La mini-magnetosfera de la Luna

Muchos objetos del Sistema Solar tienen potentes campos magnéticos que desvían las partículas cargadas del viento solar, creando una burbuja conocida como magnetosfera. En la Tierra, esto nos protege de parte de los dañinos rayos solares y los desvía creando las preciosas auroras. Aunque no con el mismo escudo (al menos por lo que sabemos), se han hallado espectáculos similares en los gigantes gaseosos, así como en muchos objetos de nuestro Sistema Solar que carecen de la capacidad de producir esos efectos, ya sea por su falta de un potente campo magnético (como Venus), o de una atmósfera con la que puedan interactuar las partículas cargadas (como Mercurio).

Aunque la Luna carece de ambos elementos, un nuevo estudio ha encontrado que aún puede producir “mini-magnetosferas” localizadas. El equipo responsable de este descubrimiento es un grupo internacional compuesto por astrónomos de Suecia, India, Suiza y Japón. Se basa en las observaciones de la nave Chandrayaan-1 producida y lanzada por la Organización India de Investigación Espacial (ISRO).

Usando este satélite, el equipo cartografió la densidad de átomos de hidrógeno dispersados que proceden del viento solar e impactan con la superficie siendo reflejados. Bajo condiciones normales, un 16-20% de los protones incidentes del viento solar son reflejados de esta forma.

Para aquellos excitados por encima de los 150 electrón-voltios (eV), el equipo encontró una región cerca de las antípodas Crisium (la región directamente opuesta al Mare Crisium en la Luna). Se descubrió anteriormente que esta región tenía anomalías magnéticas en las que la fuerza del campo magnético era de varios cientos de nanoteslas. El nuevo equipo encontró que el resultado de esto se debía al reflejo del viento solar incidente, lo que creaba una región con escudo de unos 360 kilómetros de diámetro rodeada por una “región de 300 kilómetros de grosor de flujo de plasma aumentado que procede del viento solar que fluye a 23 kilómetros alrededor de la mini-magnetosfera”. Aunque el flujo se agrupa, el equipo encontró que la carencia de un límite distintivo indica que no es probable que sea un arco de choque, el cual se crearía cuando la acumulación se hiciese lo bastante fuerza para interactuar directamente con partículas entrantes adicionales.

Por debajo de energías de 100 eV, el fenómeno parece desaparecer. Los investigadores sugieren que esto apunta a un mecanismo de formación diferente. Una posibilidad es que parte del flujo solar se filtre a través de la barrera magnética y sea reflejado creando estas energías. Otra es que, en lugar de núcleos de hidrógeno (que componen la mayoría del viento solar) éste es el producto de partículas alfa (núcleos de helio) o de otros iones más pesados del viento solar que impactan en la superficie.

No se discute en el artículo, cómo de valiosas podrían ser estas características para futuros astronautas que busquen crear una base en la Luna. Aunque el campo es relativamente fuerte para campos magnéticos locales, aún está unos dos órdenes de magnitud por debajo del de la Tierra. Por tanto, es improbable que este efecto sea suficientemente fuerte para proteger a una base, ni proporcionaría protección de los rayos-X y otra peligrosa radiación electromagnética de la que protege una atmósfera.

En cambio, este hallazgo se coloca más en el camino de la curiosidad científica, y puede ayudar a los astrónomos a cartografiar campos magnéticos locales, así como investigar el viento solar si se localizan tales mini-magnetosferas en otros cuerpos. Los autores sugieren que deberían buscarse tales características en Mercurio y asteroides.

Biografía de Stephen Hawking

Una estrella exuberante de los medios de comunicación, presa de una enfermedad mortal, Stephen Hawking parece haber heredado de Einstein el aura de la fama y la reputación de genio. El hombre es celebrado quizás, según algunos científicos, desproporcionadamente. Su libro Historia del tiempo, un gran bestseller, probablemente más vendido que leído, se convirtió en película contra todo lo razonable, y sería agradable creer que la cosmología se ha convertido en una lectura imprescindible para tener conversación en las fiestas sociales.

La verdad es que Hawking no sólo resulta atractivo por los progresos intelectuales que ha hecho, sino por haberlos hecho sin la menor colaboración de su cuerpo, un armazón tan débil que Hawking podría parecer una forma única de inteligencia descorporeizada. Sin embargo, la imagen no encaja con el hombre, cuyo magnetismo deriva en parte de su brillantez, su coraje y su vulnerabilidad; y en parte de su ingenio rápido, su debilidad por los pósters de Marilyn Monroe y su molesta humanidad.

Nacido el 8 de enero de 1942, en el tricentenario de la muerte de Galileo (dato que él cita a menudo), se crió en las afueras de Londres, dentro de ese tipo de hogar excéntrico que parece pasar por normal en Inglaterra. Aquello era, según su hermano menor Edward, «un poco como los Munsters»: la familia tenía abejas en el sótano. El padre, que pasaba buena parte del tiempo en Africa, era un médico especializado en investigación, pero Hawking rechazó la biología y a los catorce años estaba decidido a dedicarse a las matemáticas y a la física. Tres años después se matriculó en Oxford, se dejó crecer el cabello y procedió a despachar el trabajo académico. Popular entre los estudiantes y con fama de ser lo bastante inteligente para no estudiar, jugaba al bridge por las noches y durante el día hacía de timonel a los colegas que remaban; en una foto tomada en 1961 aparece sentado en la proa de un bote, elegante con el traje blanco y el sombrero de paja, junto a una fila de ocho hombres más grandes y con camisetas a rayas. «Steve y yo teníamos que estar en el río todas las mañanas, seis días a la semana -recordaba más tarde el físico Gordon Berry-. Algo tenía que perder, y fueron concretamente los laboratorios experimentales.»

De manera que cuando Hawking hizo los exámenes finales previos a la licenciatura, después de varios años de holgazanear en clase, sus notas se situaron en la frontera entre el sobresaliente y el notable. La admisión en Cambridge, la escuela por él elegida, exigía el sobresaliente. Convocado ante los examinadores, explicó la situación con toda franqueza. «Si saco sobresaliente iré a Cambridge -les dijo-. Si saco notable me quedaré en Oxford. Conque confio en que me darán ustedes el sobresaliente.» Y se lo dieron.

