EL ORO SOLAR Y OTRAS FUENTES DE ENERGAAutor: JUAN TONDA COMIT DE SELECCIN EDICIONES DEDICATORIA INTRODUCCIN PRIMERA PARTE I. EL HILO DORADO: LA ENERGA SOLAR II. LO QUE EL VIENTO NO SE LLEV III. MATERIA VIVA Y DESECHOS: ENERGA DE LA BIOMASA SEGUNDA PARTE IV. EL ORO NEGRO Y EL GAS V. LA ENERGA DEL CARBN: 300 MILLONES DE AOS VI. CATARATAS DE ENERGA VII. LA GEOTERMIA: TETERA NATURAL VIII. LA ENERGA DE LOS NCLEOS DE LOS TOMOS IX. LA CUERDA DEL MOVIMIENTO: ALMACENAMIENTO .... DE ENERGA BIBLIOGRAFA GLOSARIO COLOFN CONTRAPORTADA

COMIT DE SELECCINDr. Antonio Alonso Dr. Juan Ramn de la Fuente Dr. Jorge Flores Dr. Leopoldo Garca-Coln Dr. Toms Garza Dr. Gonzalo Halffter Dr. Guillermo Haro Dr. Jaime Martuscelli Dr. Hctor Nava Jaimes Dr. Manuel Peimbert Dr. Juan Jos Rivaud Dr. Emilio Rosenblueth Dr. Jos Sarukhn Dr. Guillermo Sobern

Coordinadora Fundadora: Fsica Alejandra Jaidar

Coordinadora: Mara del Carmen Faras

EDICIONESPrimera edicin, 1993 Dibujos: Alberto R. Garca, sobre diseos del autor La Ciencia desde Mxico es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Econmica, al que pertenecen tambin sus derechos. Se publica con los auspicios de la Subsecretara de Educacin Superior e Investigacin Cientfica de la SEP y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologa. D.R. 1993, FONDO DE CULTURA ECONMICA, S.A. DE C.V. Carretera Picacho-Ajusco, 227; 14200 Mxico, D.F: ISBN 968-16-4286-4 Impreso en Mxico

DEDICATORIAA Claudia, Pablo y Adriana

INTRODUCCIN

1. LA ENERGA ES DELEITE ETERNO1 EN 1881, en la calle Pearl de la ciudad de Nueva York, Thomas Alva Edison, mejor conocido como "el mago de Menlo Park" construy la que fue, junto con la estacin Holborn Viaduct de Londres, la primera planta de potencia para generar energa elctrica. La de Edison iluminaba parte de Nueva York mediante una instalacin de alumbrado en paralelo. Antes de esa fecha, si fallaba alguna lmpara, toda la ciudad se quedaba sin luz!, como sucede con las series de luces de los arbolitos de Navidad. Actualmente, qu ocurrira si cuando fallara un foco toda la ciudad se quedara sin luz? Ni siquiera lo consideramos como una posibilidad. Conectar la clavija de cualquier aparato elctrico nos parece lo ms natural. Sin embargo, tener la posibilidad de hacerlo requiri de muchos aos, desde que se descubrieron las leyes de la electricidad y el magnetismo hasta que se construy la primera planta elctrica de potencia. Pero, a su vez, la construccin de la primera planta elctrica necesit la invencin del foco, logro que disputaron Thomas A. Edison y Joseph Wilson Swan. En el debate entre Edison y Swan, deca el primero, refirindose a Swan: "Ah lo tienen. Tan pronto como alguien consigue hacer algo bueno, no faltan otros tipos que salen con la novedad de que hace aos lograron lo mismo." Swan, quien permaneci callado durante mucho tiempo, escribi en la revista Nature, en enero de 1880: Hace quince aos utilic cartn y papel carbonizado en la fabricacin de una lmpara elctrica basada en el principio de la incandescencia. La hice en forma de herradura, tal como dicen ustedes que la est usando ahora el seor Edison. Entonces no logr obtener la duracin que buscaba, pero desde entonces he hecho muchos experimentos y creo que durante los ltimos seis meses conquist completamente la dificultad que haba causado mi anterior fracaso; ahora puedo producir una lmpara elctrica duradera por medio de carbones incandescentes. Aos despus, antes de que se realizara el juicio por la primaca del invento, Swan y Edison se unieron y formaron la compaa Edison and Swan United Electric Company, Ltd. que ms tarde se convertira en la General Electric. En la poca de Edison se produca energa elctrica para iluminar las ciudades con los primeros focos elctricos; el problema fundamental que stos presentaban era no disponer de un filamento duradero (vase la figura 1).

Figura 1. Diagrama de un foco en el que pueden apreciarse las partes que lo componen.

Los avances tecnolgicos se asimilan rpidamente. Sin embargo, olvidamos con facilidad la historia de su desarrollo y cules son sus principios de operacin. La primera locomotora, por ejemplo, provoc serias protestas de los ingleses por las elevadas velocidades que alcanzaba. En Mxico, la ciudadana tambin protest cuando aparecieron las primeras bicicletas que circulaban por la Alameda central; hoy, cuntos ciclistas se atreven a circular por las calles de la capital? Cuando prendemos un foco, sabemos que tiene un filamento de tungsteno y torio que permite que dure 750 horas encendido? A travs de los aos el hombre ha perfeccionado la capacidad de hacer trabajos que requieran grandes esfuerzos fsicos, para dejar a las mquinas las tareas pesadas y dedicarse a labores ms creativas; sin embargo, como consecuencia ha aumentado el consumo de energa por habitante, el cual es ms alto en los pases desarrollados. Por otro lado, las mquinas han acortado el tiempo que se requera para desempear muchas actividades, por lo cual es fundamental producir energa utilizable a travs de las diferentes fuentes. Cuando se habla de energticos nos referimos al aprovechamiento de dichas fuentes, as como a su ptima utilizacin. Los energticos han evolucionado a lo largo de la historia. Primero se utiliz la energa mecnica de los msculos para efectuar las labores pesadas. Posteriormente, las "bestias" de carga y la traccin animal facilitaron an ms el transporte de cargas pesadas. Aqu vale la pena aclarar que los animales, incluido el hombre, necesitan de una fuente de energa fundamental para efectuar trabajo: los alimentos. De esta forma, los alimentos eran y son la fuente energtica fundamental para desempear cualquier actividad. La madera ocup durante muchos siglos el primer lugar como fuente energtica y hoy se sigue utilizando ampliamente, sobre todo en el campo. Desde que el hombre hizo la primera fogata, hasta ahora que se calienta en una chimenea casera, han pasado miles y miles de aos. Posteriormente, el empleo del carbn ocasion que se abandonara la lea como combustible fundamental. Adems, su transformacin en coque y el invento de la mquina de vapor marcaron un cambio tecnolgico, econmico y social de gran importancia: la Revolucin Industrial. Pocos aos antes del inicio de la primera Guerra Mundial se empez a emplear el petrleo y el gas. Antes de que terminara la segunda Guerra Mundial, Fermi realiz la primera reaccin nuclear controlada y en la dcada de los aos cincuenta aparecieron los primeros reactores nucleares comerciales, que aprovechan la energa calorfica producida por la fisin o rompimiento de los ncleos atmicos. En la dcada de los cincuenta y sesenta el petrleo y el gas desplazaron al carbn, situacin que prevalece hasta nuestros das. Entre 1960 y 1985 prolifer la construccin de reactores nucleares, sobre todo en los llamados pases desarrollados como EUA, Francia, la ex Unin Sovitica (hoy Comunidad de Estados Independientes), Japn, la ex Alemania Federal, Inglaterra, etctera. Posteriormente, los pases en vas de desarrollo como India, Argentina, Brasil y Mxico construyeron sus primeras centrales nucleoelctricas. Hasta 1990 haba 424 reactores nucleares en todo el mundo. Actualmente se siguen construyendo centrales nucleoelctricas, pero en un porcentaje decreciente, entre otras razones debido a los accidentes nucleares, los desechos radiactivos y los movimientos ecologistas internacionales. Algunos pases, como Mxico, que en la dcada pasada tenan un ambicioso programa nucleoelctrico, han preferido continuar con el petrleo como principal fuente de energa y diversificar el aprovechamiento de sta con distintas fuentes energticas (geotermia, carbn, energa hidrulica, petrleo, energa nuclear, energa solar y elica). Pese a lo anterior, los recursos energticos que posee cada pas constituyen un factor importante para adoptar una poltica energtica. Un pas sin petrleo, carbn, geotermia y con baja insolacin o soleamiento, difcilmente puede aprovechar distintas fuentes de energa. La transformacin de las fuentes de energa en diversas formas de energa utilizables nos proporciona gran cantidad de beneficios: tener electricidad, agua caliente, gas para cocinar, calefaccin, refrigeracin, ventilacin, transporte, etctera. La energa hidrulica, la que se obtiene del petrleo, el gas, la energa elica o de los vientos y la que se obtiene de la biomasa tienen un origen comn: la energa del Sol. Por otro lado, las fuentes de energa que no tienen un origen solar son: la energa de la fisin nuclear, la geotermia y la que se obtiene de las mareas. La fusin nuclear es un caso aparte, dado que se reproducen en condiciones artificiales las reacciones termonucleares de fusin que tienen lugar en el ncleo de nuestra estrella: el Sol. La energa solar es producto de las reacciones de fusin nuclear que ocurren en el Sol; as, la energa que recibimos del Sol tiene como origen la energa nuclear.

Segn una de las teoras ms aceptadas, el petrleo, el gas y el carbn provienen de la descomposicin de organismos vegetales y animales que vivieron hace 300 millones de aos y que fueron sepultados bajo el suelo marino y continental. Por otro lado, en las plantas se lleva a cabo la fotosntesis debido a la accin de los rayos solares y stas almacenan aproximadamente el 1% de la energa solar recibida. As, los combustibles fsiles como el petrleo, el gas y el carbn, la energa que se obtiene de las plantas, rboles, desechos orgnicos y los alimentos que consume el hombre son de origen solar. La energa que las centrales hidroelctricas aprovechan de los ros se debe a la evaporacin del agua de los ocanos, provocada por el calentamiento de los rayos solares. Posteriormente, al caer el agua desde diferentes alturas, se transforma la energa potencial de los ros en energa elctrica. El viento se origina por la diferencia de temperaturas en la atmsfera terrestre, provocada por la forma en que inciden los rayos solares, en combinacin con la rotacin de la Tierra. Sin embargo, la energa solar se origina por la fusin de los ncleos atmicos, donde se funden elementos ligeros como el hidrgeno y en el proceso se liberan grandes cantidades de energa en forma de calor, que se calculan usando la famosa frmula de Einstein que proporciona la equivalencia entre masa y energa: E=mc (donde E es la energa, m la masa y c la velocidad de la luz); parte de la masa de los ncleos atmicos se transforma en energa calorfica, que es precisamente la que el Sol nos proporciona en forma de radiacin. Por ejemplo, si se unen cuatro ncleos de hidrgeno se forma helio, electrones positivos (positrones), rayos gamma y calor. Si se calcula la masa de los productos antes y despus de la reaccin de fusin nuclear se observar una diferencia o defecto de masa faltante despus de la reaccin. Debido a que la energa debe conservarse antes y despus de la reaccin, la masa faltante se transforma en energa calorfica. En el caso de la reaccin mencionada, cuando se fusionan cuatro ncleos de hidrgeno se produce un ncleo de helio, neutrinos, positrones, rayos gamma y se liberan 25.7 MeV 2 (megaelectrn-volts) de energa calorfica. Para darse una idea de lo que representa esta cantidad, la fusin nuclear que tuviera lugar en un pequeo cuarto de dos metros por lado bastara para producir ms energa que el reactor de Laguna Verde.

