Energía (I)

Ya hemos hablado en el blog de conceptos tan básicos e importantes como el Tiempo y el Espacio (este último desde el punto de vista de la escala y la complejidad), así que he pensado que podíamos dedicar una entrada exclusivamente a la energía. No es la primera vez que hablamos de ella aquí, pero en concreto me apetecía hacer un resumen de las distintas fuentes de energía que la Humanidad ha ido descubriendo a lo largo de su Historia. La palabra energía viene del griego “enérgeia”, que significa actividad: en su acepción científica es la capacidad de la materia de producir trabajo o, más coloquialmente, de hacer cosas, ya se trate de arrastrar, elevar, romper, calentar… No me molestaré en hablar de cómo algunos se han apropiado de esta palabra para tratar de justificar sus dudosas pseudociencias; eso lo dejamos para otra ocasión. Aquí nos centraremos en la energía cuyos efectos se pueden explicar, cuantificar y predecir con exactitud.

La unidad de energía es el julio, que es lo que cuesta levantar una masa de cien gramos a una altura de un metro (no es mucho, como veis). La energía total estimada del Universo observable, incluyendo la debida a la masa de las partículas, es de unos 10⁷⁰ julios (es decir, un uno seguido de setenta ceros), y se ha mantenido constante desde el Big Bang, cambiando solo de tipo y de distribución en una hermosa danza que dura ya 13.800 millones de años… Aunque el resto de la historia es apasionante, aquí nos centraremos sobre todo en la parte en la que nuestra especie, el Homo Sapiens, ha hecho uso de una parte ínfima de toda esa energía: el último millón de años.

En los albores de la especie el abanico de fuentes de energía disponibles era bastante reducido; básicamente teníamos la radiación infrarroja procedente del Sol, que nos daba calor desde el exterior durante el día, y podíamos hacer uso de la energía química contenida en aquello que comíamos, ya fuesen plantas o animales. Solo las plantas pueden transformar la luz del Sol (o cualquier otra luz) en energía asimilable por los animales, gracias a la fotosíntesis. La Evolución nos ha hecho omnívoros, con lo que podemos comer carne, una fuente de energía más concentrada y fácil de digerir que las plantas, de manera que con el paso de las generaciones nuestro tubo digestivo se hizo más corto, permitiendo al cerebro crecer poco a poco en tamaño.

Son principalmente los hidratos de carbono los que, tras llegar a nuestras células, se mezclan con el oxígeno del aire que inhalamos dando lugar a la respiración celular, en la que se libera, aparte del vapor de agua y dióxido de carbono que exhalamos, la energía contenida en los enlaces, que es la que hace que nuestros músculos se contraigan y se relajen (permitiéndonos correr, saltar, golpear o levantar peso) o que nuestro cuerpo genere calor interno, manteniendo constante su temperatura. Las grasas ingeridas también pueden almacenarse para ser usadas como fuente de energía a más largo plazo. Hace menos de un millón de años se produce el uso de las primeras herramientas rudimentarias de piedra y madera, que nos permiten usar la energía de nuestros músculos de forma más eficiente y por tanto cortar o machacar mejor.

Otro de los primeros avances casi exclusivos de nuestra especie es el dominio del fuego, pudiendo así utilizar la energía almacenada por un árbol o arbusto en la madera de su tronco y ramas mediante la fotosíntesis. Tanto los reactivos como los productos de la combustión son muy similares a los de la respiración celular: se trata de un proceso de oxidación en el que las moléculas orgánicas de la madera, al mezclarse con el oxígeno circundante, se transforman en dióxido de carbono y vapor de agua liberando energía calorífica. La progresión fue seguramente muy lenta hasta tener el proceso perfectamente controlado, hace unos 200.000 años. Primero se empezó a aprovechar los fuegos fortuitos, creados al caer un relámpago, hasta que se extinguían. Otro día os contaré con más detalle la historia de los que tal vez fueron los primeros científicos de la especie, individuos curiosos que intentaron comprender el comportamiento de este extraño “animal amarillo”, domarlo y utilizarlo en beneficio propio. Con el tiempo el Hombre aprendió a preservar estos fuegos fortuitos, cuidándolos por turnos para que no se apagaran, y más adelante consiguió generarlo desde cero incrementando la temperatura mediante rozamiento.

