quantum solaris- parte cuatro: la segunda revolución

la nueva forma, la electricidad

No se había apagado el fuego en la caldera de la primera revolución industrial cuando inició la segunda que dejó electrizado a todo el mundo, donde como en la primera, la forma de producir energía fue fundamental pues reiterando lo dicho, estas dos primeras son incluso en principio revoluciones energéticas. No se puede decir que el contacto con la electricidad es nuevo pues es tan extenso como que la palabra electrón es precisamente ámbar en griego antiguo (elektron) pues veían que se producían misteriosas descargas asi como la atracción de cabellos y fibras cuando se frotaba una pieza de este valioso material con una piel de oveja o un tejido, lo que hoy conocemos como electricidad estática. Los griegos habían descrito los fenómenos eléctricos y magnéticos desde la época clásica porque adicionalmente la palabra magnetismo asi como magnesio tienen su origen precisamente en la región de magnesia donde ese metal era abundante y además, los griegos identificaron magnetos naturales y quedaron obviamente asombrados con sus efectos que intrigaron a la humanidad por siglos hasta que precisamente en los albores de esta segunda revolución se logró identificar su origen. 

Desde la caída de los relámpagos en medio de la cruda tormenta, la electricidad había intrigado al ser humano que sentía temor, la gran mano de los dioses, su designio haciéndose evidente; pero no fue hasta mucho después cuando volta, oersted, coulomb y otros comenzaron a poder identificar el origen de este fenómeno hasta entonces oculto. El problema es que esta nueva fuerza no era tan evidente como el fuego y la expansión de los gases pues provenía desde mucho más adentro, del origen mismo de la materia y escapaba de la evidencia de los sentidos, frontera que en ese momento ya el homo sapiens comenzaba a sobrepasar, aunque todavía no tenía todas las herramientas para hacerlo. 

descargas atmosfericas

Después aparecieron varias personas pero en principio, una clave y fundamental, Michael Faraday quien comenzó junto a ampere y ohm a describir acertadamente esta fuerza la cual se le achacó su origen a la carga negativa o positiva, las cuales se repelen o atraen según fuera su naturaleza; pero con sus iguales sino con sus opuestos y más revolucionario todavía, descubrieron la interrelación entre corriente y magnetismo descubriendo que con uno se podía conseguir el otro y viceversa en condiciones dinámicas, lo cual además integró la energía cinética y eso dio paso a un descubrimiento de verdad revolucionario y que no tenía ningún antecedente hasta ese momento, todo esto quedaría plasmado en las ecuaciones de maxwell quien lo sintetizó en tres elegantes ecuaciones creando además el concepto de campo, esa extraña forma matemática que atraviesa el espacio tiempo, el vacío y genera esa acción a distancia, algo similar a lo que newton había descrito mucho tiempo atrás también sobre la gravedad. Es así como a mediados del siglo XIX ya los principios del motor eléctrico y otras muchas cosas se venía vislumbrando, pero el vapor todavía estaba en su furor y hay que decirlo era muy difícil derrotarlo así que se necesitaba algo que fuera mucho mejor. El problema es que se ha demostrado que una nueva forma de pensar por más potencial que tenga le queda muy difícil establecerse solo hasta que la anterior entra en crisis, así como habíamos visto con la energía animal antes de la primera revolución. ¿qué punto quedaba sin cubrir? pues el primero y más antiguo y quizás el más importante: la iluminación. Resulta que en esa época lo máximo que se había conseguido era reemplazar el aceite y las hogueras por queroseno que venía a ser lo mismo, pero de animales muertos hace mucho tiempo y en algunos lugares se usaba gas. Hay que decir que para esa época ya existía algo como el alumbrado público, pero no tan versátil como ahora. Aunque ya se habían creado algunas soluciones, la única práctica y económica fue la de un señor Édison que para su bombilla utilizaba carbón quemado en vez de platino u otros materiales, así que esta nueva patente no demoró en implementarse y ahí es donde marañas quedó estupefacto en la Medellín de principios del s, XX donde el afán por generar y llevar esa nueva forma de energía a todos lados se regó como la pólvora; pues no ha existido maquina más elegante que el motor eléctrico que con una simpleza impresionante logra cosas asombrosas, que además es reversible para ser usado como generador(algunas veces requiere ciertas modificaciones) y la iluminación pues ni que hablar. 