2. UN ESTUDIANTE CON MUCHA ENERGA Y POCA POTENCIA Cuando inclinamos la cabeza y fijamos la vista para leer estas lneas nuestro cuerpo est empleando 84 kilocaloras por cada hora de lectura. Pero esas 84 kilocaloras que empleamos para leer, el cuerpo las debe recuperar mediante nuestra fuente de energa: los alimentos. Un ser humano promedio debe consumir alimentos que le proporcionen 3 000 kilocaloras diarias.3 Pero ahora surge una pregunta: por qu tenemos que recuperar la energa que invertimos en la lectura? La respuesta no es sencilla; para responderla tuvieron que pasar varios siglos hasta que se descubriera entre 1830 y 1850 el principio de la conservacin de la energa, que afirma que sta no se crea ni se destruye, nicamente se transforma, o expresada esta idea en forma general: la energa del Universo se mantiene constante. Volviendo a nuestro caso, la energa que nos proporcionan los alimentos se transforma en energa utilizable para desempear todas nuestras actividades. Para aquellos que se estn quedando dormidos, slo mencionaremos que se consumen 500 kilocaloras durante 8 horas de sueo (alrededor de 1/6 de la energa que necesitamos diariamente), pues el organismo humano requiere cierta cantidad de energa para que todos los rganos trabajen adecuadamente y se lleven a cabo los procesos fisiolgicos del organismo (esta cantidad se denomina metabolismo basal y corresponde a ms de la mitad de la energa que consumimos a travs de los alimentos). Antiguamente se crea que poda existir una mquina capaz de moverse indefinidamente y se le denomin mvil o mquina de movimiento perpetuo (vase el recuadro 1). Una mquina cuyo nico resultado fuera extraer calor y convertirlo ntegramente en trabajo sera un mvil perpetuo de segunda clase; es decir, una mquina que efectuara trabajo sin una fuente externa de energa. Los beneficios que nos reportaran estas mquinas seran invaluables; sin embargo, las leyes de la termodinmica se han encargado de demostrar que su construccin es imposible.

Recuadro 1

Lzaro Carnot y La Real Academia de Ciencias de Pars. En el ao de 1775, la Academia de Ciencias de Pars haba tomado una decisin: no examinara ninguna solucin a los problemas de la duplicacin del cubo, la cuadratura del crculo, ni analizara ninguna mquina de movimiento perpetuo. Lzaro Carnot, padre de Sadi Carnot, tambin haba declarado: "es intil que se les explique que toda mquina se reduce a una palanca; al parecer el smil se les hace demasiado vago y confuso. Yo puedo demostrarles no solamente que toda mquina abandonada a s misma tiene que detenerse, sino que adems, puedo sealar el instante preciso en que debe hacerlo."

Por ejemplo, si tomamos una rueda y le damos un impulso inicial para que gire, al cabo de un tiempo la friccin provocar que parte de la energa que se utiliz para moverla por un lado se transforme en energa calorfica del aire que la rodea y por el otro ocasione el calentamiento de la rueda. As, la friccin provocar que la rueda se detenga. La ley de la conservacin de la energa se formul entre 1830 y 1850, gracias al trabajo de muchos cientficos, entre los que podemos mencionar a Herman von Helmholtz, James Prescott Joule, Julius Robert Mayer y Ludvig Colding. Esta ley afirma que la energa no puede crearse ni destruirse, de manera que la energa total de un sistema permanecer constante. La primera ley de la termodinmica no es otra cosa que la ley de conservacin de la energa para los sistemas termodinmicos, es decir, aquellos en los que interviene el calor. Expresada matemticamente, sta seala que el cambio de energa interna de un sistema es igual a la energa recibida en forma de trabajo externo hecho sobre el sistema ms la energa en forma de calor que absorbe dicho sistema (U +W=Q, donde U es el cambio de energa interna, W es el trabajo y Q la energa calorfica). A partir de la formulacin de la ley de la conservacin de la energa qued establecido que es imposible construir una mquina capaz de crear energa, a la cual se le denomin mquina de movimiento perpetuo de primera clase. La ley de conservacin de la energa para los sistemas termodinmicos permite transformar energa calorfica en trabajo y trabajo en energa calorfica. Pero en los procesos naturales se observ que el trabajo que realiza una mquina s se puede transformar totalmente en calor, aunque la energa calorfica no se puede transformar totalmente en trabajo. Fue as como surgi la segunda ley de la termodinmica, la cual seala que es imposible que exista una mquina o proceso cuyo nico resultado final sea transformar calor en trabajo de una fuente calorfica que est a la misma temperatura. Dicha forma de la segunda ley se conoce como postulado de Lord Kelvin. A su vez, Rudolph Clausius formul un postulado equivalente en el que afirma que es imposible la transferencia de calor de un cuerpo fro a uno caliente. En otras palabras, en todos los procesos que ocurren en la naturaleza el calor fluye de los cuerpos calientes a los fros y no al revs. Decir "voy a enfriar mi caf" no es lo mismo que "voy a calentar el aire con mi caf". Afortunadamente, no somos puristas en el uso del lenguaje, aunque en fsica la situacin es distinta. El postulado de Kelvin dice que es imposible que exista una mquina cuyo nico resultado final sea transformar energa calorfica en trabajo con una fuente de calor a la misma temperatura, como lo habamos sealado anteriormente. En otras palabras, afirma que es imposible que exista una mquina de movimiento perpetuo de segunda clase. Con una mquina de este tipo aprovecharamos la energa calorfica del aire que nos rodea para transformarla en energa mecnica de un motor de coche, con lo cual tendramos una fuente de energa prcticamente ilimitada, o moveramos la turbina de un turbogenerador con el calor del agua de los ros. Una de las consecuencias ms importantes de la segunda ley de la termodinmica es que en los procesos en donde se transforma calor en trabajo til para, por ejemplo, mover un motor, siempre existirn prdidas de calor que no se pueden transformar en trabajo til, o puesto en trminos de eficiencia, que cuando se trate de obtener trabajo de una mquina trmica la eficiencia terica nunca podr ser del 100 por ciento. La eficiencia real de cualquier motor es todava inferior al valor terico.

Sin embargo, si tenemos cuando menos dos fuentes de calor a diferentes temperaturas s es posible transformar calor en trabajo a travs de un proceso cclico que se denomina ciclo de Carnot. Es a travs de este proceso cclico como funcionan todos los motores de combustin interna, en particular los de los automviles. Hoy se sabe, gracias a la primera ley de la termodinmica, que es imposible que exista una mquina de movimiento perpetuo (vase la figura 2). En el caso del cuerpo humano, el equivalente de la mquina perpetua del primer tipo sera creer que nuestro organismo es capaz de realizar cualquier actividad sin ingerir nunca un solo alimento.

Figura 2. Cadena de Stevinus de Brujas. En esta figura se observa un plano inclinado que tiene una cadena con balines. Como de A a B hay cuatro balines y de B a C hay dos, se podran pensar que los cuatro balines del lado izquierdo jalaran a los dos que hay en el lado derecho, por simple diferencia de pesos. Si a esto aadimos que la cadena es continua, entonces se mover indefinidamente; con ello se tendra una mquina de movimiento perpetuo. Afortunadamente, Simon Stevinus descart dicha posibilidad y seal que la cadena quedara en equilibrio. Sin embargo, existe otro problema: los alimentos que consumimos proporcionan ms energa de la que empleamos para desempear nuestras actividades. Dnde queda la energa sobrante que nos proporcionan los alimentos? No habamos sealado que la energa se conserva? Efectivamente, pero cuando efectuamos un trabajo muscular, parte de la energa se pierde en forma de calor y si los alimentos tienen grasa, una parte se acumula en las llantitas de nuestro cuerpo (vase el cuadro I que muestra la energa de algunos alimentos). CUADRO I. Energa de los alimentos (en kilojoules). kJ(por cada 100 g del alimento) Arroz blanco Espaguetis crudos Harina de maz (sin germen) Harina de trigo suave Maz de grano Palomitas Pan blanco de trigo Pan de centeno Pan integral de trigo Papas Pltano Garbanzo Chcharo 1,522.9 1,543.8 1,518.7 1,522.9 1,510.4 1,615.0 1,284.4 1,092.0 1,196.6 313.8 510.4 1,522.9 1,410.0

Lentejas Cacahuates tostados Coco Nuez de acaj Pistaches Ajo Apio Calabaza Cebolla Col Coliflor Esprrago Espinaca Haba Frijol Lechuga Pepino Perejil Pimiento Rbano Betabel Tomate Zanahoria Aceituna Aguacate Ciruela Fresa Limn Mango Manzana Meln Naranja Papaya Pera Sanda Toronja Uva Azcar Chocolate Miel de abeja Huevo Jamn Embutidos Pollo Cerdo Ternera

1,422.5 2,368.1 1,238.4 2,330.0 2,502.0 560.6 79.4 125.5 188.2 117.1 138.0 96.0 125.5 493.7 150.6 62.7 62.7 179.9 129.7 96.2 184.0 87.8 171.5 485.3 384.9 196.6 150.6 121.3 246.8 242.6 184.0 175.7 133.8 234.3 92.0 158.9 284.5 1,606.6 2,209.1 1,280.3 619.2 1,267.7 1,707.0 711.2 903.7 794.9

Vaca Pavo Tocino Atn Camarn Ostin Filete de Pescado Fuente: OMS, 1987.

1,020.8 1,121.3 2,604.9 1,204.9 359.8 184.0 376.5

El interior del cuerpo debe tener una temperatura constante de aproximadamente 37C. Para ello, el sudor acta como un termostato, es decir, controla la temperatura del cuerpo para que sta permanezca sin cambio; prueba de esto es el sudor que acompaa a la fiebre. Los alimentos que ingerimos se transforman en energa qumica utilizable por reacciones de oxidacin; es decir, el oxgeno que respiramos se emplea para transformar los alimentos en energa qumica. La energa qumica, a su vez, se transforma en energa mecnica cuando movemos algn msculo, pero parte de la energa qumica se pierde inevitablemente en forma de calor. Los msculos esquelticos tienen cuando mucho una eficiencia del 20%, lo cual quiere decir que el 80% restante se pierde en el ambiente. Debe mencionarse tambin que los desechos que producimos contienen energa almacenada que no aprovech el cuerpo, lo cual no significa que otros organismos no la puedan aprovechar (incluido el hombre). De hecho, el abono es un excelente nutriente para el crecimiento de las plantas y tambin de ste se puede obtener gas metano para cocinar. Por lo tanto, la energa que consumimos en los alimentos s se conserva. nicamente tenemos que considerar la energa qumica que no se transforma en movimiento de nuestros msculos y que se pierde irreversiblemente en el ambiente que nos rodea (vase el cuadro II). CUADRO II. Consumo de energa en diversas actividades cotidianas. kJ (Kilojoules) Dormir Sentarse Pararse Caminar Trabajar sentado en la oficina Cocinar Limpieza moderada Fuente: OMS, 1987 4.52 5.82 7.32 15.50 7.5 8.8 18.0

Muchas actividades humanas requieren grandes esfuerzos corporales; por esto, es deseable que las mquinas realicen el trabajo pesado, para dejar al hombre las tareas ms creativas. Sin embargo, la conservacin de la energa nuevamente hace su aparicin. Para que las mquinas realicen trabajo se requiere una fuente de energa, un combustible que, al igual que los alimentos, provea la energa necesaria para realizarlo. El desgaste fsico y el tiempo que se necesita para ir caminando de la ciudad de Mxico a Cuernavaca es enorme si se compara con lo que se consume cuando se hace el viaje en camin (aunque lo que pagamos por el camin hubiera alcanzado para invitarle un refresco a cada pasajero en Tres Maras si hiciramos el viaje a pie). La gran ventaja del camin es que el motor realiza el trabajo, en lugar de nuestro cuerpo; adems, la potencia que desarrolla el camin, es decir, la energa por unidad de tiempo, es mayor que la de nuestro cuerpo.