Gracias al fuego podemos tener luz y calor en las noches frías y cocinar nuestra comida (lo que evolutivamente aumenta aún más el tamaño del cerebro). Cocinar la carne, además de matar las bacterias nocivas, hace que podamos asimilar una mayor cantidad de hidratos de carbono. El fuego nos permite también, más adelante, cocer recipientes de cerámica o fundir herramientas de metal. Toda fuente de energía tiene beneficios y desventajas, pudiendo estas últimas estar relacionadas con las dificultades de generación, almacenamiento o transporte y con los materiales de desecho a que da lugar. En el caso del fuego, la cantidad de energía liberada es mayor que la necesaria para empezar la combustión (es decir, la requerida para frotar los trozos de madera o para producir la chispa golpeando dos piedras, y los desechos (un poco de dióxido de carbono, vapor de agua y cenizas) no suponen un gran peligro; el problema está en el almacenamiento y transporte, sobre todo antes de haberse dominado la técnica para encenderlo.

Hace unos 10.000 años se produce la domesticación de distintas especies de animales, con lo que a partir de entonces podemos aprovechar también la energía de lo que esos animales han comido, bien para comérnoslos nosotros sin gastar energía en la caza, para que arrastren o levanten ellos el peso, para que aren la tierra o para que nos transporten en las distancias largas. Sus pieles también nos son útiles para conservar mejor nuestra propia energía corporal si hace frío. El descubrimiento de la agricultura en la misma época nos permite obtener más alimentos (y por tanto más energía) de una manera más fácil. Cada vez podemos hacer más cosas, construir monumentos y edificios más altos y tener ciudades más grandes; es el inicio de la Civilización y la población mundial aumenta de forma imparable. Otros avances tecnológicos importantes son el de usar la energía del viento para llevarnos lejos en barcos y el de aprovechar la fuerza del viento o del agua de río para moler el grano y hacer harina, por ejemplo… En torno al 1100 de nuestra era el uso de molinos de viento estaba ya generalizado en Europa.

Hace 300 años el crecimiento de la población y la construcción de casas y barcos, combinadas con una época de temperaturas especialmente bajas, habían agotado prácticamente las reservas de madera en Inglaterra y el norte de Europa, lo que hizo necesario buscar una fuente de calor alternativa. Esto llevó al descubrimiento del carbón, que ya se había usado en China hace dos mil años, aunque no de forma tan generalizada. El carbón es madera fósil con una gran cantidad de energía concentrada, procedente de árboles de hace 300 millones de años, del periodo carbonífero, árboles cuya lignina no podían descomponer los microorganismos, que se acumularon durante varios millones de años y quedaron sometidos a altas presiones por los sedimentos de encima.

Es la Ciencia la que, junto al uso del carbón, permite el inicio de la Revolución Industrial. Hasta entonces el calor liberado al quemar madera se dispersaba en todas direcciones y no se podía utilizar para mover objetos. En las máquinas de vapor perfeccionadas por Thomas Newcomen o James Watt a mediados del S.XVIII, la combustión del carbón calienta agua y la pone a hervir, generando vapor que queda encerrado en un cilindro con un pistón móvil para que, mediante una serie de engranajes, la energía se transmita en forma de fuerza en una determinada dirección; de esta manera se consigue convertir el calor en trabajo, la energía térmica en mecánica, y los animales de tiro son sustituidos por locomotoras y otras máquinas de funcionamiento similar. No todo son ventajas, sin embargo: el carbón es una fuente muy concentrada de energía y fácil de almacenar, pero es costoso de extraer y transportar, y quemarlo genera bastante contaminación (tenemos como ejemplo la ciudad de Londres, que durante muchas décadas fue prácticamente inhabitable por el gran número de fábricas que emitían su humo a la atmósfera).