En Cambridge empeoraron sus ocasionales torpezas y la tendencia a articular mal las palabras, que ya había aparecido en Oxford. Se le hizo difícil anudarse los zapatos. El padre se dio cuenta de esos problemas durante unas vacaciones de Navidad. Hawking, que aún no tenía veintiún años, fue a un especialista y pocas semanas después se le diagnosticaba una esclerosis lateral amiotrófica, también llamada enfermedad de Lou Gehrig. Es una enfermedad degenerativa que hace que los músculos -pero no la inteligencia- se atrofien. La enfermedad, que por regla general afecta a personas de edad, progresó rápidamente al principio. Habiéndole dado dos años de vida, Hawking se sumió en la depresión. «Tuve la sensación de ser algo así como un personaje trágico -declaró a un entrevistador-. Me puse a escuchar a Wagner.»

Dos años después las cosas empezaron a mejorar. Se casó con Jane Wilde, una estudiante de bachillerato que había conocido antes del diagnóstico, y comenzó a aplicarse a lo suyo. Su tutor en la tesis, Dennis Sciama, recomendó a Hawking que conociera al matemático Roger Penrose, dedicado por entonces a estudiar qué ocurría cuando una estrella agota el combustible y se colapsa. Penrose demostró que, al expandirse el universo regido por la teoría de la relatividad general de Einstein, una vez que una estrella se colapsa más allá de un determinado punto, inevitablemente tiene que convertirse en una singularidad, el hipotético punto situado en el interior de los agujeros negros donde la materia se comprime hasta alcanzar una infinita densidad y donde el espacio, el tiempo y las leyes de la física dejan de operar. Estimulado por esta idea, Hawking se lanzó a la investigación de las estrellas completamente colapsadas y encontró el trabajo de su vida. Como ha observado el escritor Dennis Overbye, «Costaba no pensar en Hawking como en su propia metáfora».

Se le ocurrió a Hawking que, si una estrella podía colapsarse hasta ser una singularidad, el proceso también debía ser posible en dirección contraria. Una singularidad puede ser tanto un principio como un final. En cuyo caso el universo, que se sabía que estaba expandiéndose, podría haber comenzado como una singularidad. Hawking pudo demostrar algo más que esto: un universo que se expande infinitamente, demostró, debe haber comenzado en una singularidad.

Pero ¿qué pasa si el universo no se expande infinitamente? ¿Qué pasa si contiene la suficiente masa para que la explosión vaya perdiendo velocidad y se invierta, para acabar en la fatal implosión llamada el Big Crunch? ¿También ese universo tendría que haber comenzado en una singularidad? La respuesta, dijo Hawking, era sí. En 1970 publicó, junto con Penrose, un artículo donde demostraban que el universo debía haber empezado como la singularidad del Big Bang.

Aquel noviembre, mientras se preparaba para acostarse («Mi incapacidad hace que sea un proceso lento, con lo que me tomaba mucho tiempo»), Hawking tuvo otra ocurrencia: puesto que nada podía escapar de un agujero negro, éste nunca puede disminuir. Sólo puede seguir igual o aumentar; no se puede dividir, no se puede encoger, no puede volar hecho pedazos. Con cada nueva porción de materia que ingiere, su masa aumenta y el horizonte de sucesos se hincha un poco mas.

Un investigador de Princeton, Jacob Bekenstein, recogió la idea. Bekenstein vio un paralelismo entre los agujeros negros y la idea de entropía, la medida del caos azaroso dentro de un sistema. Según la segunda ley de la termodinámica, la cantidad de desorden de un sistema cerrado aumenta necesariamente con el tiempo; la entropía, como los agujeros negros, siempre crece. Puesto que todo sistema tiene entropía, cada vez que un agujero negro se traga otra porción de materia su entropía debe aumentar al mismo tiempo que su horizonte de sucesos. El tamaño del agujero negro y su cantidad de entropía podrían ser equivalentes.

Hawking rechazó la analogía. Su objeción era que en cualquier sistema con una cierta cantidad de desorden, o entropía, también tendría que haber temperatura, y todo lo que tiene temperatura, por baja que sea, emite radiaciones. «Pero por su misma definición los agujeros negros son objetos que se supone que no emiten nada», escribió. De ahí, decidió, que la comparación tenga que estar equivocada. Además, Bekenstein lo irritaba.

Dos fisicos soviéticos convencieron a Hawking de que considerara la posibilidad de que los agujeros negros pudieran, pese a todo, emitir partículas. Cuando Hawking repitió los cálculos encontró, «para mi sorpresa y fastidio, que incluso los agujeros negros sin rotación debían, al parecer, crear y emitir partículas de manera regular». En las conferencias, Hawking proyectaba una transparencia contra la pared en la que se leía la sencilla frase: «Yo estaba equivocado».

Llegó a esta conclusión estudiando los agujeros negros desde la perspectiva de la mecánica cuántica y del principio de incertidumbre, para los que el espacio nunca está del todo vacío. Más bien está poblado por pares vagabundos de partículas «virtuales» -gemelos de materia y antimateria- que oscilan entre la existencia y la aniquilación, todo en una fracción de fracción de nanosegundo, demasiado rápido para poderse observar. Hawking propuso que si tales pares aparecieran cerca del horizonte de sucesos, la partícula de antimateria podría ser absorbida por el agujero negro, mientras la otra, poquísimo más lejos, podría pasar más allá del monstruo y caer en el universo cotidiano. La partícula parecería estar brotando del agujero negro. En cuyo caso, en palabras de Hawking, «Los agujeros negros no son tan negros».

La radiación del agujero negro no procede en realidad del agujero negro propiamente dicho sino de la capa de espacio que lo rodea. Sin embargo, la llamada radiación de Hawking tiene un peaje en el agujero negro, pues al entrar la partícula arremolinándose hacia la eternidad, como cae el agua por un sumidero, para nunca volver, su compañera viuda, que no puede aniquilarse en ausencia del socio, no tiene más remedio que convertirse en materia.

Lo cual exige energía. Esa energía tiene que proceder del agujero negro. Pero la energía, nos enseñó Einstein, no es más que otra forma de la masa, y viceversa. De manera que cuando un agujero negro da a la partícula virtual una pizca de energía, también pierde una minúscula cantidad de masa, lo cual supuestamente no puede ocurrir. El agujero negro se encoge un poco y radia más deprisa.

