Introducción a la ciencia I. Ciencias Físicas (95 page)

El carbón y el petróleo desempeñaron el papel de la madera como combustible. El carbón ya fue mencionado por el botánico griego Teofrasto el año 200 a. de J.C., pero los primeros registros de la minería del carbón en Europa no se remontan a antes del siglo XII. Hacia el siglo XVII, Inglaterra, desforestada, y desesperadamente carente de madera para sus navíos, comenzó a derivar hacia el empleo a gran escala del carbón como combustible, inspirada tal vez en el hecho de que los neerlandeses habían comenzado a excavar en busca de carbón. (Pero no fueron los primeros. Marco Polo, en su famoso libro acerca de sus viajes por China a fines del siglo XIII, ya describió cómo quemaban carbón en esas tierras, que eran las más avanzadas tecnológicamente del mundo.)

En 1660, Inglaterra estaba ya produciendo 2 millones de toneladas de carbón al año, o más del 80 % de todo el carbón que se producía en el mundo.

Al principio, se empleó sobre todo como combustible doméstico, pero, en 1603, un inglés llamado Hugh Platt descubrió que si se calentaba el carbón de una forma en que el oxígeno no llegase a él, el material que aún contenía podía eliminarse y quemarse. Lo que restaba era carbono casi puro y a este residuo se le llamó coque.

Al principio el coque no era de una calidad muy elevada. Se mejoró con el tiempo y llegado el momento pudo emplearse como carbón vegetal (de madera) para fundir las menas de hierro. El coque se quemaba a elevada temperatura, y sus átomos de carbono se combinaban con los átomos de oxígeno del núcleo de hierro, dejando tras de sí el carbono metálico. En 1709, un inglés, Abraham Darby, comenzó a emplear el coque a gran escala para conseguir hierro. Cuando llegó la máquina de vapor, el calor se usó para calentar y hervir el agua y de esa manera la Revolución industrial recibió un impulso hacia delante.

El cambio fue más lento en otras partes. Incluso en 1800, la madera proporcionaba el 94 % de las necesidades de combustibles de los jóvenes Estados Unidos, ricos en bosques. Sin embargo, en 1875 la madera suministraba sólo el 50 % de las necesidades de combustible y, hacia 1980, sólo menos del 3 %. El equilibrio, además, ha variado desde el carbón al petróleo y al gas natural. En 1900, la energía suministrada por el carbón, en Estados Unidos, era diez veces superior a la suministrada por el petróleo y el gas juntos. Medio siglo después, el carbón sólo suministra una tercera parte respecto de la energía facilitada por el petróleo y el gas.

En los tiempos antiguos, el aceite que se empleaba para quemarlo en lámparas para iluminación, derivaba de plantas y de recursos animales. A través de los prolongados eones del tiempo geológico, sin embargo, los diminutos animales ricos en aceite de los mares someros, a veces, moribundos, habían escapado de ser comidos pero quedaron mezclados en el barro y enterrados bajo capas de sedimentos. Tras un lento cambio químico, el aceite se convirtió en una compleja mezcla de hidrocarburos y es ahora llamado apropiadamente petróleo (de una voz latina que significa «piedra aceitosa»). Sin embargo, ha sido tal su importancia para la Humanidad en el último par de generaciones, que no se ha hablado de otra cosa.

El petróleo se encuentra en ocasiones en la superficie terrestre, particularmente en el rico en petróleo Oriente Medio. Era la pez con que se instruyó a Noé que revistiera por dentro su arca para hacerla del todo estanca. De la misma forma, cuando Moisés fue metido en una canastilla cuando era bebé para que flotase en el agua, también la revistieron de pez para evitar que se hundiese. Las fracciones más ligeras del petróleo
(naftas)
eran a veces recogidas y empleadas en lámparas, o para conseguir unas llamas para ritos religiosos.

En los años 1850, se necesitaban líquidos inflamables para las lámparas. Existían entonces el aceite de ballena y también el aceite de carbón (obtenido calentando carbón en ausencia de aire). Otra fuente la constituía el esquisto, un material suave que parecía una especie de cera. Cuando se calentaba, liberaba un líquido llamado
queroseno
. Dichos esquistos se encontraron en Pensilvania occidental y, en 1859, un maquinista de ferrocarril estadounidense, Edwin Laurentine Drake, intentó algo nuevo.

