De la combustión a la fusión: El papel de la química en nuestra energía

A lo largo de la historia de la humanidad, uno de los grandes retos a los que se ha enfrentado repetidamente el ser humano ha sido la obtención de energía. Primero, en la obtención de energía para nuestro cuerpo (alimentos); luego, en la obtención de una fuente de luz y calor que permitiera mantener nuestra temperatura corporal y facilitar el preparado de los alimentos; y finalmente, en la obtención de la energía necesaria para el desarrollo de todas las actividades modernas. La mayoría de esas fuentes energéticas, salvo algunas más novedosas, se han centrado siempre en la combustión. La misma combustión que nos permite generar la energía con la que funcionan nuestros electrodomésticos y nuestras fábricas. Por lo general, este tipo de energía se obtiene a través de centrales termoeléctricas, donde la energía térmica proveniente de la combustión de combustibles fósiles se emplea para generar vapor de agua que provoca el movimiento de una serie de turbinas a través de las cuales se obtiene electricidad. Sin embargo, como todos sabemos, este tipo de centrales genera un impacto ambiental muy elevado. Al quemar combustibles fósiles, no sólo se generan gases de efecto invernadero, sino también otros gases nocivos y tóxicos como los óxidos de nitrógeno. Por este motivo, la búsqueda de fuentes de energía alternativa sigue siendo una prioridad a día de hoy.

Aunque son muchas las disciplinas científicas involucradas en esta tarea, la química ostenta un papel muy relevante en esta búsqueda. Para empezar, dentro de la categoría de centrales termoeléctricas, las que generan electricidad a partir de energía térmica, también podemos encontrar las centrales nucleares. Sin embargo, en este caso, la energía térmica necesaria para mover las turbinas de vapor procede de la fisión de un combustible nuclear. Aunque esta fuente energética no genera gases de efecto invernadero ni otros gases nocivos, presenta el problema de la gestión del material radiactivo y sus residuos. Por suerte, los modernos reactores han ganado mayor eficiencia, mayor seguridad y capacidad de reciclaje del combustible nuclear. Y es en estas mejores donde aparece el papel preponderante de la química. En este sector, el de la química nuclear, los químicos trabajan para mejorar la eficiencia y la seguridad de las fuentes de energía nuclear y los métodos de almacenamiento y eliminación de los residuos radiactivos. Compuestos como el óxido de uranio, utilizados como combustible, el uranio-238, el plutonio como residuo, y elementos como el boro y el cadmio, empleados para las barras de control, son algunos de los múltiples elementos químicos manipulados en las centrales nucleares. De hecho, el Santo Grial para la obtención de una energía barata, limpia y sostenible está también en la energía nuclear. Pero esta vez no se centra en la fisión del núcleo como en las centrales actuales, sino en la fusión del núcleo como el de las bombas de hidrógeno. En lugar de romper núcleos muy pesados (uranio) para obtener energía, en la fusión nuclear se unen núcleos livianos (hidrógeno) con el mismo propósito, pero generando 10 millones de veces más energía que con la fisión. Por desgracia, todavía quedan varios años, e incluso décadas, para que la tecnología necesaria para este proceso se pueda poner en marcha. El primer reto que se debe afrontar es salvar las extremas condiciones en las que se produce la reacción: millones de grados centígrados de temperatura y presiones muy elevadas. Una tarea que requiere una coordinación interdisciplinar de un elevado número de científicos.

Esquema simplificado de la fusión y fisión nuclear (Fuente: Nucleonova)

Existen dos tipos de reactores de fusión nuclear: el de confinamiento magnético y el de confinamiento inercial. En el primero, se emplea un campo magnético para confinar un plasma caliente de iones (consultar artículo) que sufrirán la fusión. En el segundo, se disparan pulsos de láser a una minúscula pastilla de deuterio y tritio (isótopos de hidrógeno) en cuyas capas interiores se provoca la fusión de ambos isótopos. Este último método es el que parece haber cosechado mayor éxito recientemente. Concretamente, en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore se ha conseguido obtener más energía por fusión nuclear que la requerida para realizar el proceso. Sin embargo, en ambas tecnologías, los materiales con los que están hechos los reactores presentan un papel clave en el proceso, y es aquí donde los químicos desempeñan un rol esencial. Elementos como el wolframio, el litio, el berilio, así como sus combinaciones, son indispensables para lograr los objetivos establecidos, por no hablar de los propios elementos empleados como combustible: el tritio y el deuterio. Además, en el caso del confinamiento magnético, surge otra variable, la necesidad de más y mejores imanes basados en materiales superconductores. A pesar de todo lo mencionado, como ya se ha indicado, la fusión nuclear es una fuente energética del futuro, no del presente, por lo que el empleo de energías renovables y limpias, que no usen combustibles fósiles, tendrá que seguir siendo una parte importante de nuestras fuentes energéticas durante un tiempo.