bombillas electricas

Es el mismo Édison quien comienza esta industria, pero se equivoca en juzgar el tipo de corriente a elegir pues se decide por la corriente directa lo cual estaba por demostrarse no era el camino pues un joven croata habría de demostrar que la corriente alterna si lo era: era transformable, generable y transportable, pero fue el primer factor el que definió la pelea así este joven de por sí muy excéntrico llamado Nicola Tesla que trabajaba para Westinghouse, logró crear el sistema eléctrico que todavía disfrutamos. A este episodio se le llamó la guerra de las corrientes pues Edison se la jugó de frente como solía hacerlo, pero su afán no tiene ningún escrúpulo. electrocutaba a animales con corriente alterna para demostrar los supuestos peligros de ella, intentó demostrar su inconveniencia por cualquier medio, pero las evidentes ventajas de la corriente alterna y en especial su fácil transformación, el permitir utilizar corrientes polifásicas entre otras, al final ganó la guerra en un mundo donde nadie iba renunciar a la conveniencia técnica en desmedro de una visión mesiánica o económicamente inconveniente. 

Sobre Tesla hay que decir que era tan genial como excéntrico, bastante locuaz para contar historias y sobre todo para crear supuestas máquinas basado en algunos argumentos falaces con pocas bases científicas, aunque hábilmente supo crear un mito que duró y dura luego de su muerte, aunque carece mucho de realidad. pues todavía muchos creen en la energía gratuita, el rayo de la muerte y muchas teorías “Teslianas” descabelladas que luego no pueden ser demostradas, pero es fácil aseverar que fue un profeta pues como todos ellos podía hacer que la gente alineara sus emociones con falacias que terminaban en la construcción posterior de narrativas más rayanas en lo mitológico que en lo científico. En la pasado se solía inmortalizar a los dioses o a los protagonistas de los mitos en las estrellas y constelaciones, luego en la edad de los descubrimientos los nombres e historias se trasladaron a los conquistadores y exploradores que recrearon esta nueva configuración del mundo bautizada con sus nombres en los nuevos accidentes geográficos y ciudades, pero ya en la edad de la razón la nueva pléyade de seres míticos que fueron estos nuevos descubridores, era en las magnitudes, teoremas, leyes y métodos donde se inmortalizaban, el nuevo firmamento donde ya el norte no era la estrella polar pero si las leyes de la dinámica donde de todo lo que se hablaba era de newtons, julios, coulomb, teslas, faradios, Amperios, Voltios, Hertz entre muchas otras más. 

la enorme variedad de artefactos eléctricos

La nueva energía eléctrica no solo se utilizó en la industria pues permitió además la creación de múltiples artefactos de uso cotidiano lo que creó enormes mercados y necesidades nunca antes vistos. aparecieron refrigeradores y luego como consecuencia del mismo desarrollo de la teoría electromagnética que fueron sintetizadas por Maxwell en tres ecuaciones sencillamente elegantes como ya habíamos hablado, apareció la radio y el mundo todavía se acortó más, pero no solo la radio sino además el cine hizo su aparición y con ella una nueva forma de narración que cautivó como nunca la imaginación de las personas creando una nueva cultura. El vehículo Ford por otra parte, comenzó también a expandirse por el mundo permitiendo que las personas se movieran todavía más pues si antes el ferrocarril y el barco de vapor habían roto las distancias de una forma radical, ahora el vehículo con motor de explosión dio además un sentido de autonomía todavía mayor y fue la jubilación definitiva del caballo y de los demás animales de tiro y que como si fuera poco, fue el medio que permitió la integración de la mecanización al campo pues apareció el tractor que disminuyó en mucho el entonces arduo trabajo del agricultor. no es que el motor de explosión haya sido un descubrimiento de Ford igualmente como la de vapor no fue desarrollado primeramente por watt; pero lo que sí hizo fue popularizarlo. Desde un tiempo antes ya se buscaba una máquina móvil que no fuera dependiente de los rieles y sobre todo más compacta para permitir su utilización por todo el que así lo desease. Como la máquina de vapor ya se conocía desde hace rato pues el paso casi lógico fue que se intentó su implantación en el vehículo pero era terriblemente pesada y compleja además el combustible de la caldera era un problema constante y debía tener un operario pendiente de la tarea de alimentar constantemente el infiernillo así que pronto se vio que no era la solución, también se conocía el motor eléctrico que era sencillo y compacto pero los sistemas de acumulación eléctrica eran e incluso lo son hoy día, insuficientes para un funcionamiento competitivo del coche autónomo. En 1863 el alemán Nikolaus Otto y luego en 1893 Rudolf Diesel crean el motor de gasolina y Diesel respectivamente, también conocidos como motores de explosión interna que utilizan combustibles obtenidos a partir de la destilación del petróleo que llevaba unos pocos años en desarrollo. 