Por otro lado, ni nuestro cuerpo, ni un motor de camin transforman toda la energa en trabajo mecnico, inevitablemente una parte se transforma en calor y es irrecuperable. Sadi Carnot se encarg de demostrar en su libro Reflexiones sobre la potencia motriz de fuego (vase el recuadro 2), de 1824, que la eficiencia terica mxima a la que opera cualquier mquina trmica es:

donde Tmax. es la temperatura mxima y Tmin. es la mnima. Otra forma equivalente de expresar la eficiencia es considerando que la temperatura mxima es la de entrada y la mnima es la de salida. Entonces la frmula sera:

Recuadro 2 Sadi Carnot y la eficiencia de las mquinas trmicas. "La potencia motriz del calor es independiente del agente empleado para realizarla, su magnitud est fijada nicamente por la temperatura de los cuerpos entre los que se efecta, a fin de cuentas, su transferencia."

Por ejemplo, una mquina de vapor tiene una temperatura mxima de 200 grados Celsius, es decir, que el agua que entra a la caldera tiene esa temperatura mxima, y la temperatura mnima es de 100 grados, que es la temperatura a la cual se elimina el vapor a la atmsfera. Por lo tanto, la eficiencia (si se convierten los grados Celsius a Kelvin, para lo cual bastar sumar 273.16 a cada temperatura) ser de 21%. Aunque en la prctica, como existen prdidas de calor de otro tipo (friccin, turbulencia, conduccin de calor, mezcla de diferentes sustancias, etctera), la eficiencia real de estas mquinas es de 15%. La eficiencia real de un motor de automvil comn es de 22%. La temperatura mxima que alcanza la gasolina mezclada con el aire en el interior del motor es de alrededor de 120C, mientras que la temperatura a la que salen expulsados los gases es de 50C aproximadamente, que sera la temperatura mnima. En el caso de los motores diesel la eficiencia es de 40%. En todas las mquinas trmicas existe un fluido o gas que alcanza tanto la temperatura mxima como la mnima. En una caldera es el vapor de agua y en un automvil es la gasolina o el diesel. En todas las mquinas trmicas a las que se refiere Carnot, la eficiencia terica mxima es de poco menos del 60%; es decir, que no puede existir una mquina trmica con una eficiencia superior a este valor (vase el recuadro 3).

Recuadro 3

Denis Papin y la olla express. Cuando el fsico francs Denis Papin present su invento de la olla express ante la Real Sociedad de Londres, la olla estall frente a los distinguidos miembros. Posteriormente, solicit otra demostracin, dado que ahora la olla posea una vlvula de seguridad; sin embargo, todos los miembros se opusieron a la nueva demostracin, temerosos de salir sin vida, dado el peligro potencial que representaba el invento. La nica excepcin fue la del presidente, el fsico Robert Boyle, quien permiti la demostracin, siempre y cuando se efectuara ante un nmero razonable de personas.

Ahora, si se trata de una mquina que transforma combustible en calor o que evita el uso de calor, la mquina puede ser 100% eficiente. En la turbina de una presa, la eficiencia puede llegar a 90%, al igual que la de una caldera grande de una central termoelctrica; la eficiencia de un generador elctrico puede ser de 98% y la eficiencia de una estufa de cocina es de 85% aproximadamente. Supongamos que un estudiante con mucha energa dedica 8 400 kilocaloras a leer este libro. A primera vista nos sorprendera toda la energa que le ha dedicado; sin embargo, es necesario saber cunto tiempo le dedic a esta tarea. Cuando nos enteramos que ley todo en 840 horas, es decir, un poco mas de un mes, resulta que slo emple 10 kilocaloras diarias, en promedio, para leer. Si comparamos esta cantidad con las 84 kilocaloras que se necesitan para leer durante una hora, el estudiante ley alrededor de siete minutos diarios. ste es precisamente el caso de un estudiante con mucha energa y poca potencia. Un buen lector podra leer cinco horas diarias, y as leera todo el libro en dos das y utilizara tan slo 840 kilocaloras. As podra leer 10 libros como ste y emplear las mismas 8 400 kilocaloras. Por lo tanto, cuando se habla de energticos, y en particular de las centrales de energa, es muy importante conocer no slo cunta energa se produce, sino la rapidez con la que se produce dicha energa; la energa por unidad de tiempo. Lo mejor, por lo tanto, es desarrollar mucha potencia. Si ahora regresamos al ejemplo de la energa empleada en la lectura, se haba dicho que se utilizan 84 kilocaloras por cada hora de lectura, pero no sera deseable que fueran 84 kilocaloras por cada dos horas? As podramos leer ms y comer menos. Desgraciadamente, un hombre no puede hacer esto... pero una mquina s. Aunque la mquina no entiende lo que lee. El tiempo es fundamental en el trabajo que realiza una mquina y por esto se introdujo el concepto de potencia, que se define como la rapidez con la que se realiza un trabajo o como la energa por unidad de tiempo. Si en una casa empleamos un foco de 100 watts de potencia, la compaa de luz nos cobra la energa, que es igual a la potencia multiplicada por el tiempo; es decir, tendremos que pagar determinada cantidad por 100 watts-hora = 0.1 kilowattshora (kWh) por cada hora que prendamos el foco. Si lo usamos dos horas cobrar 0.2 kWh. Si en lugar de un foco de 100 watts usamos uno de 60 watts, la cuenta ser de 0.06 kWh por cada hora que est prendido. Al de dos horas la compaa de luz nos cobrar 0.12 kWh. Por lo tanto, cuanto menor sea la potencia de los aparatos que se utilicen, o menor el tiempo que permanezcan encendidos, menor ser la cuenta de luz. Los medidores de luz que se encuentran instalados en todas las casas-habitacin miden el consumo diario de energa en kilowatts-hora. Por ejemplo, un departamento amplio consume diariamente alrededor de 5 kWh. Las plantas o centrales de energa elctrica deben ser de mucha potencia para poder satisfacer en todo momento las necesidades de todas las casas. As, la produccin de electricidad depende de la demanda de la poblacin que tiene que satisfacerse. En el Sistema Internacional de Unidades la energa se mide en joules; sin embargo, como es una unidad muy

pequea, para medir el consumo de energa domstica se emplea otra unidad, tal vez ms conocida: el kilowatthora, abreviado kWh (1 kilowatt-hora =3 600 000 joules). Otra unidad que se mencion anteriormente es la kilocalora; 1 kilocalora = 4 186.8 joules. Tambin se utiliza frecuentemente el BTU (British Thermal Units) con la siguiente equivalencia: 1 BTU =1/9.478X10-4 joules. La unidad de potencia es el watt (vase el recuadro 4) y sus mltiplos: el kilowatt, el megawatt, el gigawatt y el terawatt, abreviados W, kW, MW, GW y TW, respectivamente. Un watt equivale a un joule/segundo, o en forma abreviada 1W = 1J/s. En el cuadro III aparecen las unidades de energa y potencia, cmo se abrevian y su equivalencia. Y en el cuadro IV estn los mltiplos y submltiplos que se utilizan como prefijos en todas las unidades.

Recuadro 4 Sociedad inglesa de lunticos. Durante la segunda mitad del siglo XVIII exista en Birmingham, Inglaterra, una sociedad llamada Sociedad Lunar, porque sus miembros se reunan el primer lunes posterior a la Luna llena. A la asociacin de lunticos, como se les llam, pertenecan: James Watt, Erasmus Darwin, Matthew Boulton, John Wilkinson y William Small, entre otros.

CUADRO III. Unidades de energa: conversin. 1 joule = 1 wattsegundo = 1 newtonmetro = 1 kilogramometro2 / segundo2 1 J = 1 Ws = 1 Nm = 1 kgm2/s2 = 6.242 x 1018 eV (electrn-volt) = 6.242 x 1012 MeV (megaelectrn-volt) = 107 ergs = 0.2388 cal (caloras) = 2.778 x 10-7 kWh (kilowatts-hora) = 9.478 x 10-4 BTU (British Thermal Units) = 3.725 x 10-7 hph (horse power-hora) = 0.7376 ftlbf (pieslibras fuerza) Unidades de Potencia: Conversin 1 watt = 1 joule/segundo = 1 kilogramometro2/segundo3 1 W = 1 J/s = 1 kgm2/s3 = 0.001 kW (kilowatts) = 6.242 x 1018 eV/s (electrn-volt/segundo) = 0.001341 hp (Horse Power) = 3413 BTU/h (British Thermal Units/hora)

CUADRO IV. Mltiplos y submltiplos.

Prefijo Smbolo Potencia Cantidad exa peta tera giga kilo mili nano pico atto E P T G k m n P a 1018 1015 1012 109 106 103 100 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 micro M 1 000 000 000 000 000 000 1 000 000 000 000 000 1 000 000 000 000 1 000 000 000 1 000 000 1 000 1 0. 001 0. 000 001 0.000 000 001 0.000 000 000 001 0.000 000 000 000 001 0.000 000 000 000 000 001

mega M

femto f

3. FORMAS DE ENERGA La energa del Universo se manifiesta en diversas formas fsicas y qumicas: energa cintica y potencial, que en conjunto constituyen la energa mecnica, energa calorfica, electromagntica (elctrica y magntica), nuclear y qumica. Cuando hablamos de las formas de energa no nos estamos refiriendo al origen de sta, sino nicamente al tipo de energa; en cambio, cuando aludimos a las fuentes de energa s nos referimos a su origen, es decir, de dnde se obtiene. Una fuente de energa como el petrleo produce una forma de energa: calorfica, mecnica, qumica o elctrica. Tambin, cuando hablamos de fuentes estamos diciendo implcitamente que se trata de energa aprovechable, es decir, energa que el ser humano puede utilizar para realizar todo tipo de actividades. Existen los siguientes tipos de fuentes de energa segn su origen y aprovechamiento: 1) Energa del petrleo, gas y carbn. La energa qumica se convierte en calor para posteriormente transformarse en electricidad u otras formas de energa. Cuando la energa que proporcionan el petrleo, el gas o el carbn se obtiene en grandes cantidades, se transforma en energa elctrica a travs de las centrales termoelctricas o carboelctricas. En el caso de los transportes la energa se transforma en cintica o mecnica (pasando por la energa calorfica o trmica) o bien en energa calorfica cuando se trata de un calentador o una estufa. 2) Energa hidrulica. En sta se aprovechan las cadas de agua que se originan por la diferencia de altura en un terreno, por lo tanto se trata de energa potencial. La energa hidrulica es energa mecnica, primero potencial, cuando el agua de un ro es detenida por la cortina de una presa y se establece una diferencia de altura, y despus cintica, cuando se deja caer el agua de la presa. Dicha energa cintica es la que se utiliza para mover un turbogenerador y producir energa elctrica en las centrales hidroelctricas. 3) Energa geotrmica. Es la energa calorfica del interior de la Tierra, la cual se transforma en energa mecnica y elctrica a travs de un turbogenerador. 4) Energa nuclear. En sta, la energa que une a los ncleos de los tomos se transforma en energa calorfica, y sta, a su vez, en mecnica y elctrica. 5) Energa solar. En sta se aprovecha directamente la radiacin solar para producir calor o electricidad.