Drake sabía que la gente excavaba pozos para obtener agua, y que en ocasiones ahondaba aún más para conseguir salmuera (agua muy salada que se empleaba para obtener sal). Pero algunas veces, entre la salmuera surgía una inflamable materia oleosa. Existían informes de que, en China y Birmania, hacía ya dos mil años que se quemaba este aceite y que se empleaba el calor para extraer agua de la salmuera, dejando así atrás la sal.

¿Por qué no excavar en busca de ese aceite? En aquellos tiempos no sólo se empleaba como combustible de las lámparas, sino también con fines médicos, y Drake creyó que habría un buen mercado para cualquier cosa que consiguiese extraer con sus excavaciones. Perforó un agujero de más de veinte metros bajo el suelo de Titusville, en Pensilvania occidental, y, el 28 de agosto de 1859, «descubrió petróleo». Había perforado el primer
pozo petrolífero
.

Durante el primer medio siglo, los usos de aquel petróleo resultaron limitados; pero, con la llegada del motor de combustión interna, empezó a haber una gran demanda de petróleo. Una fracción líquida, más ligera que el queroseno (es decir, más volátil y más fácilmente convertible en vapor), era exactamente la cosa que se quemaría en los nuevos motores. La fracción resultó ser la
gasolina
, con lo que empezó la gran búsqueda de petróleo y, durante el último siglo, esto es algo que nunca ha cesado.

Los campos petrolíferos de Pensilvania quedaron pronto agotados, pero se descubrieron otros más extensos en Texas a principios del siglo XX y los más grandes aún en Oriente Medio fueron descubiertos a mediados del siglo XX.

El petróleo tiene numerosas ventajas frente al carbón. Los seres humanos no tienen que meterse debajo de tierra para hacer aflorar el petróleo, ni tampoco necesitan de numerosos fletes, ni ha de guardarse en sótanos ni meterse a paletadas en los hornos, ni tampoco deja cenizas que haya luego que retirar. El petróleo es bombeado fuera del suelo, distribuido por oleoductos (o por petroleros desde ultramar), su llama se enciende y se apaga a voluntad y no deja residuos de cenizas. Particularmente después de la Segunda Guerra Mundial, el mundo globalmente ha derivado en gran parte desde el carbón al petróleo. El carbón sigue siendo una materia vital en el laboreo del hierro y del acero y para muchísimos otros propósitos, pero el petróleo se ha convertido en la mayor fuente de combustible del mundo.

El petróleo incluye algunas fracciones tan volátiles que constituye vapores a temperatura ordinaria. Se trata del
gas natural
. El gas es mucho más conveniente que el petróleo y su uso ha ido creciendo aún más rápidamente que el de las fracciones líquidas del petróleo.

Sin embargo, se trata de unos recursos limitados. El gas natural, el petróleo y el carbón son
combustibles fósiles
, reliquias de la vida vegetal y animal de hace muchos eones, y no pueden remplazarse una vez se hayan agotado. En lo que se refiere a los combustibles fósiles, los seres humanos están viviendo de su capital a un ritmo extravagante.

En particular, el petróleo se está agotando muy de prisa. El mundo quema ahora más de 4 millones de barriles de petróleo por hora y, a pesar de todos los esfuerzos que se han hecho por su conservación, el índice de consumo continuará aumentando en un próximo futuro. Aunque aún queden en la tierra cerca de mil billones de barriles, esto no representa más que el suministro para treinta años a los actuales niveles de consumo.

Naturalmente, pueden formarse petróleos adicionales por la combinación del más común carbón con hidrógenos bajo presión. Este proceso se desarrolló en primer lugar por el químico alemán Friedrich Bergius, en los años 1920, y como resultado de ello compartió el premio Nobel de Química del año 1931. Las reservas de carbón son bastante grandes, tal vez de unos 7 mil billones de toneladas, pero no todo el carbón es fácil de sacar a la superficie. Hacia el siglo XXV, o más pronto, el carbón puede haberse convertido en un auténtico lujo.

Hay esperanza de nuevos hallazgos. Tal vez nos aguarden algunas sorpresas a juzgar por los indicios de carbón y petróleo en Australia, el Sahara y las regiones antárticas. Además, los adelantos tecnológicos pueden abaratar la explotación de cuencas carboníferas cada vez más profundas, horadar la tierra progresivamente en busca de petróleo y extraer este combustible de las reservas submarinas.