ford t, el auto que revolucionó la movilidad

 UN BREVE PARÉNTESIS PARA HACER UNA COMPARACIÓN

Como les había contado, el vapor permitió materializar un largo sueño del ser humano que era utilizar un tipo de energía que no fuera la propia o la de los animales para generar trabajo mecánico y permitir la independencia, hasta cierta parte, del trabajo físico. las máquinas de vapor permitieron utilizar la biomasa para generar trabajo, pero llegaron poco tiempo después (poco tiempo comparativamente hablando en términos de lo que hasta ese momento tomaba un cambio radical) fue reemplazado por los motores eléctricos en aplicaciones industriales y el de explosión interna en la industria y el transporte. ¿Cuáles fueron los factores para que estas tecnologías reemplazaran al vapor tan rápido? ¿quedó condenado el vapor? ya entraremos en ello pues es fundamental para entender lo que pasa hoy en el universo de la energía. cuando se habla de los pros y contras de cada forma de energía se deben evaluar y comparar factores como: complejidad, eficiencia, densidad energética y acumulación de combustible, fuente del combustible y bueno, efectos medioambientales del mismo; pero en esos tiempos este último no era tenido en cuenta por lo que es algo que retomaremos más adelante cuando el tema entró en consideración. Entre el vapor, el motor eléctrico y el de combustión interna se puede decir que el más simple de todos es el eléctrico que tiene realmente muy pocas piezas y como les conté hace un ratito solamente, descrito por una elegante simpleza por las ecuaciones de Maxwell.

El motor de explosión interna tiene un número considerable de piezas, pero muchas menos que el motor de vapor y no tiene el inconveniente de la carga de combustible pues este se inyecta directamente en el interior del motor donde se genera la expansión del gas. cuando hablamos de eficiencia nuevamente el motor eléctrico gana la partida pues los primeros motores eléctricos ya mostraban altas eficiencia llegando hoy a cifras superiores al noventa por ciento, mientras el motor de explosión interna y el vapor tienen cifras apenas entre el veinte por ciento y treinta y cinco por ciento pues casi toda la energía en los procesos térmicos se pierde en el calor que se produce y que se debe retirar, así como pérdidas en la expansión del gas, según se puede ver en un parámetro que se llamó ciclo de Carnot que muestra la eficiencia posible de un ciclo térmico aunque en términos reales es incluso más baja. toca aclarar que cuando hablamos de eficiencia se debe evaluar cuánta energía se debe suministrar en la fuente para obtener cierta cantidad de trabajo. sobre la densidad de combustible y la acumulación se deben aclarar primero a que nos referimos cuando hablamos de densidad de combustible. 