En último término los agujeros negros se evaporan mediante una fuerte explosión equivalente a mil millones de bombas de hidrógeno de un megatón. Esto no ocurrirá en ningún momento próximo; el agujero negro tipo tardará unos 1067 años en desvanecerse.

Hawking ha descrito este proceso de una forma aún más extravagante, basándose en la idea de que el principio de incertidumbre hace teóricamente posible que una partícula se mueva más deprisa que la luz. «Es baja la probabilidad de que se mueva durante mucha distancia a más velocidad que la luz, pero puede ir más deprisa que la luz durante el espacio suficiente, para salir del agujero negro, y luego seguir más despacio», dijo Hawking en una conferencia de 1991. Advirtió, no obstante, que esto es improbable que ocurra en los agujeros negros grandes. Incluso los agujeros negros cuya masa equivale a la del Sol son demasiado grandes, porque las partículas tendrían que sobrepasar la velocidad de la luz durante kilómetros antes de regresar al universo ordinario.

Pero ¿qué pasa con los agujeros negros excepcionalmente pequeños? Esta es otra historia. Hawking propone la posibilidad de que cuando el universo era joven y mucho más denso que ahora se crearan los agujeros negros primordiales, bocaditos del tamaño de una montaña. Estos miniagujeros negros, artefactos de la creación, no debieron tardar mucho en evaporarse. Hawking imagina que deberían estar evaporándose precisamente ahora, desapareciendo en explosiones de rayos gamma. Los científicos, muchos de los cuales dudan de la existencia de estos monstruos en miniatura, todavía están por detectar las señales delato-ras de tales acontecimientos. Lo que no significa que no vaya a haberlas.

De manera que la idea de Hawking de que los agujeros negros no podían hacerse más pequeños quedó refutada por el descubrimiento de la radiación de Hawking, que demuestra que los agujeros negros pueden desaparecer por completo. Algo similar ocurrió con sus ideas sobre la singularidad del principio del tiempo. Se puso a reconsiderarla. La relatividad general, es cierto, exige la existencia de singularidades; pero en el punto de la singularidad, donde se comprime la materia hasta una densidad infinita, la relatividad general quiebra. Tal vez la mecánica cuántica, que opera con la incertidumbre, pueda sostener que la singularidad del Big Bang es algo que alguna vez ha existido.

Hawking decidió que su anterior idea de que el universo comenzó con una singularidad estaba equivocada. Tal vez el universo espacio-temporal no comenzase de ningún modo. El argumento viene a ser algo así: si nos acercamos lo bastante al principio del universo, el tiempo no existe; si el tiempo no existe, no hay un momento de la creación, no hay momento del génesis, no hay momento de ninguna clase. Sin tiempo, no hay tiempo.

Por desgracia, los mortales ordinarios tienen dificultades para pensar así. Hawking señala que en cualquier caso el universo Parecería empezar y acabar en una singularidad. («Así pues, en cierto sentido todos seguimos estando condenados», escribe Hawking.) Pero en otro sentido -un sentido sumamente conceptual que implica muchos posibles universos a la vez que un concepto matemático llamado «tiempo imaginario»- el tiempo es una especie de círculo que no tiene principio ni final. En esta propuesta «sin límites» Hawking compara, de forma característica, el universo con la Tierra. Se parta de donde se parta, nunca se acaba. Nunca empieza. De manera similar, «Preguntarse que ocurrió antes del Big Bang es como preguntarse por un punto situado un kilómetro al norte del Polo Norte -escribe Hawking-. La magnitud que medimos como tiempo tuvo un principio, pero eso no significa que el espacio-tiempo tenga un límite, lo mismo que la superficie de la Tierra no tiene ningún límite en el Polo Norte, por lo menos eso lo que se me ha dicho; personalmente yo no he estado nunca allí».

Hawking también especuló sobre universos bebé, subproductos del modelo inflacionario del universo debido a Alan Guth, según el cual durante una fugaz fracción de un instante el universo se infló desmesuradamente. Si este proceso creó pequeñas hinchazones dentro de la fábrica del espacio-tiempo, esas pequeñas colinas y valles bien pudieron crecer, inflándose en universos paralelos conectados al nuestro por agujeros de gusano, túneles cuánticos que atraviesan el espacio-tiempo. En cuyo caso nuestro universo podría ser uno entre muchos.

A lo largo de todo esto Hawking ha proseguido su trabajo a pesar del devastador deterioro físico. En 1969, dos años después de nacer el primero de sus hijos, ya no podía arreglárselas con un bastón y se vio obligado a usar silla de ruedas. Al final ha llegado a depender de los cuidados constantes de una enfermera y de estudiantes graduados que sepan interpretar todos sus vacilantes farfulleos. En 1979, al ser elegido profesor de la cátedra Lucasiana de Matemáticas de Cambridge, puesto que en su tiempo ocupó sir Isaac Newton, estampó su firma por última vez. Su discurso resultó casi incomprensible; luego, durante una traqueotomía de urgencia, en 1985, perdió por completo la facultad de hablar. Se le devolvió con un sintetizador de voz computerizado que lleva en la silla de ruedas.

Nada de esto lo ha salvado de las crisis normales que pesan sobre la carne. En 1990, en un divorcio singularmente poco aireado, se separó de su esposa Jane. Y una noche lluviosa de marzo de 1991 se equivocó al calibrar la distancia de los vehículos que se aproximaban al cruzar la calle y acabó «en la calzada, con las piernas sobre los restos de la silla de ruedas». En el accidente se rompió el brazo, se hizo un corte en la cabeza (que necesitó trece puntos) y se produjeron daños irremediables en el sistema computerizado que le permite hablar. A pesar de esto, conserva la capacidad de sonreír y continúa llevando adelante, en su trabajo intelectual si no en la vida personal, el mandato que sir Arthur Eddington dio en una conferencia, en 1928: «Les pido que miren en ambos sentidos -dijo Eddington-, pues el camino que conduce a saber algo de las estrellas pasa por el átomo; importantes conocimientos sobre el átomo se han alcanzado a través de las estrellas».

