterías) es generada también mediante combustión. Sigue con la descripción del diseño, que básicamente consiste en un motor eléctrico cuyo rotor, además de transmitir movimiento a las ruedas, está conectado al rotor de un generador eléctrico, que a su vez alimenta las baterías. La idea es que aunque sea necesaria una carga inicial de las baterías, el generador utilizará el movimiento del coche para recargarlas. Y según el autor, a partir de determinada velocidad, la energía producida por el generador será superior a la consumida por el motor. ¡Oh, vaya! Una máquina de movimiento perpetuo.

Lo que sigue son una serie de argumentaciones fácilmente rebatibles con un poco de conocimiento de física. Empieza repitiendo varias veces que no se está creando energía de la nada, sino que se está transformando la energía cinética del coche en energía eléctrica. Pero el autor parece olvidar que si extraemos la energía cinética de un cuerpo en movimiento, estamos disminuyendo su velocidad. Como recordaréis, en el colegio nos enseñaron que la energía cinética era la mitad del producto entre la masa y el cuadrado de la velocidad (E=(1/2)·m·v²). Así, si transformamos la energía cinética en eléctrica, la energía cinética debe disminuir (o estaremos violando la ley de conservación de la energía), y al hacerlo, la velocidad necesariamente debe disminuir (la masa no varía).

De hecho, este es el principio de los llamados frenos regenerativos que utilizan muchos vehículos eléctricos e híbridos. En vez de transformar la energía cinética en calor no aprovechable mediante fricción, como un freno convencional, se convierte en energía eléctrica mediante el propio motor eléctrico, que puede funcionar como generador, pudiendo así reutilizarla. El propio proceso de conversión de energía frena el rotor. Si alguna vez habéis tenido en vuestras manos una pequeña dinamo, de esas que se utilizaban en las bicicletas para alimentar el pequeño foco (no sé si se siguen usando ahora), os habréis dado cuenta de que la pequeña ruedecilla que se pone en contacto con el neumático, no gira libremente sino que hay que ejercer algo de fuerza. Y por mucho impulso que queramos darle, en cuanto dejamos de ejercer esa fuerza, la ruedecilla se detiene rápidamente.

Así que con un generador eléctrico conectado a las ruedas, lo que conseguimos es frenar el vehíclo, recuperando parte de la energía que hemos empleado en acelerarlo en primer lugar. Y digo parte porque es imposible recuperar toda. Una fracción de ella se ha perdido en forma de calor, debido a la fricción de las diversas partes móviles, y sobre todo, del aire. Además, ningún motor o generador eléctrico tiene una eficiencia del 100%, por lo que aunque no existiera rozamiento, tampoco podríamos recuperar toda la energía invertida.

Antes mencioné que según el autor, sólo se obtiene más energía del generador que la consumida por el motor, a partir de determinada velocidad. Según él, es debido a que al hecho de que al aumentar la velocidad aumenta la energía cinética (que es cierto), se suma el que cuesta menos energía mantener la velocidad, cuanto mayor sea ésta:

Además a una alta velocidad, se requiere una menor cantidad de energía para seguir impulsando el auto. Es por ello que el rendimiento de unos autos es de casi 40 kilómetros por galón en ciudad y de casi 65 kilómetros por galón en pista.

Pero esto es totalmente falso. El que el rendimiento de un automóvil disminuya mucho en la ciudad, se debe a que el vehículo está parte del tiempo parado, acelerando y frenando. Es obvio que un vehículo parado con el motor en marcha, consume combustible de forma innecesaria. Pero además, acelerar el vehículo requiere mucha más energía que simplemente mantener su marcha, y al frenar, estamos desperdiciando la energía empleada anteriormente, al disiparla en forma de calor (estamos pensando, claro, en un vehículo convencional). En ciudad se gasta mucha energía en cosas que no son mantener la velocidad del coche, y por eso el consumo se dispara. En carretera, sin embargo, una vez hemos adquirido la velocidad deseada, apenas la variaremos, y el comsumo de combustible será menor, ya que sólo consumimos energía para mantener la velocidad.

Por el contrario, manteniendo igual el resto de parámetros, a mayor velocidad, mayor energía consumimos. ¿Por qué es necesario seguir propulsando el coche para mantener la velocidad? Pues sobre todo, por la resistencia del aire. Y la resistencia que ofrece el aire aumenta con la velocidad, por lo que cuanto más rápido se desplace el vehículo, mayor fuerza debemos ejercer para mantener la velocidad, y por tanto, mayor consumo energético (recordemos que la energía es el producto de la fuerza por la distancia). Cualquier conductor experimentado habrá observado que para una misma marcha, a mayor velocidad mayor consumo, e incluso es algo que se enseña en las autoescuelas como motivación adicional para no correr demasiado en carretera (insisto en que la comparación debe hacerse con la misma marcha, ya que para una misma velocidad, con una marcha corta se consume más que con una larga, al estar el motor en un régimen mayor de revoluciones).

Para rematar, a pesar de que el autor intenta explicar que su invento no viola la primera ley de la termodinámica, nos ilustra con un supuesto contraejemplo de dicha ley:

Ahora, hay un hecho científico comprobado y demostrado que cuestiona que “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.