6) Energa elica. Es la que utiliza la energa cintica de los vientos, que puede aprovecharse como tal o, a su vez, convertirse en electricidad. 7) Energa de la biomasa. Es el aprovechamiento de la materia viva y los desechos orgnicos como combustibles, por lo tanto se trata de energa qumica, que se pueden transformar en cualquier forma de energa. El caso de la madera es un ejemplo. Existe tambin una clasificacin de las fuentes de energa de acuerdo con su duracin. Las fuentes no renovables son aquellas que despus de cierto tiempo de explotacin acabarn por agotarse. ste es el caso de los combustibles fsiles, la fisin nuclear y la energa geotrmica. Por otro lado estn las fuentes de energa renovables, entre las que se encuentran la solar y la elica, dado que son fuentes que para todo fin prctico nunca se agotarn.

[Nota 1] 1. De un poema de William Blake.

[Nota 2] 2. 1 MeV = 1.6022 x 10-13

[Nota 3] 3. Comnmente se menciona en las dietas que se requieren 3 000 caloras, aunque lo correcto es 3 000 kilocaloras; es decir, 3 millones de caloras. Una calora es la cantidad de calor que se necesita para elevar de 14 a 15 grados Celsius un gramo de agua a la presin atmosfrica. 1 calora = 4.185 joules.

PRIMERA PARTE

I. EL HILO DORADO: LA ENERGA SOLAR II. LO QUE EL VIENTO NO SE LLEV III. MATERIA VIVA Y DESECHOS: ENERGA DE LA BIOMASA

I. EL HILO DORADO: LA ENERGA SOLAR

Al golpe del oro solar, estalla en astillas, el vidrio del mar. J.J. Tablada

I. 1. INTRODUCCIN DURANTE siglos, tanto el hombre como los dems seres vivos han aprovechado la energa solar, no slo como una opcin energtica sino como fuente de vida, pues sin esa estrella no habra vida en la Tierra. El cuerpo humano produce vitamina D cuando los rayos ultravioleta provenientes del Sol llegan a la piel. La vitamina D es esencial para el crecimiento de los huesos. Nuestro organismo, como necesita alimentos, depende indirectamente de la energa solar, pues sta es indispensable para que se lleven a cabo las reacciones de la fotosntesis. De hecho, las plantas pueden almacenar 1% de la radiacin solar que les llega. Debido a que todos los seres vivos se alimentan unos de otros, formando una gran cadena alimenticia, toda la flora y la fauna terrestre vive gracias al aprovechamiento directo o indirecto de la energa solar. Prueba de esto es que ms de 90% del material orgnico que permite la vida marina, llamado fitoplancton, se halla precisamente en aquellas capas del ocano donde llega la luz del Sol. Sin embargo, tal parece que no sabemos aprovechar las ventajas que nos brinda la naturaleza. Cmo sera la vida sin el Sol? La respuesta inmediata es: no habra vida. El invierno nuclear sera poca cosa comparado con un planeta que no recibiera la energa solar. Si queremos mantener las condiciones naturales de vida es necesario que no alteremos mucho el medio, pues dichos cambios pueden volverse en nuestra contra. Entre los casos ms conocidos se encuentran los daos provocados por las explosiones nucleares, los materiales no degradables, los contaminantes qumicos, los desechos industriales, los cambios en la capa de ozono de nuestra atmsfera, etctera. Pero esos daos, de los cuales nos mantiene al tanto la ecologa, no preocupaban a los hombres del pasado. Hasta qu punto el avance tecnolgico se convierte, en algunos casos, en retroceso? La respuesta a esta pregunta depende de muchos factores y mejor la dejaremos abierta, pues aunque por un lado los avances tecnolgicos han permitido mejorar las condiciones de vida de la poblacin en general, tambin han acentuado la pobreza de algunos pases. La dependencia tecnolgica y la imposicin de modelos tcnicos importados ocasionan saltos tecnolgicos con grandes huecos y deficiencias. Si se quiere satisfacer la demanda de energa que requiere cada habitante del planeta es indispensable buscar fuentes de energa que se puedan mantener a largo plazo. Esa necesidad existe y debe satisfacerse; es necesario solucionar problemas como el pronstico sobre el agotamiento del petrleo, que comenzara a sentirse a mediados del siglo XXI, cuando las reservas de crudo sern insuficientes para satisfacer la demanda mundial. La accin de una fuente de energa prcticamente inagotable como el Sol se aprecia en muchos fenmenos cotidianos. Si dejamos una manguera expuesta a los rayos solares, al abrir la llave, el agua saldr en un principio caliente. De hecho, ste es el sistema que emplean los australianos para facilitar el trabajo de lavar los platos despus de comer. Otro ejemplo muy conocido es cuando intentamos sentarnos en los asientos de plstico negro de un automvil que ha estado expuesto a la luz del Sol. Cuntas veces se ha quemado usted? Un experimento sencillo pero ilustrativo para observar el aprovechamiento de la energa solar consiste en concentrar los rayos del Sol en un punto para producir fuego. Esto lo podemos hacer con una lupa, cuando no tengamos a mano cerillos. El punto donde se concentran los rayos de luz se llama foco de la lupa. Pero el experimento podra hacerse ms interesante si utilizramos una lupa de hielo; de esta forma estaramos produciendo fuego a partir del agua.

En las ltimas dcadas, la energa solar ha cobrado importancia como fuente energtica, puesto que las reservas de combustibles fsiles no son eternas. Esto ha ocasionado que, por ejemplo, sean parecidos los precios de un calentador solar y de uno de gas, lo que no suceda hace 60 aos. As, con respecto a los costos, los sistemas solares son cada vez ms baratos, con la gran ventaja de que el combustible, la luz del Sol, aparece todas las maanas sin cobrar. Debe quedar claro que la energa solar no constituye ninguna panacea universal de la cual los hombres obtendrn todo lo que necesitan. La energa solar contribuye modestamente como otra posibilidad energtica y no se trata de defenderla a ultranza como la nica fuente de energa. Un planteamiento realista sera considerarla seriamente como una opcin energtica con sus deficiencias tecnolgicas, sus desventajas econmicas actuales y sus ventajas a largo plazo. En nuestro pas, que posee regiones con el promedio mundial de insolacin o soleamiento anual ms alto, el aprovechamiento de la energa solar constituye, sin lugar a dudas, una buena opcin. El que esta fuente de energa sea rentable depende de las investigaciones que se realicen, de los recursos econmicos destinados a su estudio y del inters que se preste a su desarrollo. Por lo pronto, ya satisface las necesidades energticas de muchas viviendas, se ha empleado en algunas comunidades que carecen de electricidad y tambin se han construido algunas plantas de prueba. Pese a lo anterior, actualmente la energa solar no contribuye con ningn porcentaje al consumo energtico nacional, aunque ya empieza a contar y es deseable impulsarla.

I.2. UN FOCO CELESTE El Sol es una estrella comn y corriente. Esto quiere decir que en el Universo existen millones de estrellas como sta. Sin embargo, aqullas se localizan a miles de millones de kilmetros de nuestro planeta y por esta razn, para nosotros no son ms que dbiles puntos de luz en el firmamento. La estrella ms cercana a la Tierra es el Sol, que se encuentra a 149 450 000 km de distancia; nuestra estrella tiene un dimetro de 1 391 000 km, aunque para nosotros no es ms que un plato amarillo de unos cuantos centmetros de dimetro. Tiene una masa de 2 X 1030 kilogramos (un dos con treinta ceros), cifra difcil de imaginar para nosotros, que estamos acostumbrados a las masas de los objetos terrestres, pero es 333 veces ms pesado que la Tierra. El ncleo del Sol tiene una temperatura de 15 millones de grados Celsius y sta va disminuyendo hasta llegar a la superficie solar, donde la temperatura promedio es de 5 770C, ms que suficiente para derretir un automvil. En el interior del Sol, como en todas las estrellas, se llevan a cabo reacciones de fusin nuclear. En este tipo de reacciones se unen los ncleos de tomos ligeros, como el hidrgeno y el helio, para formar tomos ms pesados y en el proceso se liberan grandes cantidades de energa; la energa que nos enva el Sol es, por lo tanto, de origen nuclear. Dos ncleos de deuterio (istopo del hidrgeno) se fusionan y transforman en helio; los ncleos de helio, en carbono, y as sucesivamente hasta constituir elementos cada vez ms pesados. Actualmente, el Sol est compuesto de 73.46% de hidrgeno y 24.85% de helio (el resto son elementos ms pesados). Durante las reacciones nucleares, parte de la masa de las partculas que intervienen se convierte en energa, la cual se puede calcular empleando la frmula de Einstein E=mc&178; (donde E equivale a la energa, m a la masa y c a la velocidad de la luz, que es igual a 300 000 km/s). De esta forma, el Sol irradia la energa proveniente de la fusin de los ncleos atmicos que lo componen y como lo hace en todas direcciones, una parte nos llega a la Tierra. El Sol existe desde hace 4 600 millones de aos y se cree que seguir viviendo durante un periodo similar; por lo tanto, para cualquier fin prctico, el Sol es una fuente inagotable de energa. La radiacin que emite el Sol en todas direcciones, producto de las reacciones nucleares, corresponde a una parte del llamado espectro electromagntico. Cada cuerpo, segn sus caractersticas intrnsecas, emite un patrn de radiacin electromagntica (una forma de radiacin caracterstica) que puede identificarse en el espectro electromagntico. En la figura 8 pueden apreciarse las diferentes formas de radiacin electromagntica, que dependen de la cantidad de energa que sta posea. Para nosotros la ms comn es la luz visible, pero tambin los rayos X o los rayos infrarrojos constituyen otras formas de radiacin electromagntica.

Figura 3. Espectro electromagntico. La radiacin electromagntica no es otra cosa que el tipo de partculas o de ondas (en el sentido fsico) que nos llega de un cuerpo, en este caso del Sol. Los rayos del Sol estn compuestos por diminutas partculas, llamadas fotones que viajan a la velocidad de la luz. En 1905 Albert Einstein propuso una teora corpuscular en la que sealaba que la luz estaba compuesta de paquetes de energa radiante llamados fotones, trmino acuado por G. N. Lewis en 1926. Posteriormente, varios experimentos demostraron que las partculas atmicas, incluidos los fotones, podan presentar patrones de interferencia y difraccin, caractersticas que corresponden a una onda y no a una partcula. Sin embargo, la luz est compuesta de ondas o de partculas? A finales de la dcada de los veinte la respuesta la dio la mecnica cuntica, teora que seala que la luz tiene manifestaciones de partcula y de onda, es decir, tiene una naturaleza dual, de dos; no se pueden excluir ambos conceptos. La luz se comporta como onda o como partcula, segn el instrumento que se use para analizarla. En la figura 4 pueden apreciarse las caractersticas fsicas de una onda de luz. Un ejemplo cotidiano de una onda lo podemos observar en el movimiento que se produce en el agua de un estanque cuando se tira una piedra al centro de ste; se formarn una serie de anillos concntricos que se harn cada vez ms grandes, hasta llegar al borde del estanque. Aqu debe sealarse que las ondas de luz, a diferencia de las de un estanque, se pueden propagar en el vaco, cosa que no sucede con las ondas de un estanque, porque requieren de un medio para propagarse. La luz se comporta como una serie de partculas en movimiento o como una onda transversal que se propaga en diferentes materiales o en el vaco.