En el documental sobre Hawking dirigido por Errol Morris, la hermana de Hawking, Mary, dice: «Mi padre era muy bueno en las discusiones teológicas, de modo que todos hablábamos de teología». Esta parece ser una costumbre que Hawking no ha perdido nunca. En sus escritos Hawking vuelve repetida y ambivalentemente sobre el problema de, dicho en palabras de su hermana May, «la existencia de Dios o lo contrario». A menudo se burla de la idea. Escribe con sentido del humor sobre sus experiencias en el Vaticano, donde asistió a un congreso de cosmología en 1981: «Al final del congreso los participantes tenían concedida una audiencia con el papa. Éste nos dijo que estaba muy bien estudiar la evolución del universo después del Big Bang, pero que debiéramos investigar sobre el Big Bang en cuanto tal, porque aquel fue el momento de la creación y por lo tanto obra de Dios. Me alegré de que no supiera el tema de la conferencia que yo acababa de dar: la posibilidad de que el espacio-tiempo fuese finito pero no tuviera ninguna clase de límites, lo que significa que no tuvo principio, no existió el momento de la creación. No tenía ganas yo de compartir la suerte de Galileo».

Pero al mismo tiempo Hawking escribe que alguna vez se encontrará la teoría unificada que combine los principios de la relatividad con los de la mecánica cuántica: «A su tiempo los grandes principios serán comprensibles para todo el mundo, no sólo para unos pocos científicos. Entonces todos, los filósofos, los científicos y la gente normal y corriente, podrán tomar parte en la discusión sobre el tema de por qué existimos nosotros y el universo. Si encontramos la respuesta a esta pregunta, será el definitivo triunfo de la razón humana: pues entonces conoceremos el pensamiento de Dios».

Fábrica de fractales: los colores del infinito de Mandelbrot

El pasado mes de Octubre publicamos una entrada acerca de la muerte de Benoît Mandelbrot, creador de la geometría fractal. Esta entrada ha provocado la curiosidad de alguno de vosotros, alumnos y lectores, acerca de ese nuevo concepto que muchos de vosotros es la primera vez que véis: los fractales.

Los fractales son formas geométricas autosemejantes que pueden ser magnificadas (incluso a un tamaño mayor que el del universo físico) o divididas y y siguen conservando los mismos patrones de la imagen original: como ver en una piedra la forma de la montaña a la que pertenece o una galaxia en una huella digital.

Benoit Mandelbrot, el genio tímido francés, acuñó el término fractal luego de que descubriera el conjunto que lleva su nombre en 1980. En realidad la naturaleza fractal del espacio pudo haber sido descubierta en cualquier punto de la historia, pero fue necesaria la aparición de computadoras capaces de realizar millones de operaciones para combrobar su existencia ad infinitum.

Aplicando la fórmula Z_n + 1 = Z_n² + c a un plano complejo se forma la imagen característica del Conjunto de Mandelbrot ("se ve como un hombre, como un gato, como un cactus, como una cucaracha, nos recuerda casi todo lo que está vivo y sin embargo es en sí misma única y nueva"). Si nos acercamos (zoom) a ciertas partes de la imagen reaparece en miniatura la imagen total. Un mismo motivo aparece a distintas escalas, a un número infinito de escalas.

Puedes generar fractales en esta web.

En una pantalla escoge un píxel y aplica las iteraciones del Conjunto de Mandelbrot y el píxel desaparece o se fractaliza, se va cero o hacia el infinito, el que va a cero se colorea en negro y el que va hacia el infinito se colorea de algún color arbitrario: un ciclo de colores revela la complejidad extraordinaria de la variación de un conjunto.

Los árboles o las nubes, no son triángulos o círculos pero sí tienen un patrón: la forma geométrica de la naturaleza no es definible por una forma tradicional, la forma más precisa de describirla es a través de fractales.

En las iteraciones de Mandelbrot el output de una operación se vuelve el input de la otra y viceversa.

Lo extraordinario del conjunto de Mandelbrot es que es infinitamente complejo pero está basado en principios sumamente simples.

En un momento del vídeo se muestra como la naturaleza está llena de fractales que obedecen un principio de iteración matemática.

El ADN en el huevo de una mariposa ya tiene el patrón de las formas mírificas de las alas de una mariposa.

"Una vez que desarrollas el ojo del matemático de fractales, los ves en todas partes, cada cosa que ves está descrita como una referencia de sí misma o de otra cosa". Como un diccionario hecho de imágenes autorreferentes, una matriz de transformaciones que vinculan a traves de las formas a todas las cosas con una misma arquiesencia.

Los fractales nos recuerdan que todo puede ser conectado.

Fractales en el cielo, en los anillos de Saturno, fractales en el átomo, en el espín de los electrones (como arriba, es abajo) ¿el universo subatómico tiene un límite o desciende hasta el infinito?

Lo sé, no tenéis que decirme nada: todo esto parece muy complejo. De modo que dejaremos que sea Arthur C. Clarke quien nos guíe en nuestros primeros pasos por la geometría fractal. Tomad asiento, buscad una bebida en vuestro frigorífico... aquí os dejo con el vídeo Fractales: Los colores del infinito.

¿Cuánto tardarías en llegar en coche a un planeta del sistema solar?

Cuando conduzco de noche por alguna carretera, envuelto en la música de la radio, sin apenas tráfico en la carretera, suelo imaginarme que piso el acelerador y que, sencillamente, persigo el horizonte sin otro objetivo que comprobar hasta dónde sería capaz de llegar. Quizá a otro continente. Quizá dar la vuelta al mundo. Pero, cuando de verdad estoy en plan aventurero, entonces imagino algo más ambicioso.

Imagino que unos ingenieros nanotecnológicos han construido una autopista estelar de miles de años luz de longitud (aunque de apariencia de asfalto de toda la vida), y que acelero a toda velocidad por ella rumbo a las estrellas. Con un combustible infinito, y pisando siempre a fondo, ¿cuánto tardaría en llegar a otros planetas?

Si viajara a 100 km/h, tardaría nada menos que 160 días en llegar a la Luna. 5 meses. Si viajara a una velocidad de 120 km/h, entonces tardaría 3.200 horas cubrir los 384.000 kilómetros. Eso significa un total de 133 días de conducción sin parar, más de 4 meses.