Un tipo de molino de energía eólica gira a una velocidad de 50 vueltas (o revoluciones) por minuto, que hacen girar el eje principal de la caja multiplicadora, convirtiendo estas 50 revoluciones por minuto en 1,800 revoluciones por minuto. Resultado 25,000 voltios, los cuales al rebotar en imanes de diferente intensidad multiplican estos 25,000 voltios en 450,000 voltios que pueden abastecer a 34,000 hogares.

Entonces, si la energía no se crea ni se destruye y solo se transforma. ¿Cómo es posible que 50 revoluciones se conviertan en 1,800 revoluciones? O ¿como es posible que 25,000 voltios se conviertan en 450,000 voltios?

¡Uf! Casi necesitaría un post entero para comentar este pequeño fragmento. Veamos, las cajas multiplicadoras no son más que sistemas de engranajes de toda la vida. Multiplican (o desmultiplican) la velocidad de giro de los ejes, pero nunca la energía. El principio básico de un engranaje es muy sencillo: dos ruedas dentadas de distinto tamaño están engranadas por los dientes, y puesto que la velocidad lineal en la zona de engranaje ha de ser la misma en ambas ruedas, la más pequeña gira más rápido que la grande. Pero eso no crea energía de la nada. Toda la energía que podamos extraer a la salida de la caja multiplicadora, debe ser proporcionada en la entrada (un poco más, de hecho, por el eterno problema de los rozamientos). Estos mecanismos no sirven para transformar o crear energía, sino para adecuar un régimen de velocidad a otro, o para multiplicar la fuerza (que no es lo mismo que la energía). Volviendo a las bicicletas (sí, de niño montaba mucho en ellas), los que hayáis usado alguna vez una con cambios, habréis comprobado que con el «piñon grande» se pueden subir cuestas con menos esfuerzo, y que con el «piñón pequeño» se obtiene más velocidad.

Pero la energía utilizada es la misma. Recordad: energía es fuerza por distancia (E=F·d). Una máquina simple de este tipo (como la palanca) nos permite «intercambiar» estas dos magnitudes. Podemos obtener más fuerza de la aplicada, a cambio de tener menos recorrido, y viceversa. Pero la energía que obtenemos en la salida es la misma que la proporcionada en la entrada (suponendo que no hay pérdidas).

Así que el tener un mecanismo que multiplica por 36 (1.800/50) la velocidad de giro, no está creando energía de la nada. Este incremento de velocidad angular es a costa de una disminución en la fuerza obtenida, que será 36 veces menor que la proporcionada en la entrada.

Veamos ahora el asunto de la energía eléctrica. La potencia eléctrica consumida por un circuito es el producto de su tensión por su intensidad: P=V·I, y como sabéis, la potencia es la energía consumida o producida por unidad de tiempo: P=E/t (en realidad, para corriente alterna, se añade un factor con operaciones trigonométricas, pero que únicamente depende de la frecuencia, fase y tiempo, y no es relevante para lo que voy a contar). Como podéis ver por la fórmula, si el voltaje aumenta y la corriente disminuye en la misma proporción, la potencia (y por tanto, la energía) se mantiene constante. Y esto es lo que hace precisamente un transformador eléctrico: modifica el voltaje, modificando también la intensidad de corriente. Así, si un transformador me cambia la tensión de 25.000 a 450.000 V, también está disminuyendo la intensidad de corriente, de forma que a la salida es 18 veces menor que a la entrada (450.000/25.000), y la energía no varía.

De hecho, es por este motivo por el que se utiliza muy alta tensión para el transporte de energía eléctrica. Todo conductor, cuando circula corriente eléctrica por él, se calienta debido al efecto Joule, siendo el calor producido directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente. En una línea de transmisión eléctrica, esta energía que se transforma en calor es energía que estamos perdiendo y que no llegará a su destino. Para minimizar esta pérdida, debemos utilizar intensidades de corriente lo más bajas posibles, lo que trae como consecuencia usar voltajes muy altos.

Por cierto, que el cambio de tensión no se realiza haciendo «rebotar» los voltios en diferentes imanes, como si fueran pelotas, sino utilizando la corriente de entrada para generar un campo magnético que induzca corrientes en otro conductor (que sería la salida). También me gustaría saber dónde esta ese molino tan extraordinario, que puede abastecer a 34.000 hogares él solito.

Por si no bastara con todo lo anterior, el autor se pone a la defensiva e insulta de forma preventiva a quien pudiera estar en desacuerdo con él, y además recurre al clásico argumento de «la ciencia ya se ha equivocado antes» y «X fue contracorriente y tenía razón». Y sí, la ciencia se ha equivocado y seguirá haciéndolo, pero avanza y se corrige a sí misma a base de contrastar la teoría con la realidad. Es la base del método científico. Así, si uno quiere refutar la primera ley de la termodinámica, no debe hacer discursos ni compararse con Copernico. Basta con construir una máquina de movimiento perpétuo de primera especie y mostrarla en funcionamiento ante una audiencia cualificada. Es muy sencillo.