central hidroeléctrica

La densidad energética es la cantidad de energía contenida en un kilogramo del combustible en cuestión. Esto es fundamental pues entre menos denso energéticamente sea una fuente de energía menor será el porcentaje de energía disponible para realizar un trabajo lo cual afectará su desempeño y otros factores como por ejemplo la autonomía en el caso de las fuentes móviles. en este caso el motor eléctrico tiene graves dificultades pues la forma más habitual de acumular son las baterías y la mejor tecnología actual que es el litio tiene una densidad inferior a los doscientos kilojulios por kilogramo de peso lo cual es nada en comparación de los seis mil o más del carbón o los doce mil de los combustibles derivados del petróleo. Es por esto que a pesar de la ineficiencia de los procesos térmicos cuando se habla de máquinas móviles el combustible fósil gana la partida y entre ellas el motor a explosión interna por encima de todas. hablando del origen de estas fuentes de energía, la energía eléctrica se obtiene de un generador eléctrico que es muy similar a un motor, siendo en algunos casos perfectamente reversible y en los demás, con unas pequeñas adecuaciones pueden hacerlo, tal es la elegancia del concepto de generación eléctrica que con máquinas tan simples se pueden conseguir grandes cosas. cómo les venía diciendo los generadores son casi siempre motores que funcionan al revés lo que quiere decir que una fuente de energía cinética llámese agua, vapor o aire que transmite una parte de ella al rotor, la parte móvil de la máquina, obteniéndose un flujo de corriente eléctrica por un colector que a veces se ubica en el mismo rotor (la parte móvil del motor) u otras en el estator (parte estática unida a la carcasa), aunque lo usual en las máquinas más comunes esto ocurre como en el primer caso. 

Según sea la fuente de energía cinética, la generación puede ser hidroeléctrica si es por una corriente de agua, térmica si implica vapor obtenido de algún líquido calentado o algún gas expandido también por calentamiento. el viento también sigue siendo una opción, pero no le perdonan su intermitencia y más teniendo fuentes estables y relativamente baratas. Analizando con más detenimiento cada fuente vemos que la energía hidroeléctrica es bastante eficiente pues su eficiencia es cercana al noventa por ciento que sumada a la alta eficiencia del generador nos dan la idea de que la eficiencia global pasa del noventa por ciento. la desventaja es que se requiere de una fuente de agua confiable y es esa la razón por la cual se represan los ríos en las centrales hidroeléctricas pues así se contará con el agua necesaria por un tiempo determinado; sin embargo, esto representa costos altos e impactos altos en términos ecológicos y sociales pues altera de manera drástica la hidrología y claro está la vida de los ribereños. Se puede generar también sin hacer presas, simplemente captando parte del caudal, pero este siempre será reducido en comparación de las enormes centrales que se pueden hacer solo represando y además no tiene la valiosa capacidad de acumular energía. 

Las centrales térmicas como dijimos son de dos tipos las de vapor y las de gas, pero las más usuales son las de vapor pues se utiliza el cambio de estado (evaporación) para utilizar más de la energía cedida al fluido de trabajo. Generalmente cuando se habla de vapor generalmente se viene a la cabeza el agua y es el más usual, aunque pueden ser otros como el potasio en centrales nucleares como veremos luego. el funcionamiento de la central es muy similar al de las antiguas máquinas de vapor, aunque mucho más simplificado y teniendo en cuenta de que aquí el vapor solo mueve una máquina y esa es la turbina que es usualmente diferente a la usada en generación hidroeléctrica, pero creo que esas diferencias las podemos obviar para no desviarnos del punto álgido del relato. Básicamente el agua entra al hogar de la caldera por tubos donde recibe calor hasta llegar a la evaporación, pero como está a presión (en ciclo cerrado, lo que quiere decir que el fluido está confinado en una tubería donde da vueltas sin contacto con el exterior distinto de la transferencia de calor) se eleva algunos grados de temperatura más allá de la temperatura de ebullición a presión atmosférica como sucede por ejemplo, en una olla a presión. 

central termica

El vapor convertido en gas pasa por una turbina donde se descompresiona entregando parte de su energía a la turbina o sucesión de turbinas perdiendo en el camino presión y temperatura condensándose parcialmente y aquí el vapor debe ser enfriado hasta que se condensa de nuevo para volver a la caldera para reiniciar el ciclo. se preguntarán porque se debe extraer esta temperatura del fluido de trabajo y la razón es el ciclo de Carnot del que hablamos recientemente el que indica, Como dijimos, cual es la mayor eficiencia del ciclo y básicamente está limitada por la temperatura mayor que es la que podemos observar a la salida de la caldera y la más baja que se obtiene en la entrada de la misma. así que la eficiencia máxima del ciclo difícilmente pasará del cuarenta por ciento, aunque con las pérdidas de los procesos de generación la eficiencia real está alrededor del 30% como máximo. En los ciclos de gas es generalmente más baja la eficiencia pues una parte sustancial de la energía generada se va en la compresión del aire o del gas, pero este tiene gran valor cuando se ajusta a un ciclo de vapor en el cual se calienta el fluido de régimen con el gas descargado del ciclo de gas permitiendo su utilización. este tipo de centrales se denominan de ciclo combinado y en ellas la eficiencia puede llegar al cuarenta o incluso más, pues la eficiencia sería, como nos va indicando el nombre, la de los dos ciclos combinados proporcionalmente. sobre el combustible que va a las calderas puede ser cualquier cosa que se pueda quemar siendo los más usuales el carbón y el gas natural, aunque también pueden serlo crudos pesados de escaso valor, biomasa, basura, madera, en fin, todo aquello que sea combustible. 