De entre todas las energías procedentes de fuentes renovables como la eólica, la hidroeléctrica, la geotérmica o la mareomotriz, tal vez sea en la energía solar en la que la química tiene más que decir. Primero, debemos tener en cuenta que la energía solar ha sido empleada por los seres vivos desde el comienzo de la vida en nuestro planeta. Seguro que se te ha venido a la mente el motivo: la fotosíntesis. Un proceso empleado por bacterias, plantas y protistas para fabricar carbohidratos a partir de la energía del sol, agua y dióxido de carbono. Toda una obra maestra de la química desarrollada por la evolución. Los seres humanos también la hemos empleado desde la antigüedad, pero en la actualidad la empleamos como fuente de energía renovable. Existen dos tipos principales de tecnologías que nos permiten recoger parte de la inmensa cantidad de energía procedente del Sol: la térmica y la fotovoltaica. La primera se emplea para la producción directa de calor, como el caso del agua caliente sanitaria. La segunda, por su parte, emplea la radiación solar directamente en la producción de energía eléctrica. Es en esta última donde la química muestra un papel muy relevante. Un panel solar típico consta de dos capas de semiconductores de silicio. A una de ellas se le añade boro para producir agujeros cargados positivamente (vacantes para ser ocupados por electrones) y se denomina de tipo “p” o positiva. En la otra capa se agrega fósforo, para crear un exceso de electrones y se le denomina de tipo “n” o negativa. Entre ambas capas, un campo eléctrico impide el movimiento de electrones. Cuando las dos capas se conectan en un circuito y la radiación solar incide en la capa negativa, la luz libera electrones por el efecto fotoeléctrico, y estos se desplazan a través del circuito generando una corriente eléctrica. Por desgracia, la eficiencia de este tipo de dispositivos sigue siendo muy reducida y un auténtico reto para los científicos. Por suerte, se están dando pasos agigantados en la utilización de otros materiales como la perovskita en el diseño de nuevas células solares. Además, también se está investigando el empleo de materiales orgánicos (polímeros) para estas células, aunque su eficiencia sigue siendo muy baja.

Funcionamiento de una placa solar (Fuente: Solarreviews)

Otro de los retos más importantes en la cuestión energética es el de las baterías. Ordenadores, móviles, coches… Todos contienen baterías y la tecnología necesaria para el almacenamiento energético es una de las cuestiones de vital importancia en esta materia. Mientras llega la ansiada fusión nuclear y la fisión nuclear sea percibida por una gran parte de la sociedad como algo negativo, el almacenamiento de de energía, bien a través de baterías, o bien a través de vectores como el hidrógeno, seguirá siendo un pilar esencial para el abandono de los combustibles fósiles de la transición energética. La historia de la acumulación de energía mediante una batería o una pila electroquímica surge en el año 1800, de la mano de Alessandro Volta, un científico italiano que desarrolló una pila que se podía encender y apagar a voluntad, conservando la carga mientras estaba desconectada. Esta pila voltaica es la precursora de las actuales baterías y, de hecho, la investigación se ha centrado más en mejorar la eficiencia (acumular más energía durante más tiempo) que en desarrollar nuevas baterías. Sin embargo, en la mejora de esta eficiencia se han testado innumerables materiales, lo que ha sido crucial para el desarrollo de esta tecnología. En la mayoría de los dispositivos actuales, empleamos la batería de iones de litio para acumular energía. Su funcionamiento se basa en un electrodo de carga positiva (cátodo) y en uno de carga negativa (ánodo). En la batería de litio, el cátodo suele ser de óxido de cobalto y litio, y el ánodo de grafito. Al cargar la batería, los iones de litio, a través del medio conductor, y los electrones, a través del circuito exterior, viajan hacia el grafito, donde se acumulan. Es como si tensásemos la cuerda de un arco. Luego, cuando conectamos la batería y se descarga la energía (soltar la cuerda y tirar la flecha), los iones de litio fluyen desde el grafito hacia el cátodo de óxido de cobalto y litio, a la vez que los electrones lo hacen a través del circuito exterior, alimentando el dispositivo que hayamos conectado a la batería. Gracias a estos avances, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino ganaron el Premio Nobel en 2019. Aun así hay numerosos aspectos susceptibles de mejora, como reducir la degradación del electrolito, mayor rapidez de carga, mayor almacenamiento de energía… Es aquí donde los químicos, junto a expertos de otras disciplinas, trabajan probando otros óxidos para una carga y descarga más rápida, usando ánodos de silicio para permitir almacenar más energía o desarrollando baterías de sodio, mucho más barato y abundante que el litio.

El cambio de una economía basada en la quema de combustibles fósiles a otra centrada en las energías renovables, tiene que pasar inexorablemente por conseguir la ansiada fusión nuclear y por la obtención de mejores baterías en cuanto al tiempo de descarga, autonomía y capacidad. Un reto mayúsculo para la humanidad en el que los químicos deben actuar como estandarte de nuestra especie.

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