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lunes, 19 de diciembre de 2011

Energía Nuclear de Fusión: El Tokamak y el futuro de la energía.

 
   Últimamente he estado viendo vídeos sobre la energía nuclear de fusión. En concreto, sobre los diseños y proyectos actuales en los que se está intentando obtener de una forma segura y viable este tipo de energía y me pareció interesante hablar sobre este tema aquí.

Como introducción, hay que saber que todo proceso de fusión, consiste en la unión de dos núcleos atómicos que dan como resultado uno más pesado, liberándose energía.

La liberación de energía en un proceso de fusión, se rige por la famosa ecuación de Einstein:
                                                                                 
                                                                           E = mc^2 \,\!

De tal forma que al fusionarse dos átomos para dar uno más pesado, esta variación de masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado, daría como resultado, la energía total transformada. ¿Esto es mucho?
Pues con 10 gramos de deuterio y 15 gramos de tritio, se podría generar la suficiente energía como para abastecer la demanda de una persona, a lo largo de toda una vida. Visto de otra manera, se aproxima que con un gramo de una reacción de fusión de este tipo, se genera 1000 veces más energía que con 1 gramo de U235.


                                                         H2 (D)+ H3(T) —> He+ n + 18 MeV        
                                                    



Esta reacción pertenece a la fusión que se está estudiando actualmente, y corresponde a la unión de un átomo de Deuterio y otro de Tritio (isótopos del hidrógeno). Como resultado, se forma un átomo de helio.
¿Son elementos abundantes? El deuterio se puede sacar del agua  de los océanos. De forma concreta, por cada 500 litros de agua, se pueden extraer 10 gramos de deuterio. El tritio, lo obtendríamos del litio. (15 gramos de tritio por cada 30 de litio). Ambos son elementos que podemos considerar inagotables en la naturaleza.

La razón por la que se trabaja con esta reacción específica, se debe a que necesita menor presión que la que tiene lugar en el núcleo solar. (Sería imposible simular esas condiciones de presión). Por el contrario, debemos de aumentar la temperatura hasta 150 millones de grados o incluso más (¡135 millones más que el núcleo solar!)

                            


                               4×H1 + 2×e- —> He4 + 2 neutrinos + 6 fotones + 26 MeV 
                                                        Reacción de fusión en el núcleo solar.




   En vista de los valores numéricos de temperatura que se han mencionado, es lógico pensar que para llevar a cabo una reacción de fusión, se necesita una cantidad de energía inmensa para vencer las fuerzas de repulsión magnéticas y nucleares de los átomos. Nos vamos haciendo una idea por lo tanto de qué condiciones vamos a necesitar. La cuestión es ¿Dónde y cómo podemos recluir deuterio y tritio en estado de plasma a semejantes temperaturas?

Antes de responder a estas preguntas, retrocedamos unos cuantos años en el tiempo.
La fusión nuclear, no es un concepto que podamos considerar reciente. De hecho, la primera reacción nuclear, se llevo a cabo en 1952, en el interior de una Bomba de Hidrógeno (o termonuclear).
Explosión bomba de Hidrógeno.
Pero cómo pudieron a hacer para suministrar la cantidad de calor necesaria para ello, si todavía hoy en día se tienen complicaciones. La respuesta está en que, la fusión nuclear, se puede producir fácilmente de forma descontrolada, mediante una reacción en cadena. Lo que quiere decir esto es que, antes de la fusión, la bomba de Hidrógeno explotó como una bomba nuclear convencional de fisión. En ese instante, la temperatura que se genera, es de decenas o cientos de millones de grados, ideal para que posteriormente, se desencadene la fusión nuclear, confiriéndole a la bomba H una potencia varias veces superior a las de Hiroshima y Nagasaki.


Visto esto, a menos que queramos destruir el planeta, no es la forma que nos interesa para obtener la reacción de fusión nuclear, por lo tanto, habrá que construir un avanzado reactor nuclear que lo permita.

Para el estudio y construcción de este reactor, nació en 1986, un proyecto internacional en el que colaboran países como  Rusia, la Unión Europea, EEUU, Japón, Canadá y China.
Este proyecto, lleva el nombre de proyecto ITER, que en español se traduce como "Reactor Termonuclear Experimental Internacional" y está siendo construido en Cadarache (Francia) y ha supuesto una inversión de 10.300 millones de euros. Se espera que esté completamente operativo para 2020 aproximadamente.

El reactor que están construyendo, consiste en un modelo de Tokamak. (acrónimo ruso que en español se expresa como "Cámara toroidal de bobinas magnéticas"). 