Lo cierto es que el viaje se haría un poco largo. Imaginemos que piso a fondo y que alcanzo los 193 km/h. Llegar a Marte me representaría 134 años de viaje. Incluso a toda la velocidad que puede desarrollar mi coche, moriría de viejo antes de llegar al planeta más cercano a la Tierra (bien, teniendo en cuenta que allí fuera no hay gravedad ni rozamiento del aire sin duda desarrollaría velocidades mucho más altas, pero dejadme seguir con mi fantasía…).

A los 193 km/h de mi coche alcanzaría Júpiter en 459 años.

Saturno está casi el doble de distancia: 842 años de conducción ininterrumpida.

Si no bajara del coche ni para ir al aseo, llegaría finalmente a Neptuno en 2.497 años. Así que indudablemente resulta una empresa un poco infructuosa alcanzar las estrellas con un coche, por muy aventurero que se sienta uno.

Así funciona una central nuclear

Información extraída del blog La Pizarra de Yuri.

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Para comenzar esta entrada, nada mejor que una breve pero concisa explicación del funcionamiento de una central nuclear, extraída de la película El Síndrome de China:

Seguramente sabrás que una central nuclear es una fábrica de electricidad. Cualquier día típico en España, las centrales nucleares producen uno de cada cinco vatios que consumimos para mover nuestras vidas (¿te imaginas un mundo sin electricidad?). Esta cifra del 19%, que antes era mayor (hace quince años era del 35%), es ahora similar a la de los Estados Unidos o el Reino Unido. Por el momento, vamos servidos: España es, desde hace más de un lustro, exportador neto de electricidad (sí, exportador; y sí, desde mucho antes de la crisis: si te han dicho otra cosa, te han mentido. Observa que en los informes de la REE el saldo importador aparece en positivo y el exportador en negativo).

Una central nuclear es, además, un tipo particular de central térmica. Es decir: la energía eléctrica se produce generando calor. En las centrales térmicas corrientes se utilizan grandes quemadores a carbón, gas natural o derivados del petróleo como el gasoil, bien sea en ciclo convencional o en ciclo combinado, con o sin cogeneración. En todo caso se trata, básicamente, de calentar agua en unas calderas hasta que ésta se convierte en vapor con fuerza suficiente como para hacer girar una turbina según los ciclos de Carnot y Rankine. El eje rotativo de la turbina impulsa a su vez el de uno o varios alternadores, que son los que producen la energía eléctrica en sí. Cuando hablamos de estos grandes generadores instalados en las centrales eléctricas y conectados a potentes turbinas de vapor, se suelen denominar turboalternadores.

La central nuclear de Cofrentes (Valencia) vista desde el pueblo. Contiene bajo
la cúpula un reactor de agua en ebullición (BWR) que produce 1.092 MWe

La pura verdad es que no resulta un método muy eficiente: se pierde aproximadamente entre una tercera parte y las dos terceras partes de la energía térmica producida (y por tanto del combustible consumido) debido a las ineficiencias acumulativas de estos mecanismos y a las limitaciones teóricas del ciclo de Carnot. Toda central térmica del presente, nuclear o convencional, necesita producir entre dos y tres vatios térmicos para generar un vatio eléctrico. Esto es: uno o dos de cada tres kilos o litros de su valioso combustible –petróleo, gas natural, carbón, uranio– se malgastan en estropear cosas caras dentro de la instalación y ocasionar contaminación térmica en el exterior. Típicamente, una central nuclear capaz de generar mil megavatios eléctricos debe producir tres mil térmicos.

Así pues, la clave de toda central térmica consiste en calentar agua para producir vapor que haga girar unas turbinas y con ellas unos alternadores eléctricos. En el caso particular de una central nuclear, este calor se origina mediante la fisión de átomos pesados e inestables como algunos isótopos del uranio.

Cualquier cosa capaz de hacer girar el eje de un alternador producirá energía eléctrica

Fisión nuclear y reacción en cadena

Como sabes, existen algunas sustancias en la naturaleza que son radioactivas. ¿Qué quiere decir esto? Bueno, su propio nombre nos da una pista: radio-activas. O sea: no son totalmente inertes desde el punto de vista físico, como cualquier otro sólido, líquido o gas. Por el contrario, los núcleos de sus átomos presentan una actividad física que se expresa en forma de radiación; para ser más exactos, en forma de radiaciones ionizantes. Estas radiaciones son más energéticas y pueden causar más alteraciones en la materia que las no ionizantes, como las que emite una televisión de tubo, una antena de radio o un teléfono móvil.

¿Por qué se produce esta radioactividad? Para contestar a eso hay que responder primero a otra pregunta: ¿por qué algunos núcleos atómicos no son estables? Esto se debe a que la configuración de protones y neutrones en su núcleo es anómala y tiende a un estado de menor energía. Veámoslo con un ejemplo. La mayor parte del carbono que nos compone (a nosotros y a otro buen montón de cosas en este universo) es carbono-12 (12C). Se llama así porque tiene en su núcleo seis protones y seis neutrones: en total, doce partículas. Este es un núcleo estable, que no tiende espontáneamente a un estado de menor energía bajo condiciones corrientes. El hecho de tener seis protones en su núcleo es lo que hace que sea carbono; este número no debe variar o pasará a ser otra cosa.

Algunos isótopos del carbono: carbono-12, carbono-13 y carbono-14

Sin embargo, su número de neutrones sí que puede variar, y seguirá siendo carbono. Por ejemplo, cuando tiene seis protones y siete neutrones (total, trece partículas) estamos ante el carbono-13 (13C). El carbono-13 es también estable en condiciones estándar y, de hecho, aproximadamente el 1,1% del carbono natural (incluyendo el que forma nuestro cuerpo) pertenece a esta variante. Como sigue siendo carbono, sus propiedades químicas (y bioquímicas) son prácticamente idénticas; las físicas varían muy poco.

Si este núcleo presenta un neutrón más, entonces estamos ante el carbono-14 (14C), que constituye una billonésima parte del carbono natural y está compuesto por seis protones y ocho neutrones. ¡Ah! Aquí cambia la cosa. Esta combinación ya no es estable: tiende a perder energía (y algún neutrón) para transformarse en otra cosa. Sus propiedades químicas y bioquímicas siguen siendo las mismas, pero las físicas difieren sustancialmente. Entre estas diferencias, de manera muy notoria, surge la radioactividad. Con el paso del tiempo, estos núcleos de carbono-14 van a sufrir transmutación espontánea para convertirse en otra cosa. Por ejemplo, en una muestra de carbono-14, la mitad de sus átomos transmutarán en 5.730 años aproximadamente. Cualquiera de ellos puede hacerlo en cualquier momento, por mero azar.