T - periodo = tiempo en que la onda completa un ciclo vfrecuencia = = nmero de ciclos por segundo distancia que hay al completar un ciclo o entre cresta y cresta o entre valle y valle C - v C - Velocidad de la luz = 300 000 km/s. - longitud de la onda de luz v - frecuencia de la onda de luz - longitud de onda =

Figura 4. Caractersticas fsicas de una onda de luz. El tipo de radiacin electromagntica depender de las caractersticas fsicas que posean los fotones. La energa contenida en los rayos del Sol se calcula a partir de la frmula de Planck, E= hv, donde E es la energa de los fotones, h es la constante de Planck, que equivale a 6.625 x 10-34 Js, y la letra griega v es la frecuencia a la que oscilan los fotones o la frecuencia de las ondas de luz. De esta frmula se desprende que hay fotones que poseen gran cantidad de energa (como los rayos gamma) y otros que son menos energticos (los rayos infrarrojos, por ejemplo). Esto se traduce en que hay fotones que ni siquiera pueden atravesar la atmsfera terrestre, mientras que otros cruzan los tejidos blandos del cuerpo y chocan nicamente con los huesos: estos ltimos constituyen los rayos X, que se utilizan para tomar radiografas. Una caracterstica comn que comparten todos los fotones es que viajan a una velocidad constante en el vaco: a la velocidad de la luz, que es la ms alta que existe en el Universo. Una propiedad curiosa de estas partculas es que un fotn en reposo tiene una masa igual a cero. A pesar de que la velocidad de la luz es muy grande, un rayo del Sol tarda aproximadamente ocho minutos en llegar a la Tierra. En la vida cotidiana, sin embargo, la luz de un foco parece que nos llega instantneamente. (Por ejemplo, la luz de un foco colocado a 1 m de distancia, tarda 0.33X10-8 s.) Los rayos que provienen del Sol traen consigo fotones de caractersticas diferentes (rayos gamma, rayos ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos y ondas de radio) y estos constituyen el espectro del Sol. En la figura 5 puede apreciarse cmo gran parte de la radiacin solar (el 90% aproximadamente) est constituida por rayos infrarrojos y luz visible.

Figura 5. Espectro del Sol. Fuera de la atmsfera, la radiacin solar est constituida por 7% de rayos ultravioleta, 47% de radicacin visible y 46% de rayos infrarrojos. En la superficie, en condiciones ideales (cielo despejado y a nivel del mar) los porcentajes son: 4% de ultravioleta, 46% de visible y 50% de infrarroja. La curva corresponde a la radiacin de cuerpo negro a aproximadamente 6 000 K.

1.3. DE LOS ESPEJOS DE ARQUMEDES A LOS HORNOS SOLARES Segn narran los antiguos historiadores, en el ao 212 a. C., a peticin del rey Hern, Arqumedes quem las naves romanas que sitiaban la ciudad de Siracusa. Para llevar a cabo tal hazaa, Arqumedes utiliz varios espejos planos o tal vez escudos reflejantes que en conjunto formaban un gran espejo cncavo, pues en esa poca ya se utilizaban espejos pulidos de plata y cobre para concentrar la luz del Sol. Un espejo cncavo sera, por ejemplo, el que tiene el faro de un automvil. Este tipo de espejo, cuando posee la forma de un paraboloide de revolucin, tiene la propiedad de que todos los rayos luminosos que inciden sobre l desde cualquier direccin se concentran en un punto: el foco del espejo. De esta forma, mediante la concentracin de la energa de los rayos solares se logra alcanzar altas temperaturas y, quiz, como Arqumedes, incendiar grandes objetos. Tambin Euclides, en sus trabajos de ptica, menciona que es posible obtener temperaturas elevadas mediante un espejo cncavo, y Filn de Bizancio aprovech el calor del Sol en un termoscopio (antecedente del termmetro), que consiste en un termmetro rudimentario, que indica la diferencia de temperatura sin precisar su magnitud. Durante el Renacimiento, el ingeniero francs Salomn de Caus construy una bomba de agua con un motor inventado por l, cuya fuerza motriz provena de vapor calentado por los rayos solares. En un texto, escrito en 1615, describe dos sistemas que funcionaban con energa solar: una fuente y una estatua sonora. Esta ltima estaba hueca y contena dos tubos de rgano; cuando el aire se expanda debido al calor solar, la estatua empezaba a cantar. En los siglos XVII y XVIII se construyeron los primeros hornos solares; aproximadamente en 1690, en Dresde, Alemania, E.W. von Tschirnhausen construy un horno solar con un espejo cncavo parablico de 1.6 m de dimetro para cocer el barro utilizado en la produccin de objetos de cermica. Tambin construyeron hornos solares Jorge Luis Leclerc, conde de Buffon, escritor y naturalista francs, y los pticos franceses A. J. Fresnell y Villette. En 1774, el cientfico ingls Joseph Priestley descubri nada menos que el oxgeno (aunque no le dio ese nombre), concentrando los rayos solares sobre lo que llamaba cal de mercurio (hoy xido de mercurio), con una lente de 0.30 m de dimetro; al gas desprendido lo llam aire desflogisticado. Posteriormente, A. L. de Lavoisier, a partir de este hallazgo dio el nombre de oxgeno a ese gas y formul la teora de la combustin, demostrando que el oxgeno es un componente del aire. Adems, construy un horno solar con una lente de ms de 1 m de dimetro que alcanzaba temperaturas de 1 700 C, en el que se poda fundir platino. El primer diseo de un colector plano para aprovechar el calor solar fue concebido en la segunda mitad del siglo

XVII por el naturalista suizo Horace de Saussure. ste consista en una caja perfectamente sellada con varias capas de vidrio. Los astrnomos J. Herschel y J. Langley, as como el ingeniero C. Tellier tambin fabricaron varios colectores, en los cuales trataron de perfeccionar el diseo de Saussure. En el siglo XIX, el clrigo escocs Robert Stirling construy un motor de aire caliente con un pistn que, acoplado a un espejo parablico, empezaba a girar cuando los rayos solares se concentraban en el extremo exterior del pistn y se alcanzaba una temperatura adecuada. Otro gran pionero de la energa solar fue el inventor sueco John Ericsson, quien tambin construy un motor de aire caliente. El inters de Ericsson por la energa solar lo llev a instalar un laboratorio dedicado a la investigacin solar en la ciudad de Nueva York. En 1868 dise un espejo rectangular de 2X3.5 m de seccin parablica y sobre la lnea focal de la parbola coloc un tubo por el que circulaba aire; al concentrar los rayos solares en la lnea focal, el aire se calentaba y proporcionaba el calor necesario para que trabajara una mquina de vapor. Ericsson haba construido un motor solar. Adems, dise varios instrumentos para medir la radiacin y otras propiedades fsicas del Sol, tiles para el aprovechamiento de este tipo de energa. Un detalle curioso es que Ericsson no quiso patentar ni comercializar sus motores solares hasta que no se hubieran perfeccionado, por lo cual dej muchos inventos sin patente. En 1860, con el apoyo de Napolen III, Augusto Mouchot construy un colector solar en forma de cono truncado de 2.2 m de dimetro, que se utiliz primero en una caldera y posteriormente en una planta para bombear agua. En la Exposicin Mundial de Pars, celebrada en 1878, Mouchot exhibi una estufa solar y un motor solar que empleaba su colector. Tambin en la Exposicin Mundial que se realiz en el Palacio de las Tulleras, Mouchot y Abel Pifre llevaron un motor solar integrado a la prensa de una imprenta. Ms tarde, en esta imprenta se editara la revista Le Journal du Soleil. Hasta entonces se haba probado que cualquier mquina trmica poda funcionar mediante la energa solar; sin embargo, poda convertirse directamente esta energa en electricidad? En 1839, Edmund Becquerel (abuelo de Henry Becquerel, el descubridor de la radiactividad natural) mientras trabajaba con celdas electrolticas observ que al iluminar uno de los electrodos se produca un voltaje y as descubri el efecto fotovoltaico, es decir, la conversin directa de luz en electricidad. Cincuenta aos despus, W. Smith encontr que el selenio (elemento derivado del mineral de cobre) tena propiedades fotovoltaicas; Charles Fritts construy las primeras celdas solares de selenio, y en 1878 G. W. Adams y R. E. Day observaron el efecto fotovoltaico en un semiconductor de selenio. En 1905, Albert Einstein, partiendo del concepto de cuanto, propuesto en 1900 por Max Planck, propuso que la luz est compuesta de cuantos o paquetes de energa y explic satisfactoriamente otro efecto, llamado fotoelctrico, que se presenta en los metales. Con esto, se daban las bases que llevaran a Niels Bohr, Max Born, Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Edwin Schrdinger, P.A.M. Dirac y Wolfang Pauli, entre otros, a establecer alrededor de 1930 la mecnica cuntica. En el efecto fotoelctrico, cuando la luz llega a metales como el platino o el cesio, los electrones pueden empezar a moverse, y si los fotones de los rayos de luz tienen frecuencias y energa apropiadas, hacen saltar a los electrones de la superficie iluminada y se genera una corriente elctrica. Sin embargo, durante muchos aos nadie se ocup de mejorar las celdas solares. Tuvieron que pasar casi ochenta aos para que Gordon Pearson, Darryl Chapin y Calvin Fuller, investigadores de los Laboratorios Telefnicos Bell, utilizaran silicio con impurezas en lugar de selenio para fabricar las celdas solares como una solucin para tener una fuente de energa en las instalaciones telefnicas de las reas rurales. As surgieron las primeras celdas solares que tenan una eficiencia de 15%. Una de las desventajas era su costo, que las haca inaccesibles. Por esto, cuando se empezaban a olvidar las celdas solares, a la NASA se le ocurri que la fuente ms indicada para los satlites espaciales seran las celdas solares y dedic mucho tiempo y dinero para perfeccionarlas y producirlas. Las celdas solares estn constituidas de una unin de materiales semiconductores tipo n y tipo p, en las que se presenta el efecto fotovoltaico. La primera aplicacin a mediana escala de la energa solar se dio en una planta desalinizadora, construida en el desierto de Atacama, en Las Salinas, Chile. sta tena un rea de captacin de media hectrea; proporcionaba 20 mil litros de agua potable al da para una mina de nitrato de sodio y funcion ininterrumpidamente de 1872 a 1912. A principios de este siglo se construyeron varias plantas solares de baja potencia. En 1913, Franck Shuman y C. V. Boys hicieron una mquina termosolar de 50 caballos de vapor, que se usaba en la planta de El Cairo, para extraer agua del ro Nilo e irrigar la zona.