Sección de un Tokamak.
La estructura de un Tokamak, tiene forma toroidal, como un donuts (pero cuyo interior se encuentra al vacío), de 2 metros de radio interno y 6,2 de radio externo. Lo que sería la superficie del "donuts", en el Tokamak se corresponde con un conjunto de bobinas superconductoras de niobio encargadas de generar un campo magnético cerrado que sigue la trayectoria del toroide (imaginar un hilo que pasa por dentro del donuts, ese sería el campo magnético toroidal) . En el agujero central del "donuts", estaría ocupado por un material por el que se inducirá un campo magnético variable.

Ya tenemos una descripción básica de lo que es un Tokamak. Ahora, interesa saber en qué principios se apoya, cómo sería su funcionamiento y si con esa configuración podría albergar en su interior plasma a temperaturas de 150 millones de grados.

Es evidente que no podemos confinar un flujo de plasma a 150 millones de grados de cualquier forma. Primeramente las paredes del recipiente se desgastarían, el plasma se enfriaría y tendríamos que suministrarle muchísima más energía, de tal forma que ni tan si quiera se llegaría a la condición Break-Even en la que la ganancia de energía es igual a la energía suministrada al sistema.
Expliquemos entonces la idea del confinamiento magnético.



El confinamiento magnético, consiste en confinar el plasma girando en el interior del Tokamak e ir elevando su temperatura hasta que se produzca la fusión.
Como se sabe, cuando circula una intensidad por una bobina, se genera un campo magnético a lo largo de su eje. Este campo magnético es idéntico al que se forma en el Tokamak. Según la ecuación de Lorentz, cuando una carga eléctrica en movimiento se ve afectada por un campo magnético aparece una fuerza sobre esta que modifica su trayectoria.

Para darle una mayor estabilidad a ese plasma giratorio, se le aplica una corriente de inducción a ese plasma mediante una columna que atraviesa el eje del Tokamak.
De  esta forma, igualmente que el secundario de un transformador, circulará una corriente eléctrica a lo largo del plasma. Esta corriente, inducirá un campo magnético poloidal a su alrededor y además, contribuirá a un primer calentamiento del plasma, que culminará con un calentamiento mediante radiacción. Todo esto es posible gracias a que el plasma posee cargas eléctricas libres.


Flujos magnéticos dentro del Tokamak.

   Por lo tanto este es el sistema de producción de energía nuclear que han decidido llevar a cabo.
Quedan todavía muchos años de investigación, pero sin duda, en cuanto se llegue al resultado esperado, será el inicio de otra nueva revolución industrial.
Estamos hablando de una fuente de energía prácticamente inagotable que, en unión con las demás fuentes de energías renovables, blindaría la futura necesidad energética para siempre.
Nos olvidaríamos de la emisión de gases efecto invernadero, ya que lo único que emite este tipo de reactores es helio, que es un gas inerte sin ninguna repercusión ambiental.
El riesgo de un fallo eléctrico interrumpiría directamente la operación sin ningún peligro de explosión como Chernobyl o Fukushima. Además, el tritio, aun siendo radiactivo, produce emisiones beta de baja energía, por lo que no sería peligroso para la salud. Es sin embargo, radiotóxico por ingestión o inhalación, pero las cantidades con las que se trabaja serían absolutamente insuficientes, ya que se disiparía en el aire atmosférico sin dar ningún otro tipo de problemas.

   Y esta es la necesidad o más bien obligación que tiene el ser humano para esta primera mitad de siglo. Intentar obtener esta nueva forma de energía para poder decir por fin adiós a toda la saga de combustibles fósiles que nos han ayudado a llegar hasta donde estamos. A partir de aquí, toca seguir evolucionando e irnos olvidando del fuego de nuestros antepasados prehistóricos.


                                                        Vídeo sobre el proyecto ITER.
     

                                                  Interior del Tokamak en funcionamiento.


Fuentes:

[Wiki]
[cult]
[bib]

miércoles, 7 de diciembre de 2011

Bacterias y energía.

   Las bacterias son microorganismos unicelulares, y son los organismos más abundantes de todo el planeta. Crecen en todos los hábitats terrestres, en todas partes. Desde los desiertos hasta los mares. Incluso resisten las condiciones del espacio exterior. Son los organismos más resistentes. En cada gramo de tierra, se pueden encontrar decenas de millones de ellas...