El carbono-14 lo hace por desintegración beta negativa: uno de sus neutrones se reajusta, pierde una carga negativa (en forma de un electrón) y con eso deja de ser neutrón (sin carga) y pasa a tener una carga positiva, con lo que ahora es un protón. Dicho en términos sencillos: un neutrón (neutro, como su nombre indica) “expulsa un negativo” para “quedarse en positivo”. Y al “quedarse en positivo” ya no es un neutrón, porque ya no es neutro: se ha convertido en protón (que es positivo). Con lo que ahora tenemos en el núcleo siete protones y siete neutrones. ¿Hemos dicho siete protones? ¡Entonces ya no puede ser carbono! Acaba de transformarse en nitrógeno, un gas en condiciones estándar con propiedades físico-químicas totalmente distintas; para ser exactos, en nitrógeno-14 (14N), el nitrógeno común. Sí, como en la transmutación que soñaban los alquimistas y que finalmente resolvió la física nuclear. (Observa que durante este último proceso el número de partículas en el núcleo no ha cambiado. Lo que ha cambiado es su naturaleza y configuración.)

Uranio-235 altamente enriquecido. Rebajado con
uranio-238 y dispuesto en forma de pastillas,constituye
el combustible más frecuente de las centrales nucleares

¿Y qué pasa con el electrón (“el negativo”) que ha emitido? Pues que escapa hacia el exterior, y además lo hace con una cierta energía: 156.000 electronvoltios. Estamos ante la radiación beta. Ya tenemos nuestra radioactividad.

Los núcleos atómicos pueden decaer y desintegrarse de distintas maneras, lo que ocasiona los distintos tipos de radioactividad. Pueden hacerlo en forma de un pequeño grupo de dos protones y dos neutrones (o sea, un núcleo de helio-4), que se llama partícula alfa y constituye la radiación alfa. O como acabamos de ver, emitiendo un electrón o un positrón, lo que forma la radiación beta. O en forma de fotones muy energéticos, de naturaleza electromagnética, que da lugar a la radiación gamma y X. O lanzando neutrones libres, en lo que viene a ser la radiación neutrónica. Cada una de ellas tiene unos efectos y una peligrosidad diferentes, pero todas son distintas manifestaciones del mismo fenómeno: la radioactividad. Todas estas emisiones son capaces de desarrollar trabajo, hacer cosas; entre otras, producen calor. Este calor es el que vamos a utilizar para calentar el agua que moverá las turbinas y con ellas los generadores de electricidad.

Algunos núcleos resultan tan inestables que además son fisionables. Es decir: no se conforman con hacerse retoques aquí y allá, sino que se parten en otros núcleos más pequeños. Al hacerlo, despiden una notable cantidad de energía en forma de energía cinética de los fragmentos, fotones (radiación gamma) y neutrones libres. De manera espontánea, esto sólo ocurre con núcleos muy grandes y pesados, que pueden contener unas configuraciones de lo más raro. Entre estos se encuentra el torio-232 (232Th) o el uranio-238 (238U).

Unos pocos núcleos fisionables son además fisibles. Es decir: la energía que emiten cuando se rompen es tan alta, su estabilidad resulta tan pobre y su sensibilidad al impacto de los neutrones libres es tan elevada que pueden fisionarse entre sí muy rápidamente, intecambiando neutrones una y otra vez. Cuando esto sucede, estamos ante la reacción en cadena: la fisión espontánea de un solo núcleo puede romper varios más, que a su vez rompen muchos más, y así hasta que se agote el material fisible. Hay muy pocos isótopos que reúnan estas condiciones; en la práctica, sólo dos sirven para producir energía de fisión a gran escala. Uno está presente en la naturaleza: el uranio-235 (235U). El otro hay que producirlo artificialmente: se trata del plutonio-239 (239Pu). Hay algunos más, todos ellos sintéticos, como el uranio-233 (233U).

La reacción en cadena. Un neutrón fragmenta un núcleo fisible, lo que produce

más neutrones que fisionan los de alrededor, y así sucesivamente hasta que se

agota el material o la reacción se contamina demasiado. Cada una de estas

fisiones produce energía que se plasma, entre otras cosas, en forma de calor

Masa crítica

Hecho este inciso, sigamos. ¿Cómo se consigue la reacción en cadena? Pues es muy sencillo: simplemente acumulando el suficiente material fisible. Sí, sí, si echas el suficiente uranio-235 enriquecido o plutonio-239 en un cubo, él solito se activará y comenzará a producir energía. De hecho, así ocurren los accidentes de criticidad, como los dos del famoso núcleo del demonio en el Laboratorio Nacional Los Álamos.

¿Cómo es esto posible? Sencillo. En cualquier masa de material fisible hay siempre algún átomo sufriendo fisión espontánea, que vimos más arriba. Si no hay mucho material, los neutrones generados escapan al medio exterior y la reacción en cadena no se produce. Pero cuando se alcanza cierta cantidad de material fisible, la probabilidad de que estos neutrones alcancen a otros núcleos durante su fuga se incrementa; entonces, estos núcleos fisionan y producen más neutrones. Ya tenemos la reacción en cadena.

En consecuencia, por el simple hecho de echar suficiente material fisible en una piscina de agua, éste sufrirá una reacción en cadena y el agua se calentará. Usando uranio-235 puro, bastaría con unir las dos mitades de una esfera de 52 kg dentro de una balsa y tendrías tu reactor nuclear. Claro, la cosa no es tan sencilla. Para empezar, tú no quieres hacer eso; porque si lo haces, obtendrás una excursión instantánea de energía nuclear y con ella uno de esos bonitos accidentes de criticidad abierta que se parecen a una bomba atómica floja aunque no sean realmente una bomba atómica. Y luego, ¿cómo lo paras?