A pesar de estas contribuciones, durante la primera mitad del siglo XX, el aprovechamiento de la energa solar permaneci en el desvn del olvido debido a que, entre otras razones, los dispositivos solares no podan competir con las mquinas que empleaban combustibles fsiles como el petrleo, el gas y el carbn. En 1949 las actividades en torno al aprovechamiento de la energa solar empezaron nuevamente a prosperar. Se construy el primer gran horno solar en Mont Louis, cerca de Odeillo, Francia, bajo la direccin de Flix Trombe y en la dcada de los aos sesenta se fabric el famoso horno solar de Odeillo, que aprovechaba la fachada de un edificio para formar un gran espejo parablico para concentrar los rayos solares en otra construccin cercana. En el foco de esta original construccin se alcanzan temperaturas de 4 000 C. En Natick, Massachusetts se construy en la dcada de los cincuenta un espejo de grandes dimensiones que concentra los rayos solares en el foco de la parbola y que alcanza temperaturas de 4 400 C, suficiente para derretir acero. En este espejo se hacen pruebas de calor para conocer las resistencias de diversos materiales destinados a proteger al ejrcito estadounidense. En Baristow, California, se tiene una planta con 1 800 espejos que concentran el calor del Sol en una torre central de 90 m de altura. Ah, un fluido como el agua, el aceite o las sales fundidas se emplea para producir vapor de agua y mover un turbogenerador. La central solar de Baristow produce 10 MW (megawatts). En Francia se encuentra la central electrosolar Themis, que genera 2.5 MW. Esta planta tiene 201 heliostatos o espejos de 53 m orientados a una torre de 101 m que en la parte superior posee una caldera en la que se funden sales, mismas que se aprovechan para generar vapor, como se haba mencionado anteriormente, y producir energa elctrica. Las sales tienen la ventaja de que almacenan el calor. Finalmente, el Instituto de Ingeniera de la UNAM tiene una pequea planta solar con colectores cilndrico-parablicos que siguen el movimiento del Sol, con una capacidad de 10 a 15 kilowatts; en esta planta se emplea aceite como fluido de trabajo para calentar agua y producir vapor.

I.4 O SOLE MIO! Antes de tratar lo referente al aprovechamiento de la energa solar se deben entender algunos conceptos fundamentales; en primer lugar, qu se entiende por energa? La energa puede definirse como la capacidad que tiene un cuerpo o sistema de realizar trabajo; entendido este ltimo como producto de la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo, multiplicada por la distancia que se recorre aplicando dicha fuerza. Esta relacin se expresa matemticamente de la siguiente manera: W = Fd (donde W = trabajo, F = fuerza y d = distancia). Dicha definicin de trabajo slo es vlida cuando la fuerza aplicada y la distancia recorrida estn en la misma direccin; cuando no es as, el trabajo es igual al producto de la componente o proyeccin de la fuerza sobre la direccin en la que se mueve el objeto por la distancia recorrida. Matemticamente esto equivale a W = Fdcos (donde es el ngulo que forman la fuerza con la direccin de movimiento del objeto). Si elevamos a una persona que pesa 60 kg en condiciones ideales (esto es, sin friccin) a una altura de 10 m, y aplicamos la fuerza en la misma direccin en la que movemos a la persona, el trabajo realizado ser: W Fd = mgd = (60) (9.8) (10)= 5 800 joules (donde m es la masa y g la aceleracin de la gravedad, que en nuestro planeta es igual a 9.8 m/s). Por tanto, para elevar a una persona con una masa de 60 kg a una altura de 10 m se necesita una energa de 5 880 joules. Pero si quisiramos elevarla a una altura de 20 m se necesitara el doble de energa para realizar ese trabajo. En nuestro ejemplo, el trabajo lo realiza una persona; sin embargo, el desarrollo de la tecnologa ha permitido que sea una mquina la que lo lleve a cabo. Primero fue una carreta y un caballo, despus el ferrocarril, el automvil, el camin, el avin, etctera. El desarrollo tecnolgico ha permitido que el hombre descargue cada vez ms trabajo en las mquinas; sin embargo, al igual que el hombre, las mquinas requieren de una fuente que proporcione la energa necesaria para realizar cualquier tipo de trabajo. En el ser humano, la fuente de energa son los alimentos; en el caso de las mquinas existen diferentes fuentes de energa, entre las que se encuentra el Sol. Est claro que el hombre y cualquier mquina requieren de una fuente de energa para realizar cualquier trabajo. Sin embargo, la eficiencia con la que se realiza ste nunca podr ser de 100%, dado que la naturaleza ha impuesto su ley: todo sistema que realice un trabajo siempre tendr prdidas de energa calorfica, que se manifiestan de diversas formas: por ejemplo, la friccin de las ruedas en el pavimento, el rozamiento de un pistn en un motor, la

transpiracin del cuerpo humano, etctera. Por lo tanto, una parte de la energa empleada para realizar un trabajo se transforma inevitablemente en energa calorfica y por ello la eficiencia de cualquier mquina trmica nunca ser de 100 por ciento. En los sistemas de conversin de energa, por ejemplo en una presa, la eficiencia se define como el cociente de la energa til que se extrae del sistema, dividida entre la energa que entra al mismo. Como la primera siempre ser menor que la segunda, la eficiencia de conversin de cualquier mquina, planta, central o dispositivo siempre ser menor que 1 o, expresado en porcentajes, menor que el 100 por ciento. Otro concepto fundamental que ya habamos mencionado es el de potencia, que se define como la rapidez con la que se realiza un trabajo; o en otras palabras, la energa consumida por unidad de tiempo. La figura 6 muestra la potencia mxima que pueden desarrollar diferentes mquinas utilizadas durante los ltimos 200 aos. Como puede apreciarse, en este sentido el buey es superior al hombre.

Figura 6. Potencia de diferentes mquinas. (Tomado y adaptado de Scientific American, La energa, Alianza Editorial, num. 561, Madrid, 1975.) Ya mencionamos que las unidades de energa que se utilizan comnmente son los kilowatts-hora; asimismo, las de potencia son los kilowatts. Los rayos del Sol proporcionan energa radiante o radiacin y como se haba explicado antes, no es otra cosa que una onda electromagntica o millones de fotones de diferentes frecuencias. Para medir la cantidad de energa que llega del Sol se emplea como unidad el watt-hora y para conocer la potencia de dicha radiacin se usa el watt. Sin embargo, en el caso del aprovechamiento de la energa solar, lo que interesa es la cantidad de energa por unidad de tiempo y por unidad de rea que llega perpendicularmente a la superficie terrestre. Esta cantidad se denomina irradiancia, intensidad de la radiacin, soleamiento o insolacin y las unidades para medirla son los watts/m y el langley/da. La Tierra gira alrededor del Sol en un movimiento que se denomina traslacin y que realiza durante un ao. La trayectoria que describe nuestro planeta es una elipse que se acerca a una trayectoria circular; el Sol se encuentra en uno de los dos centros de esta elipse, denominados focos. El movimiento de la Tierra y de la mayor parte de los planetas tiene lugar en un plano, llamado eclptica. Como el Sol est en uno de los focos de la elipse, nuestro planeta est ms cerca del Sol en una poca y ms lejos en otra. La Tierra alcanza su mxima aproximacin al Sol cuando se encuentra a 1.45 x 108 km, posicin llamada perihelio, a la que llega hacia el 4 de enero de cada ao. A partir de ese punto se va alejando del Sol, hasta que, hacia el 5 de julio de cada ao, alcanza la posicin ms separada, su afelio, a 1.54 x 108 km de distancia. Pero nuestro planeta no slo se mueve alrededor del Sol, sino que gira en torno a un eje imaginario, en un movimiento que se llama rotacin. El eje de rotacin de la Tierra no es perpendicular al plano de la eclptica, sino que forma un ngulo de 23.45.

Si medimos el ngulo que forman los trpicos de Cncer y de Capricornio con respecto al ecuador, desde el centro de la Tierra, el primero ser de + 23.45 y el segundo de - 23.45. Esta inclinacin del eje de la Tierra con respecto al plano de la eclptica es lo que ocasiona fundamentalmente las estaciones y, por lo tanto, la cantidad de radiacin que recibimos del Sol, en cada caso. En el solsticio de invierno, el 21 de diciembre4, los rayos solares llegan al Hemisferio Norte durante menos tiempo, porque es el da ms corto del ao, y el Sol se encuentra al medioda en el punto ms bajo del cielo; en consecuencia, en el da el soleamiento es mnimo. En el Hemisferio Sur ocurre lo contrario. Posteriormente, el 21 de marzo, en el equinoccio de primavera, cuando el da y la noche duran lo mismo, el soleamiento es igual en ambos hemisferios y el Sol al medioda cae verticalmente sobre el ecuador, pero el eje de rotacin de la Tierra forma un ngulo de 23.45 con respecto a la perpendicular del plano de la eclptica y, por lo tanto, este plano imaginario corta a la Tierra formando un ngulo tambin de 23.45 respecto al ecuador. En el solsticio de verano, que ocurre el 22 de junio, los rayos solares llegan al Hemisferio Norte durante ms tiempo, porque es el da ms largo del ao y el Sol alcanza el punto ms alto en el cielo; ste es el caso Mxico. Por lo tanto, en el Hemisferio Norte en ese da ocurre el soleamiento mximo. En el Hemisferio Sur ocurre lo opuesto. Finalmente, el 22 o 23 de septiembre, en el equinoccio de otoo, se repite la misma situacin que en el equinoccio de primavera, da y noche duran lo mismo en ambos hemisferios y el soleamiento es intermedio entre los puntos mximo y mnimo (solsticios de verano e invierno en el Hemisferio Norte, o al contrario en el Sur) y el eje de la Tierra forma un ngulo de 23.45 con respecto al ecuador. En la figura 7 se muestra en forma grfica cada uno de los cuatro casos.

Figura 7. Radiacin solar durante los solsticios y los equinoccios. Para comprender mejor cmo llegan los rayos solares en los equinoccios y los solsticios, en la figura 8 se muestra la trayectoria aparente del Sol en las cuatro situaciones, vista desde la latitud de la ciudad de Mxico o de Colima.