En cuanto a los ciclos de Otto y Diesel son movidos usualmente por la explosión interna debida a la expansión gaseosa de los hidrocarburos en oxidación dentro del motor. al mismo tiempo que se iba desarrollando la tecnología del motor interno también lo iba haciendo la tecnología petroquímica, aunque el primer interés era el keroseno que era el combustible que iluminará las noches del mundo por un tiempo pues antes de la luz eléctrica, como ya vimos, se dependía del fuego y eso era algo que permanecía desde el principio. para ello se buscaba la cera de las abejas, el cebo o algunos aceites vegetales, pero a medida que la población humana crecía cada vez más aceleradamente, estos recursos se quedaban cortos y la necesidad de domesticación definitiva de la noche no daba espera. ya las ballenas y otros animales grandes fuentes de grasa animal estaban escaseando asi que se fue recurriendo a los pozos de aceite natural que se encontraban en algunos lados. al principio el petróleo solo se usaba como impermeabilizante de techos y embarcaciones pues generalmente era espeso como el betún o el asfalto que es como se le llamó en un inicio, pero en 1846 se logra destilar de él la parafina y en 1853 el keroseno que permanece en forma líquida asi que permite transportarse, encenderse fácilmente y se puede obtener de las entonces inconmensurables reservas de oro negro. esto generó casi de inmediato un auge de la exploración y explotación petrolera pues no solo se podía utilizar como fuente de luz, sino que además era excelente como combustible para los hornos de las calderas, así que fueron apareciendo refinerías, pozos y todo un andamiaje de transporte que enriqueció enormemente a gente como Rockefeller y claro está ese auge permitió que se siguieran destilando e identificando diferentes hidrocarburos extraídos de este hasta entonces subutilizada materia prima pero algunos eran problemáticos pues al ser los menos densos se volatilizan fácilmente y claro está, esto los hacía supremamente explosivos y uno de estos era la gasolina, una mezcla de hidrocarburos cercanos al octano. Por el momento no se sabía qué hacer con este compuesto así que muchas veces simplemente se desechaba hasta que se comenzó a desarrollar el motor de explosión un poco después y para ello el temperamental compuesto estaba que ni pintado. 

El Diesel es un poco más grueso y estable y tiene algunas diferencias en su funcionamiento, pero se fue pegando del éxito que sus primos iban abriendo. Ford identifica claramente que esta es la tecnología que por el momento es la que tiene mejores posibilidades tienen además identifica que el vehículo no puede ser un artículo de lujo solo para el disfrute de algunos aristócratas que se enloquecen en las ya populares carreras de autos. comienza a hacer las mejoras y simplificaciones que permiten que llegue a estar al alcance del nuevo ejército de obreros que pueblan las ciudades. en el camino implementa los procesos de producción en cadena que moldean la industria moderna desde ese momento. Recopilando hasta aquí vemos que el vapor queda relegado a solo mover las máquinas de generación eléctrica y que es reemplazado para casi cualquier aplicación estática por la electricidad, aunque aparecieron aplicaciones móviles como los ferrocarriles eléctricos de todo tipo o los tranvías que podían ser alimentados por líneas contiguas a las vías y para las móviles por los motores de explosión. y así antes de que transcurra un siglo ocurren dos revoluciones energéticas que una tras otra cambia el mundo. En la actualidad todavía estamos supeditados a estas dos formas de mover el mundo, pero todo ¿se quedó quieto en el movido mundo de la energía? no lo creo y ya veremos por qué.