El carbón es solo uno de los tipos de combustible fósil: el petróleo se descubre hace unos 150 años en Estados Unidos, pero se empezará a usar masivamente a finales del S.XIX, sustituyendo a otros tipos de grasas y aceites animales. Procede de grandes acumulaciones de restos de gambas microscópicas en el fondo del mar hace unos 75 millones de años, que dieron también origen al gas natural, compuesto principalmente por metano. El uso del petróleo coincide en el tiempo con la aparición del coche automático (auto-móvil, es decir, sin caballos) y el motor de combustión interna. El petróleo y el gas, al ser fluidos, son más fáciles de transportar que el carbón, usando tuberías desde el lugar donde se extraen y refinan hasta el punto donde se necesita la energía. El petróleo tiene también sus desventajas: aparte de la contaminación que produce quemarlo, es costoso de extraer, puede filtrarse a los ecosistemas afectándolos negativamente y la mayoría está localizado en zonas concretas del planeta, lo que aumenta la tensión entre países, en competencia por los recursos.

De 1880 data la primera central eléctrica alimentada por carbón, diseñada por Thomas Edison. En ella, el vapor de agua generado por el calor mueve una turbina conectada a un generador de corriente continua, y la transmisión de la energía eléctrica se realiza a través de cables metálicos (en este caso los cables alimentaban el alumbrado de la zona de Wall Street, en Manhattan). En la misma época surgen las centrales hidroeléctricas, menos contaminantes, en las que se aprovecha la energía potencial gravitatoria del agua de los embalses, con turbinas movidas por el agua que cae al abrir las compuertas de la presa. La energía eléctrica es difícil de almacenar pero muy fácil de transmitir a largas distancias; el problema está en las pérdidas por el calentamiento de los cables. El uso de corriente alterna propuesto por Nikola Tesla (en oposición a Edison, en lo que se conoció como la Guerra de las Corrientes) hizo posible un transporte más eficiente de la energía, reduciendo el calentamiento de los cables al realizarse a altos voltajes. Tanto los generadores que transforman el movimiento rotatorio de las turbinas en electricidad como los transformadores que suben y bajan el voltaje de la corriente hacen uso del magnetismo, fenómeno íntimamente ligado a la electricidad del que la Ciencia aprendió mucho a lo largo del S.XIX.

Todos estos avances en el Conocimiento se utilizan no solo en la transmisión de energía sino también en la de información, en la que no importa tanto la cantidad de energía que se transporta como la variación temporal de una señal de magnitud más pequeña, que puede comunicar datos de acuerdo con un código común acordado entre emisor y receptor. Así van surgiendo el telégrafo, el teléfono, y más adelante las ondas electromagnéticas como la radio, que ni siquiera precisan de cables. Las comunicaciones son, por tanto, cada vez más fáciles y rápidas. Con las mejoras tecnológicas realizadas, la cantidad de recursos energéticos disponibles aumenta exponencialmente, dando lugar a un desarrollo brutal, a veces fuera de control. En las primeras décadas del S.XX se duplica cada diez años la cantidad total de energía utilizada, sin pensar en la eficiencia, el agotamiento de los recursos, la contaminación o el cambio climático, y durante el resto del siglo el nivel de derroche y consumismo en los países desarrollados no hará sino aumentar.

Hagamos un alto aquí. En las fuentes de energía de las que hemos hablado hasta ahora, ya fuesen vegetales o animales, coetáneas o fósiles, la energía estaba encerrada en enlaces de tipo eléctrico covalente propios de la química orgánica, basada en compuestos de Carbono, Hidrógeno y Oxígeno principalmente (No hemos hablado de las pilas, en las que dos electrodos metálicos inmersos en un ácido nos permiten almacenar energía química inorgánica). La próxima semana, en la conclusión de esta entrada, hablaremos de un tipo completamente distinto de enlace que ya hemos mencionado antes en el blog y que contiene una cantidad infinitamente mayor de energía, y veremos que a pesar de haberlo descubierto la Ciencia a principios del S.XX, paradójicamente había sido la fuente de casi toda nuestra energía desde el nacimiento no solo de la especie, sino del planeta.