Figura 8. Trayectoria del Sol desde una latitud de 16 N como la de la ciudad de Mxico o la de Colima, durante los solsticios y los equinoccios. (Tomado de: Everardo Hernndez et al., Atlas de la Repblica Mexicana, Universidad Veracruzana, 1991.) Cuando los rayos de Sol llegan perpendicularmente a una superficie es cuando puede aprovecharse la mayor cantidad de radiacin; por eso, la cantidad de radiacin que recibe nuestro planeta depende de la inclinacin de los rayos solares. La radiacin que llega a la Tierra es variable y dichos cambios deben conocerse para saber la cantidad de radiacin que puede aprovecharse en cada lugar del planeta. En otras palabras, la radiacin solar no es constante sino que cambia segn las estaciones del ao, las condiciones atmosfricas y la latitud de cada regin. Pese a lo anterior, para todo fin prctico se considera que en el lmite superior de nuestra atmsfera llega una cantidad de radiacin promedio por unidad de tiempo por cada m, que se denomina constante solar. El valor de esta constante es igual a 1 367 watts/m. Esto quiere decir que en el borde de la atmsfera, a cada m le llegan 1 367 watts de potencia solar. Si consideramos la mitad de la superficie de la Tierra (debido a la noche) se tendra una energa de 1.7 X 1017 watts-hora cada 60 minutos de Sol, cantidad muy superior a la energa elctrica que se genera en todo el mundo a lo largo de un ao (7 X 1015 Wh). Sin embargo, la atmsfera y la eficiencia de los sistemas solares ocasionan que esta cantidad sea mucho menor (2.16 X 1020 Wh/ ao). La Tierra tiene una atmsfera cuyo lmite se fija convencionalmente a 2 000 km de altura sobre la superficie y est compuesta de las siguientes capas: troposfera, estratosfera, ionosfera y exosfera. sta funciona como un gran invernadero, que guarda parte del calor proveniente del Sol; el efecto de invernadero permite que la temperatura terrestre no sea la de un tmpano de hielo. Sin embargo, el efecto invernadero tambin puede provocar un calentamiento global del planeta, lo cual ocasionara daos ecolgicos. Para entenderlo se debe mencionar que cuando la radiacin llega a un objeto, ste la absorbe y a su vez emite una radiacin en forma de ondas electromagnticas que no necesariamente tiene la misma longitud de onda. El Sol emite una radiacin caracterizada por el espectro solar. Esa radiacin es absorbida por el sistema atmsferaTierra. Dicho sistema atmsfera-Tierra se calienta y a su vez emite una radiacin de caractersticas diferentes a la absorbida. A pequea escala, si los rayos solares llegan a un invernadero, el vidrio o los vidrios dejan pasar la longitud de onda corta, y el suelo y las plantas absorben esa radiacin, pero, a su vez, emiten una radiacin de longitud de onda larga. Esta radiacin de onda larga no puede salir porque el vidrio no deja pasar esa radiacin. As, como el calor no puede salir se eleva la temperatura en el interior del invernadero. En nuestra atmsfera ocurre un efecto similar. Para saber cul es la cantidad de radiacin que llega a la superficie de nuestro planeta y no slo a la frontera de la atmsfera, debe hacerse un anlisis global de los diferentes procesos fsicos y qumicos que tienen lugar desde que la radiacin solar atraviesa la atmsfera hasta que llega a la superficie terrestre. Este proceso global se llama balance energtico de la radiacin solar.

Hacer un balance preciso de la radiacin solar resulta una tarea compleja. Hasta ahora slo se han hecho aproximaciones. Por otro lado, la radiacin solar que recibe cada punto de la Tierra vara, dependiendo de la radiacin directa y difusa que reciba. Por ello, hablar de un balance global resulta una aproximacin de la radiacin promedio anual que recibe la superficie terrestre, aunque permite darse una idea de lo que sucede. Solamente 47% de la radiacin solar que absorbe nuestra atmsfera llega a la superficie terrestre; 31% directa y 16% indirectamente, como radiacin que se difunde en la atmsfera y se denomina, por ello, radiacin difusa. Por otro lado, la radiacin solar que se desaprovecha se divide en los siguientes porcentajes: 28% se va al espacio exterior por reflexin en la capa superior de la atmsfera, 6% se pierde por difusin de aerosoles5, 7 % se refleja en el suelo terrestre y 17% lo absorben las distintas capas de la atmsfera. La suma de estas prdidas da un total de 53 por ciento (vase figura 9).

Figura 9. Balance energtico de la radiacin solar para longitudes de onda corta ( 4mm). Por lo tanto, en los diferentes dispositivos solares se puede aprovechar, en promedio, 47% de la radiacin que llega fuera de la atmsfera. Pero esto slo ocurre con la radiacin solar de onda corta (menor de 4 micrmetros). La Tierra absorbe esa radiacin (47%), pero a su vez emite radiacin de onda larga, tal y como ocurre en un invernadero. Posteriormente, de esa radiacin de onda larga (mayor de 4 micrmetros) que emite nuestro planeta, 18% sale de la atmsfera. De esa manera, nicamente 29% (47-18=29%) de la radiacin total absorbida queda en nuestro planeta. En la figura 9 se muestra este balance energtico. El aprovechamiento de la energa solar se refiere a la conversin directa de la radiacin solar en calor y en electricidad, llamadas conversin fototrmica y fotovoltaica, respectivamente. La energa solar es la causa indirecta de que pueda aprovecharse la energa que proporcionan las plantas y los animales, mejor conocida como biomasa. Tambin al Sol se deben los movimientos de las diferentes masas de aire que ocasionan los vientos; as, la energa elica o de los vientos es indirectamente energa solar. Adems, el depsito de organismos que alguna vez estuvieron vivos en las capas de la corteza terrestre no es otra cosa que los componentes del petrleo y el carbn. De esa manera, los combustibles fsiles son tambin indirectamente producto de la energa solar. Finalmente, la energa hidroelctrica proviene de una enorme mquina trmica, cuyo combustible es precisamente la energa solar. Cuando los rayos del Sol calientan el agua de la Tierra se produce vapor de agua; ste se eleva formando nubes; ah, el vapor de agua se condensa y se precipita, lo que aumenta el nivel de agua de, por ejemplo, una presa. Como se mencion antes, los movimientos de rotacin y traslacin de la Tierra hacen que vare la cantidad de radiacin que recibe el planeta. As, para conocer la radiacin por unidad de tiempo por unidad de superficie que recibe un lugar determinado de la Tierra, deben conocerse varios parmetros como la latitud y la longitud geogrficas, la altura sobre el nivel del mar, la concentracin de vapor de agua y la concentracin de bixido de carbono en la atmsfera. La medicin de estas variaciones ha permitido hacer un mapa mundial de la radiacin mensual que reciben diferentes lugares de la Tierra (vase figura 10). Por ejemplo, la latitud y la longitud de Ciudad Universitaria en el Distrito Federal, es 1920' Norte y 9911' Oeste y el promedio de radiacin anual por da

en el ao de 1966 fue de 5.278 kWh/ m. Esto quiere decir que en promedio cada m de Ciudad Universitaria recibi ese ao 5.278 kWh por da. Si esa energa pudiera aprovecharse sera suficiente para satisfacer el consumo de electricidad de un departamento comn.

Figura 10. Radiacin total mundial (durante el mes de julio de 1966.) (Tomado y adaptado del Solar Energy, Universidad de Wisconsin, julio, 1966.) En la figura 11 se muestra un mapa de soleamiento o insolacin para la Repblica Mexicana y cada una de las lneas corresponde a los lugares que reciben la misma cantidad de radiacin. Como puede apreciarse, los estados de Sonora y Baja California son los que reciben anualmente mayor cantidad de Sol. Por otro lado, cabe sealar que la ciudad de Mxico se encuentra entre las cinco ciudades del mundo que reciben mayor cantidad de radiacin solar.

Figura 11. Radiacin solar en la Republica Mexicana. (Tomado y adaptado de Alternativas Energeticas, Alonso C., A y Rodrguez V., L; datos de Galindo, I. Y Chvez A.)

1.5. CMO SE APROVECHA TANTO SOL? Los principales sistemas y dispositivos solares pueden clasificarse no slo como fototrmicos y fotovoltaicos, sino tambin conforme a su temperatura de operacin. En los fototrmicos, la temperatura puede ser baja, intermedia o alta. Tambin pueden clasificarse de acuerdo con su uso en viviendas, industrias, en el campo o en la ciudad, para satisfacer la demanda de energa del pas o en comunidades rurales (sistemas de generacin de energa centralizados o descentralizados).

En la figura 12 se muestran algunos de los sistemas y dispositivos solares ms utilizados de acuerdo con la clasificacin anterior.

Figura 12. Diferentes dispositivos y tipos de sistemas solares. 1.6. COLECTORES PLANOS Y TUBULARES El calor se transmite siempre de los cuerpos calientes a los fros, y nunca de manera inversa. Existen tres formas de transmitir el calor: por radiacin, por conveccin y por conduccin. Para comprender mejor las diferentes formas de transmisin del calor, veamos un ejemplo cotidiano. Si tomamos el Sol en la playa y pasan algunas horas observamos que nuestra piel se quem; el Sol emite energa radiante compuesta de fotones u ondas electromagnticas. Dicha radiacin atraviesa la atmsfera y llega en un da despejado al nivel del mar a la superficie como 4% de rayos ultravioleta, 46% de radiacin visible y 50% de rayos infrarrojos. Cualquier cuerpo al que le llegue radiacin tiene la propiedad de absorberla, produciendo calor que a su vez ocasiona que se eleve la temperatura. Volviendo al caso de nuestro cuerpo, ste absorbe la radiacin solar y una de las formas en que sta se manifiesta es en los rayos ultravioleta que queman la piel. Si nos levantamos rpidamente, huyendo del calor excesivo, notaremos que una brisa nos refresca un poco. Los vientos se originan por las diferencias de temperatura que existen entre distintas capas de la atmsfera y por la rotacin de la Tierra, y as se crean corrientes de aire llamadas de conveccin, a travs de las cuales el calor se distribuye en la atmsfera terrestre. La transmisin por conveccin ocurre tambin en lquidos, por ejemplo cuando hervimos agua. Por lo tanto, si seguimos con el ejemplo anterior, nuestro cuerpo (que est ms caliente) habr transmitido parte de su calor a la corriente de conveccin de la brisa y como resultado final percibimos menos calor. Si caminamos descalzos sobre la arena nos percataremos rpidamente de la conduccin del calor: tendremos que correr para no quemarnos las plantas de los pies, debido a la transmisin de calor por conduccin de la arena a nuestros pies. En los sistemas solares fototrmicos se deben aprovechar al mximo estas formas de transmisin de calor o, visto de otra manera, tienen que evitarse las prdidas de calor por estas tres formas de transmisin. Entre los sistemas que convierten la energa solar en calor aprovechable se encuentran los colectores planos y tubulares, que se utilizan principalmente para el calentamiento de agua o aire. El principio general de funcionamiento de un colector es el llamado efecto invernadero; aqu hay que recalcar que nuestra atmsfera opera como un gran invernadero. Como se dijo anteriormente, cuando la luz pasa a travs de una o varias capas de vidrio u otro material transparente se transmite la radiacin que tiene una longitud de onda corta. Si en el interior de un sistema con un vidrio perfectamente aislado del exterior se coloca un material pintado de