Bacterias E. Coli (x15000)
La primera idea de la existencia de estos microorganismos, emergió en una enciclopedia médica de 14 volúmenes, llamada "El Canon de medicina", escrita en 1020 por el médico musulmán Avicena. Evidentemente la idea que existía por aquel entonces, era una idea difusa basada en el pensamiento y no en la observación, ya que no existían medios suficientes como para poder profundizar en el tema.
Foto de Anton van Leeuwenhoek. 
Hubo que esperar casi 700 años para poder observarlas por primera vez (1683). El honor estuvo en las manos de Anton van Leeuwenhoek, científico de los Países Bajos, quien consiguió realizar estas observaciones con microscopios construidos por el mismo.
Otro gran impulso al estudio de las bacterias, llegó a mano de  Louis Pasteur, quien en 1859, derribó la teoría de la "generación espontánea".
Con el paso de los años, los estudios se fueron haciendo más rigurosos, y se le fueron atribuyendo a las bacterias numerosas propiedades que incitan un gran interés en la actualidad.
En el panorama de las energías renovables, están cobrando un papel de gran interés en la obtención de biocombustible: El etanol (alcohol etílico: C2H6O)


Astillas de madera para crear etanol.
Actualmente, el país más volcado en la generación de este biocombustible, es sin duda alguna EEUU.
En 2007, la empresa Range Fuels, atrajo millones de dolares de capital privado para la construcción de una planta de este biocombustible. Su objetivo, transformar 1000 toneladas diarias de astillas de madera y otros desechos en más de un millón de litros de etanol. El resultado, fue un fracaso absoluto. La conversión de biomasa en carburante resultó ser más difícil de lo que preveían y las ventas prácticamente nulas debido a la dificultad de competir en precio y prestaciones con la gasolina. En resumen: Grandes inconvenientes.
Lo mismo pasa con el etanol obtenido a partir del maíz. Se ve acorralado ante la necesidad de consumir entorno al 40% de la cosecha nacional, lo que provoca un aumento en el precio de los alimentos. (En 2010 se generaron  50.000 millones de litros de etanol en EEUU)


Otros métodos mejor planteados son utilizar la cáscara y el tallo del maíz en vez de la parte comestible, la caña de azúcar, producir combustibles líquidos a partir de algas o, donde entran en juego las bacterias, crear microorganismos manipulados genéticamente que segreguen hidrocarburos.
Recientemente en EEUU, se ha transformado la bacteria E.Coli (la encargada de la síntesis de insulina) en una productora que, recibiendo radiación solar, CO2 y agua, da como resultado diferentes hidrocarburos, entre ellos biodiésel. Esta bacteria, se alteró de tal forma que expulsa el aceite de manera que no hay que matarla para extraerlo. El aceite generado, flota en lo alto de la cuba donde se encuentran las bacterias, por lo que se puede retirar con facilidad para su posterior refinado. Esta bacteria presenta un crecimiento 3 veces superior al de la levadura y una capacidad de resistencia sorprendente para desarrollarse en ambientes extremos.
De momento se ve completamente imposible que este tipo de generación pueda reemplazar al petróleo. Pero tienen expectativas de que con el tiempo e invirtiendo el capital suficiente, se pueda frenar el aumento desmesurado de la demanda del combustible fósil.
Hay que tener en cuenta que un litro de metano tan solo aporta dos tercios de la energía que aportaría un litro de gasolina. Y sumándole que el ahorro de emisiones de CO2 a la atmósfera es más bien poco, hace que no se vea como el sustituto perfecto.

   Estos últimos días me he encontrado con un invento muy interesante en el que también se emplean bacterias para su funcionamiento. Se trata de una micropila bacteriana, y se considera la generadora de bioelectricidad más pequeña del mundo hasta el momento. Ha sido construida empleando la tecnología de microfluídos y una de las ventajas del uso de esta tecnología es que cualquier reacción química en un microfluido se desarrolla más rápidamente. Como pila que es,  su objetivo es generar corriente eléctrica, y por lo tanto, tendrá que tener un ánodo y un cátodo.

Pila bacteriana
Es aquí donde entra en juego la bacteria Shewanella Oneidensis (bacteria marina), la cual coloniza el ánodo creando una película (biofilm) sobre su superficie. Este ánodo está inmerso en un líquido que posee nutrientes para que la bacteria desarrolle su metabolismo. En el metabolismo bacteriano, se producen electrones mediante una reacción redox (obtención de ATP), que van a parar al cátodo, cerrando por lo tanto el circuito eléctrico. La electricidad que puede producir esta pila, es muy baja, (del orden de 7000 veces menos que una pila tipo AA) lo que imposibilita su comercialización para el funcionamiento de equipos electrónicos. Sin embargo el interés de esta pila reside más allá de la macroescala, y se centra en el futuro diseño de chips.


Shewanella Oneidensis.

   Las bacterias nos rodean día a día, y a veces, nos acabamos olvidando de sus utilidades y tan solo pensamos en ellas como propagadoras de enfermedades. Es cierto que cada año mueren miles de personas en todo el mundo por contagios bacterianos, y eso es difícil de remediar por el momento. Sin embargo, también es verdad que sin ellas la vida sería imposible.
En manos de los científicos queda la labor de buscar nuevas tareas que puedan ser asignadas a estos microorganismos, que, mejorados genéticamente, pueden llegar a ser una fuente productiva de energía a gran escala.




Fuentes:

[wiki]
[microbiologia]
[IyC]
[foto]