La Pila Chicago-1, en Estados Unidos, donde Enrico Fermi y Leó Szilárd
consiguieron la primera reacción en cadena autosostenida de la historia

El primer reactor nuclear de la historia fue la Pila Chicago-1, creada por Enrico Fermi y Leó Szilárd: un precario montaje de madera que soportaba capas alternas de grafito mezclado con seis toneladas de uranio puro junto a otras 34 de óxido de uranio. El grafito es un potente moderador neutrónico capaz de ralentizar los neutrones rápidos producidos por la fisión y transformarlos en neutrones térmicos (los alemanes tuvieron un error con el grafito y por eso no pudieron completar nunca un reactor operativo). Esto tiene dos efectos. El primero es que facilita la fisión entre todo ese material disperso: los neutrones rápidos son demasiado energéticos y tienden a escapar al exterior, mientras que los térmicos están en su punto justo para mantener la reacción en cadena. El segundo es que lo puedes utilizar para acelerar y decelerar la reacción a tu gusto. Sin embargo, la Pila Chicago-1 sólo usaba el grafito para la primera función; la segunda quedaba asegurada mediante unas barras de cadmio, que absorbe los neutrones. Esto dio lugar al peculiar puesto de trabajo del hombre del hacha, quien debía cortar la cuerda para que estas barras cayeran de golpe si todo saliera mal. A las 3:25 de la tarde del día 2 de diciembre de 1942, esta Pila Chicago-1 situada en la ciudad estadounidense del mismo nombre produjo la primera reacción en cadena sostenida de la historia de la humanidad. Comenzaba así la Era Atómica.

Las centrales nucleares modernas

Tomemos como ejemplo la Central Nuclear de Cofrentes (Valencia), que es la que tenemos más cerca de Albacete. Cofrentes es un diseño estadounidense, desarrollado por General Electric, que se llama de reactor de agua en ebullición (BWR). Es el segundo diseño más popular entre los utilizados comúnmente en Occidente, sólo por detrás del reactor de agua a presión (PWR). Veamos una representación esquemática de este BWR:

Diseño esquemático BWR de la Central Nuclear de Cofrentes (Valencia). (Iberdrola) (Clic para ampliar)

Vamos a concentrarnos en la parte central derecha de la imagen anterior, que es donde se genera la energía y se halla distribuida del siguiente modo:

Distribución general de los edificios de reactor, combustible y turbinas en la Central Nuclear de Cofrentes. (Clic para ampliar)

Si nos fijamos específicamente en el reactor, donde se produce la energía térmica que luego convertiremos en eléctrica. Ya dijimos que las centrales térmicas son muy poco eficientes: este reactor en particular genera 3.237 megavatios térmicos; sin embargo, la potencia final resultante es de 1.092 megavatios eléctricos. Eso es un 33,7%, apenas un pelín más de la tercera parte. Expresado de otra manera, el 66,3% de la producción (o sea, del valioso combustible nuclear) se pierde por las vías ya mencionadas (sin contar la emisión neutrínica que se funde casi el 5% antes incluso de empezar a producir energía térmica).

Detalle esquemático del reactor nuclear de Cofrentes.
1.- Venteo y rociador de la tapa. 2.- Barra para izado
 del secador. 3.- Conjunto del secador de vapor. 4.- Salida
 de vapor. 5.- Entrada para rociadores del núcleo. 6.-
Conjunto de separadores de vapor. 7.- Entrada de agua de
alimentación. 8.- Distribuidor de agua de alimentación. 9.-
Entrada de la inyección de refrigerante. 10.- Tubería de rociadores
del núcleo. 11.- Distribuidor para rociadores del núcleo. 12.-
Guía superior. 13.- Bombas de chorro. 14.- Envolvente del núcleo.
 15.- Elementos combustibles. 16.- Barra de control. 17.- Placa
soporte del núcleo. 18.- Entrada de agua de recirculación.
 19.- Salida de agua de recirculación. 20.- Soporte de la vasija.
 21.- Blindaje del reactor. 22.- Accionadores de las barras
de control. 23.- Tuberías de accionamiento hidráulico de las
 barras de control. 24.- Detectores internos de neutrones

El reactor es una vasija de acero SA-533 GrB con revestimiento interior inoxidable, de 21,3 metros de altura por 5,53 de diámetro; el grosor mínimo del acero asciende a 13,6 cm, para soportar una presión máxima de 87,5 kg/cm2 (unas 84,7 atmósferas). Los reactores BWR utilizan agua destilada corriente como refrigerante y como moderador, por lo que aquí no nos encontramos con grafito ni agua pesada ni nada de eso; pero, por esta razón, requiere para funcionar uranio ligeramente enriquecido en el isótopo fisible 235U. En el caso particular de Cofrentes, utiliza uranio enriquecido al 3,6% (el llamado uranio natural tiene un 0,7% de 235U).

Este combustible está organizado en forma de pequeñas esferas o perdigones de dióxido de uranio, introducidos en varillas y ensamblajes de un material que se llama zircaloy. El zircaloy es una aleación compuesta en su gran mayoría por zirconio. El zirconio, un metal, tiene una característica peculiar: es muy transparente a los neutrones. O sea: los neutrones que aseguran el sostenimiento de la reacción en cadena pueden pasar libremente a su través, saltando de barra en barra.

Para el uranio natural, el agua corriente (agua ligera) es un absorbente neutrónico y bloquea la reacción en cadena. Sin embargo, con este uranio enriquecido al 3,6%, la radiación neutrónica es lo bastante intensa para mantenerla y entonces el agua ligera actúa de moderador como si fuera grafito o agua pesada. Esto presenta varias ventajas significativas. La primera es que el agua ligera destilada sale enormemente más barata y accesible que el agua pesada. Al mismo tiempo, no presenta el riesgo de incendio del grafito (en Chernóbyl, el incendio principal fue un incendio de grafito). Sirve para transportar el calor producido. Y, adicionalmente, el flujo y temperatura del agua se pueden utilizar en el control de la reacción.

Pero el control principal corre por cuenta de 154 barras de carburo de boro, un poderoso absorbente neutrónico con poca tendencia a crear isótopos raros como resultado de esta absorción. Cuando se insertan estas barras entre las de combustible, atrapan los neutrones producidos por la fisión del uranio presente en estas últimas y deceleran o interrumpen la reacción en cadena. Al extraerlas, permiten la circulación de los neutrones y el reactor se acelera.