negro (el color que absorbe mayor cantidad de radiacin) para que absorba al mximo la radiacin, el material absorber la radiacin solar, se calentar y se elevar la temperatura; posteriormente, ese material emitir a su vez radiacin de longitud de onda larga, como los rayos infrarrojos lejanos a la parte visible del espectro. La radiacin emitida depender de la temperatura que posea el material.6 Pero como la radiacin es ahora de longitud de onda larga no podr atravesar la capa de vidrio, quedar atrapada en el interior y, en consecuencia, provocar que la parte interna del colector est a una temperatura ms elevada que el exterior, tal y como sucede al entrar a un invernadero. Si en el interior de una caja, con uno de sus lados de vidrio, se coloca una serie de tubos que conduzcan adecuadamente el calor y por los que circule agua, se obtendr agua calentada por el Sol. Asimismo, el color que poseen los objetos est directamente relacionado con la absorcin, reflexin y transmisin de la radiacin solar. Por ejemplo, las hojas son verdes porque de todos los rayos que reciben, nicamente reflejan aquellos cuya longitud de onda corresponde al color verde; el resto de radiacin visible que tiene otras longitudes de onda es absorbida por la hoja. Una hoja de papel blanco, en cambio, refleja la radiacin de todas las longitudes de onda que le llegan y por eso la vemos blanca. En contraposicin con el blanco, el color negro absorbe todas las longitudes de onda. En la Parte I del Libro III de la ptica, Newton se refiere a dicho fenmeno como sigue: "Acaso la luz no engendra calor en los cuerpos negros con mayor facilidad que con los de otros colores, debido a que al incidir sobre ellos no se refleja hacia afuera, sino que, penetrando en ellos, se refracta y refleja muchas veces en su interior hasta que se absorbe y pierde? [se refiere a la emisin de calor]". La combinacin del efecto invernadero, la absorcin de radiacin de los objetos negros y el aislamiento para evitar las prdidas de calor constituyen los principios fsicos fundamentales para comprender el funcionamiento de un colector plano o tubular. Existen tres tipos de colectores: planos, tubulares y de concentracin. Los colectores planos funcionan a bajas temperaturas, entre 80 y 60C, y se utilizan principalmente para calentar o enfriar agua y aire en las casas, pero tambin para secar granos, obtener agua potable, en albercas, lavanderas, baos pblicos, embotelladoras, refrigeracin, etctera. Los colectores planos tienen una eficiencia del 40 al 65% y hasta ahora son los dispositivos solares ms desarrollados y utilizados en el mundo. Sin embargo, para obtener temperaturas ms altas, entre 60 y 165C, se utilizan los colectores tubulares. stos consisten en dos o tres tubos, dos interiores de metal y uno exterior de vidrio, generalmente concntricos. Entre el tubo de vidrio y el tubo metlico externo, que debe ser negro (y puede ser de cobre) se hace el vaco (vase figura 13), ya que la forma tubular permite que los tubos soporten grandes presiones, as como captar la mayor cantidad de radiacin solar. Debe sealarse que se hace el vaco para reducir las prdidas de calor por conduccin y conveccin, con lo cual se consiguen temperaturas ms elevadas. El resultado final es que en los colectores tubulares la prdida de calor por conveccin y conduccin se reduce considerablemente, la temperatura de operacin aumenta y su eficiencia real oscila entre 60 y 70%. Los colectores planos y tubulares tienen la ventaja de que funcionan tanto con radiacin difusa como directa. Los colectores de concentracin, por su parte, renen la radiacin solar en un punto o una lnea y permiten alcanzar altas temperaturas; pueden estar fijos o seguir el movimiento del Sol (stos se describirn ms adelante).

Figura 13. Colectores tubulares. I.7. EL CALENTADOR SOLAR Tal vez la aplicacin ms sencilla y econmica que tienen los colectores planos sea el calentador solar con tanque de almacenamiento. Los colectores planos deben orientarse hacia el sur en el Hemisferio Norte (como es el caso de Mxico). A partir de clculos complejos de la radiacin mxima que recibe una superficie inclinada, en los que intervienen consideraciones tericas y empricas, la mxima captacin de un colector plano se logra cuando el ngulo de inclinacin es aproximadamente igual a la latitud geogrfica del lugar. Esto permite lograr una incidencia mxima en todas las pocas del ao. En el caso de la ciudad de Mxico, un colector debe tener una inclinacin de 19. Una segunda aproximacin demuestra que en verano la inclinacin del colector debe ser igual a la latitud del lugar menos 10 y, en invierno, la latitud del lugar ms 10. Para la capital esto equivale a 9 en verano y 29 en invierno. Para construir un colector plano puede usarse una caja de aluminio anodizado (para reducir costos, la tapa posterior de la caja puede ser de aluminio comn). La caja del colector debe tener una superficie aproximada de 1.5 m y 10 cm de espesor (vase la figura 14).

Figura 14. Colector plano para un calentador solar. La tapa superior del colector, por donde llegan los rayos solares, puede ser de vidrio o de fibra de vidrio y tener una segunda capa de vidrio, colocada aproximadamente a 7.5 cm de la base. La caja debe estar perfectamente sellada para evitar prdidas de calor y el deterioro de los materiales, y tener dos salidas de agua. En el interior lleva una lmina con tubos soldados pintados de negro (por ejemplo, cromo negro electrodepositado sobre un recubrimiento de nquel) para que absorba y transmita la mayor cantidad de radiacin. Los tubos pueden ser de cobre y deben estar uniformemente repartidos en forma de peine para que circule el agua por toda el rea del colector. La siguiente capa debe ser aislante (espuma de poliuretano rgida, por ejemplo) para impedir que el calor fluya hacia la parte posterior del colector. Hasta ahora se ha descrito una parte del calentador, la otra es el sistema de almacenamiento. Como el Sol es una fuente de energa intermitente, se requiere un tanque para que el calentador solar d servicio continuo. La ventaja de los colectores planos es que funcionan con la radiacin difusa, esto es, incluso cuando el cielo est nublado, aunque obviamente la potencia disminuye Como sistema de almacenamiento de un calentador solar sencillo puede utilizarse un tanque cilndrico de acero con una capacidad aproximada de 200 litros. El tanque debe colocarse arriba del colector (con 1 m de altura de diferencia para fines prcticos); debe tener dos salidas y dos entradas de agua, para que dos de ellas vayan al colector y el flujo de agua viaje continuamente debido al efecto de termosifn. El tanque tiene dos tubos en la parte superior; por uno entra el agua fra, que va hasta el fondo del mismo, y por el otro sale el agua caliente. Como el agua fra es ms densa que la caliente, al llegar a la parte inferior del colector, y que es donde se calienta, tender a subir para salir y almacenarse en el tanque. Este ciclo se realiza sin necesidad de bombear agua debido al efecto termosifn antes mencionado. La diferencia de densidad entre las capas de agua crea una fuerza que induce una corriente, la cual hace que el agua circule continuamente (vase figura 14). Con un colector solar de este tipo pueden calentarse 200 litros de agua a una temperatura de 30 a 60 C; incorporado a una vivienda puede resolver el abastecimiento de agua caliente y su costo, para cuatro personas, es de aproximadamente 350 nuevos pesos (adems, no hay que olvidar el ahorro de gas). Existen otros tipos de colectores planos que tienen otros diseos y sistemas de almacenamiento, en algunos casos ms eficientes, pero ms costosos y complejos.

1.8. EL SOL EN UN PUNTO O EN UNA LNEA Cuando se desea calentar a temperaturas elevadas un lquido, slido o gas se emplean los llamados colectores de concentracin, que aprovechan la radiacin solar directa. Para lograr un aprovechamiento mximo, estos colectores deben tener un mecanismo que les permita seguir el movimiento del Sol a lo largo del da, con el objeto de que sea mayor la intensidad de la radiacin. Esto se puede lograr manualmente o con un pequeo motor unido al colector. Este tipo de colectores se denomina de seguimiento. Existen tambin los colectores estticos que, aunque poseen una forma geomtrica ms adecuada para que permanezcan inmviles, son menos eficientes (vase figuras 15 y 16).

Figura 15. Colectores solares de concentracin con seguimiento del Sol. (Tomado y adaptado de Alonso C., A y Rodrguez V., L., Alternativas energeticas, FCE-CONACYT, Mxico, 1985.)

Figura 16. Colectores solares de concentracin estticos o sin seguimiento del Sol. (Tomado y adaptado de Alonso C., A y Rodrguez V., L., Alternativas energeticas, FCE-CONACYT, Mxico, 1985.) En las figuras 15 y 16 se muestran algunas de las formas tpicas de ambos tipos de colectores.

Los rayos solares se concentran en un punto o a lo largo de una lnea, dependiendo de la forma que tenga el colector. Si utilizamos una lupa para concentrar la luz del Sol, se observa fcilmente que a cierta distancia, llamada distancia focal, los rayos solares se concentran en un punto denominado foco de la lente. Si en ese punto colocamos por ejemplo, un trocito de papel celofn, ste arder rpidamente. Pero si en lugar de una lupa, usamos un espejo cncavo cuya forma sea un paraboloide de revolucin (vase la figura 17), se logra tambin la concentracin de los rayos solares en un punto, con la gran ventaja de que es mucho ms econmico hacer un espejo cncavo que una lente. Comnmente se utilizan acrlicos aluminizados por electrodepositado. Estos colectores tienen una eficiencia de 40 a 60% y cuando son de pequeas dimensiones alcanzan temperaturas de 100 a 300C.

Figura 17. Espejo cncavo en forma de paraboloide de revolucin. ste concentra los rayos solares en un punto y puede alcanzar temperaturas elevadas. Las antenas parablicas instaladas en las azoteas de algunas casas tienen la forma de paraboloide de revolucin. As que dichas antenas tambin podran utilizarse como bases para hornos solares, siempre y cuando tuvieran un espejo (y tal vez seran ms tiles). Para concentrar los rayos solares en una lnea pueden emplearse varias configuraciones de espejos. La ms comn es un cilindro parablico y el casquete de esfera (vase la figura 18).

Figura 18. Concentracin de los rayos solares en una lnea. Los colectores de concentracin tienen diversas aplicaciones, entre las que se encuentran las estufas o cocinas solares. Basta colocar el sartn en el foco del espejo concentrador para preparar cualquier platillo y calcular que la curvatura del colector sea la adecuada para que el punto donde se concentran los rayos solares no est alejado del colector. Aqu debe aclararse que como el Sol no es un punto, en realidad se trata de una zona alrededor del foco del espejo, en la cual la temperatura es mxima. Los colectores de concentracin pueden emplearse como hornos solares, para fundir cualquier material o adaptarse a un motor Stirling para el bombeo de agua o en la ventilacin. En regiones con insolacin intensa pueden emplearse a mediana escala para la generacin de energa elctrica en plantas de potencia de 1 a 100 MW. La cantidad de energa captada en el colector depende del tamao de la superficie expuesta a los rayos del Sol, mientras mayor sea la superficie de captacin la temperatura focal ser ms alta. Los heliostatos se utilizan para aprovechar una gran extensin. stos consisten en un espejo cncavo, formado por muchos espejos planos, en cuyo centro hay una torre central, en la cual se concentra la energa solar. Dichos colectores pueden estar fijos o puede ser que cada uno de los espejos que constituyen el heliostato tenga un motor programado para seguir el movimiento aparente del Sol (vase la figura 19).

Figura 19. Heliostatos. Conjunto de espejos que concentran los rayos solares en una o varias lneas o en una zona pequea. Con los heliostatos se consiguen temperaturas muy elevadas y se pueden utilizar para generar energa elctrica.

I.9. ESTANQUES SOLARES El aprovechamiento del calor solar a travs de estanques con agua salada se origin en 1901 cuando A. V. Kalecsinsky se percat de que en el lago de Medve, en Hungra, la temperatura que alcanzaba el agua en verano a una proflindidad de 1.32 m era de 72C; ms que suficiente para un buen bao de agua caliente. El mismo fenmeno ocurre en diferentes lagos del mundo. En Mxico existen varios estanques solares naturales, entre los que se encuentran los de Guerrero Negro y Texcoco. En 1954, en Israel se empez a experimentar con estanques solares artificiales para aprovechar el calor solar almacenado en el fondo (los pioneros fueron Rudolph Broch y Harry Tabor) y la experiencia israel culmin en el ao de 1979 con la construccin de la primera planta termoelctrica que utiliza