Sin duda encontraremos los medios de usar nuestro combustible con más eficacia. El proceso de quemar combustible para producir calor, convertir el agua en vapor, mover un generador o crear electricidad, desperdicia grandes cantidades de energía en el camino. Se podrían evitar muchas pérdidas si se transformase directamente el calor en electricidad. La posibilidad de hacer tal cosa se presentó el año 1823, cuando un físico alemán, Thomas Johann Seebeck, observó que si se unen dos metales diferentes en un circuito cerrado y se calienta la divisoria entre ambos elementos, se mueve la aguja de una brújula situada en sus inmediaciones. Ello significa que el calor produce una corriente eléctrica en el circuito («termoelectricidad»); pero Seebeck interpretó erróneamente su propio trabajo y el descubrimiento no tuvo consecuencias provechosas.

Sin embargo, con la llegada del semiconductor y sus técnicas, renació el antiguo «efecto Seebeck». Los aparatos termoeléctricos requieren semiconductores. Calentando el extremo de un semiconductor se crea un potencial eléctrico en la materia; cuando el semiconductor es del tipo
p
, el extremo frío se hace negativo; y si es del tipo
n
, positivo. Ahora bien, incorporando una estructura en forma de U a ambos tipos de semiconductores, con la juntura
n-p
bajo el fondo de la U, este fondo caldeado ocasionará que el extremo superior de la rama
p
gane una carga negativa y el extremo superior de la rama
n
, una positiva. De este modo, la corriente fluirá desde un extremo hasta el otro, y seguirá haciéndolo mientras se mantenga la diferencia de temperaturas (fig. 10.1.). (E inversamente, el uso de una corriente puede causar un descenso de temperatura, de modo que el aparato termoeléctrico tiene también aplicación como refrigerador.)

Fig. 10.1. La célula termoeléctrica. El conductor calorífico origina el flujo de electrones hacia el extremo frío del conductor tipo n, y desde la región fría a la caliente del tipo p. Si forma un circuito, la corriente fluye en la dirección que marcan las flechas. Así se convierte el calor en energía eléctrica.

La célula termoeléctrica no requiere generadores costosos ni macizas máquinas de vapor, es portátil y se la puede instalar en zonas aisladas como suministradora en pequeña escala de electricidad. Todo cuanto necesita como fuente energética es un calentador de queroseno. Según se informa, la Unión Soviética emplea usualmente tales artificios en las zonas rurales.

A pesar de todos los posibles incrementos en la eficiencia del empleo del combustible y de lo probable del hallazgo de nuevos yacimientos de carbón y de petróleo, todas esas fuentes de energía son definitivamente limitadas. Llegará un día, y no muy lejano, en que ni el carbón ni el petróleo servirán como fuente de energía a gran escala.

El empleo de los combustibles fósiles deberá ser reducido, y con toda probabilidad antes de que los suministros actuales escaseen, puesto que su uso creciente presenta asimismo sus peligros. El carbón no es carbono puro, ni el petróleo hidrocarburo puro. En cada sustancia, existen cantidades menores de nitrógeno y de compuestos sulfurosos. Al quemar los combustibles fósiles (sobre todo el carbón), se liberan óxidos de nitrógeno y de azufre en el aire. Una tonelada de carbón no libera muchos de estos componentes, pero con todo lo que se llega a quemar, están siendo descargadas unos 90 millones de toneladas de óxidos de azufre en la atmósfera cada año, y eso sólo en el transcurso de los años 1970.

Tales impurezas son una fuente primaria de la contaminación del aire y, en las condiciones meteorológicas apropiadas, del llamado
smog
(es decir, niebla de humo), que se deposita sobre las ciudades como una manta, daña los pulmones y puede matar a las personas que ya padecen de trastornos pulmonares.

Esa contaminación es limpiada del aire a través de la lluvia, pero esto meramente es una solución que crea un nuevo y posiblemente peor problema. Los óxidos de nitrógeno y de azufre, al disolverse en el agua, convierten al agua en levemente acida, por lo que llegan hasta el suelo
lluvias acidas
.

La lluvia no es lo suficientemente acida como para afectarnos directamente, pero se precipita en charcas y lagos y los acidifica, sólo un poco pero lo suficiente para matar a la mayoría de los peces y a otras formas de vida acuática, especialmente si los lagos carecen de lechos de piedra caliza que puede, en parte, neutralizar el ácido. La lluvia acida perjudica asimismo a los árboles. Este daño es peor donde el carbón se quema en mayores proporciones y la lluvia cae hacia el Este, gracias a los vientos prevalecientes del Oeste. Así, la parte oriental de Canadá sufre de lluvia acida a causa del carbón que se quema en el Medio Oeste estadounidense, mientras que Suecia lo padece respecto del carbón que se quema en la Europa occidental.