La lógica del invento resulta bastante sencilla. Hemos quedado en que la mera acumulación de un material fisible como el uranio-235 inicia espontáneamente una reacción en cadena, cuya intensidad depende fundamentalmente del enriquecimiento y de la densidad; esta reacción se produce porque los neutrones emitidos en cada fisión espontánea pueden alcanzar otros átomos de uranio-235, haciéndolos fisionar a su vez, y así sucesivamente.

En un reactor recién cargado pero aún parado tenemos las barras de combustible introducidas en el agua, lo que debería iniciar de inmediato esta reacción en cadena espontánea; sin embargo, hemos metido por entre medias las barras de control, el absorbente neutrónico, con lo que los neutrones no pueden saltar de barra en barra y por tanto la reacción no se produce o lo hace con una intensidad muy pobre.

Entonces, para poner en marcha la central comenzamos a extraer las barras de control (de absorbente neutrónico). Las fisiones espontáneas en los núcleos de uranio-235 (o, para el caso, plutonio-239) comienzan a lanzar neutrones en todas direcciones, y específicamente hacia las demás barras de combustible.

Estos neutrones producidos por la fisión son mayoritariamente neutrones rápidos. Los neutrones rápidos tienen una capacidad relativamente pobre de provocar nuevas fisiones; ya dijimos que, por explicarlo de algún modo, pasan demasiado deprisa para tener un efecto. Pero entonces se encuentran con el moderador, que tradicionalmente era grafito o agua pesada y aquí es agua destilada corriente. Cuando el uranio está poco enriquecido, el agua actúa como absorbente neutrónico –igual que si fuera una enorme barra de control– y los detiene por completo, interrumpiendo la reacción. Pero cuando el uranio está algo más enriquecido (como en este caso, al 3,6%), el agua actúa como moderador neutrónico: es decir, los ralentiza hasta convertirlos en neutrones térmicos, óptimos para provocar nuevas fisiones.

Así que al extraer las barras de control y dejar a las de combustible envueltas en agua, la reacción en cadena comienza a acelerar, calentando este agua de su alrededor. Mediante una compleja combinación de barras de control y flujo del agua, se puede ajustar la reacción en cada zona exacta del núcleo con gran precisión.

De este modo, la temperatura del agua circundante aumenta rápidamente. En la gran mayoría de los reactores nucleares, esta agua moderadora-controladora-transportadora se encuentra contenida en un circuito cerrado con circulación forzada que nunca entra en contacto directo con el exterior (o no debe hacerlo, vamos). Este circuito cerrado que pasa por dentro del reactor se llama circuito primario.

En un reactor de agua en ebullición, el agua de este circuito primario se halla a unas 70 o 75 atmósferas de presión (en Cofrentes está a 70,1). Esto permite que entre en ebullición cuando la temperatura alcanza unos 285ºC (los reactores de agua a presión se mantienen a casi 160 atmósferas, lo que no deja que haya ebullición). Así se forma rápidamente vapor en la parte superior de la vasija, que circula por unas canalizaciones hacia la turbina de alta presión. Ya tenemos energía. Ahora hay que convertirla en electricidad.

Cuando este vapor a elevada presión y temperatura llega a la turbina de alta presión, la hace girar sobre su eje siguiendo las leyes de Carnot y Rankine que mencionamos más arriba. Y con ello hace girar un alternador que produce energía eléctrica, exactamente como cualquier otra clase de central térmica y la inmensa mayoría de los generadores. De ahí, el vapor –que aún mantiene una cantidad importante de energía aprovechable– pasa a las turbinas de baja presión, cuyos alternadores producen más electricidad. Toda esta corriente es remitida a los transformadores exteriores y de ahí a la red de 400.000 voltios para su distribución comercial.

Ahora ya sólo queda asegurarnos de que el agua vuelve al reactor para mantener el ciclo sin fin, más fría y de nuevo en estado líquido. Esta es la función de los condensadores, que son, en esencia, cambiadores de calor. Los condensadores se mantienen fríos con agua procedente de algún río o mar próximo, que viaja por su propio circuito: el circuito secundario. Así, cuando el agua del circuito primario pasa por estos condensadores, pierde temperatura suficiente como para volver al estado líquido por completo y regresar al reactor. Ambos circuitos no entran nunca en contacto, garantizando que la contaminación radioactiva ocasionada al pasar por el reactor permanezca contenida en el primario.

Finalmente, el agua del secundario –que se ha calentado al pasar por los condensadores– es enfriada en las torres de refrigeración. Así se forman esas características nubes de vapor blanco que podemos ver en la imagen de arriba.

En mi opinión, las centrales nucleares de fisión son una buena manera de producir la necesaria electricidad. Lo que pasa es que tienen sus limitaciones. En realidad, no son ni la pesadilla que creen unos ni la panacea que creen otros. De manera muy resumida, es cara, es incierta, tiene sus riesgos y resulta poco flexible en los mercados liberalizados. Resulta tremendamente significativo que el 89% de los reactores que se construyen en la actualidad pertenezcan a empresas monopolísticas estatales o paraestatales, mientras sólo seis unidades representan una apuesta privada.

De hecho, la energía nuclear de fisión ha sido la más subvencionada de toda la historia: sólo en los Estados Unidos, representó el 96% de los subsidios totales al desarrollo energético entre 1947 y 1999. El coste de instalación por kilovatio es varias veces mayor que el de, por ejemplo, una central de ciclo combinado a gas natural. El precio en el mercado del kilovatio final no sale tan ventajoso. Y tampoco garantiza la independencia en tecnologías energéticas: por razones de liberalización y deslocalización de los mercados, existen componentes esenciales de las centrales nucleares que únicamente se fabrican en Japón, China y Rusia. Las mayores minas de uranio sólo están en Canadá, Australia, Kazajstán, Rusia, Namibia y Níger: muchos menos países que productores de petróleo o gas. Si se opta por combustible reprocesado, únicamente quedan reactores regeneradores a gran escala en Rusia.

En suma: después de décadas de cultura de la seguridad, ni milagro ni diablo. Sólo una fuente de energía más, al menos en el presente orden socioeconómico, que nos obliga a seguir investigando otras maneras de extraerle a la naturaleza la energía que necesitamos, y necesitaremos en el futuro.