Uranio empobrecido

Posted on 27/02/2012 by Augusto Beléndez

Uno de los problemas que tienen las centrales nucleares, a pesar de que mucha gente piensa que son limpias, es la gran cantidad de residuos de baja actividad y gran duración que generan, por lo que esta basura nuclear no hay más remedio que almacenarla en cementerios nucleares colocados estratégicamente en sitios en los que la actividad geológica haya sido muy baja. Se estima que a lo largo de las últimas décadas, se ha acumulado entre un millón y medio y dos millones de toneladas de estos desechos que tardarán decenas de miles de años en desintegrarse definitivamente y cesar su actividad radiactiva. Pero es que además de la radiactividad que emiten hay otra posibilidad peligrosa para su destino y es que sean utilizados para fabricar armas nucleares.Mientras los gobiernos no se decidan firmemente por el uso de energías realmente limpias y mientras la sociedad siga incrementando sus necesidades energéticas, habrá que ocultar esta basura allá donde decidan almacenarla, pero, como veremos, podría haber otra solución.

Uno de los componentes de esta basura es el denominado uranio empobrecido. En la naturaleza existen tres isótopos del uranio, se les distingue por su masa, son el 238 (el más abundante con el 99,28% y difícilmente fisionable), el 235 (con el 0,71% y que se utiliza como combustible nuclear) y el 234 (0.01%). Se denomina uranio enriquecido al que tiene más uranio 235 de lo normal y empobrecido al que tiene menos del 0,71%. Como curiosidad, se suele utilizar el uranio empobrecido para formar parte de las defensas de los vehículos blindados debido a su gran densidad y resistencia.

¿Qué hacer por tanto con todo ese uranio empobrecido que generan las centrales nucleares a parte de almacenarlo? Pues, además de ser el alma mater de Microsoft, Bill Gates (nacido en 1955 en Seattle, EEUU), tiene un cerebro privilegiado que está en continua ebullición, por lo que se le ha ocurrido que se podría utilizar este uranio empobrecido para construir un reactor nuclear que con ocho toneladas de uranio podría generar 30 millones de megavatios-hora de electricidad, lo cual permitiría abastecer a tres millones de hogares durante todo un año. Este tipo de reactor (denominado travelling wave reactor, reactor de onda viajera o TWR) no necesita ser recargado, es un reactor de un solo uso y tendría una vida útil entorno a los 50 años. Además permitiría que avanzáramos en la dirección y sentido correcto: hacia la emisión cero de dióxido de carbono yreutilización de ese uranio empobrecido. Otra de las ventajas que tiene el TWR es que generaría bastante menos residuos que un reactor convencional, usando además esos residuos como combustible.

El padre de Windows pretende desarrollar un sistema informático que controle la instalación nuclear de tal manera que no requiera la intervención humana (o por lo menos que se reduzca al mínimo) para que sea segura, y monitorice (dentro de sus respectivos intervalos de seguridad) cada uno de los numerosos parámetros que intervienen en el proceso de generación de la electricidad utilizando la energía nuclear como fuente. TerraPower es la compañía que Bill Gates ha creado para desarrollar esta idea tan innovadora. Ha encontrado un socio tremendamente solvente, el gobierno chino, que invertirá más de mil millones de euros en cinco años para afinar el proyecto.

Bill Gates. Créditos: Wikipedia.

Esta tecnología se denomina TWR porque los neutrones producidos en las reacciones de fisión se comportan como una onda lenta, propagándose con baja velocidad, que aporta energía a la zona más próxima al combustible nuclear para producir, a partir de los isótopos fértiles (como puede ser el uranio 238 que capturando un neutrón da lugar al plutonio 239 que sí puede dar lugar a la fisión nuclear), los isótopos fisionables (el plutonio 239). Como consecuencia de ello la reacción nuclear no ocurre en todo el núcleo del reactor, como en los reactores convencionales, sino que tiene lugar en una zona muy localizada del núcleo y poco a poco va avanzando a lo largo del núcleo. Este tipo de reacción nuclear se automantiene durante décadas sin recargar más combustible (sólo necesita las ocho toneladas iniciales) y sin eliminar el ya usado. El concepto de los reactores TWR surgió en la década de los 50 del siglo pasado y ha sido estudiado de manera intermitente; pero nunca ha llegado a construirse ninguno, debido fundamentalmente a dificultades económicas.

Queda mucho trabajo por delante para poner un TWR en funcionamiento. Como dijo el desaparecido Steve Jobs: «Para aportar ideas realmente interesantes se requiere una gran cantidad de disciplina». Su antiguo amigo de la adolescencia, Bill Gates, tiene esa disciplina en toneladas. Esperemos cinco años a ver qué pasa, mientras tanto deberemos convivir con esa basura o apagar la luz.

Publicado en La Tribuna de Albacete (27/02/2012) por Enrique Arribas (UCLM), Augusto Beléndez (UA) y Alberto Nájera (UCLM)

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Michael Faraday (1791-1867)

Posted on 02/02/2012 by Augusto Beléndez

El caso de Michael Faraday (1791-1867) no es frecuente en la historia de la física: su formación matemática era muy elemental y sin embargo las leyes de la electricidad y el magnetismo son debidas mucho más a sus descubrimientos experimentales que a los de cualquier otro. Descubrió la inducción electromagnética e introdujo los conceptos de  líneas de fuerza y campo, básicos en la comprensión de las interacciones eléctricas y magnéticas y piezas fundamentales en el desarrolló posterior de la física. Faraday nació en el seno de una familia humilde y su única formación de pequeño fue en lectura, escritura y aritmética. Abandonó la escuela a los trece años para trabajar en un taller de encuadernación, donde desarrolló un insaciable apetito por la lectura.

faraday

En 1813 fue contratado como ayudante de laboratorio de Humphry Davy (1778-1829) en la Royal Institution de Londres, de la que fue elegido miembro en 1824 y donde trabajó hasta su muerte. Como Faraday carecía de formación matemática, no llegó a formular matemáticamente sus resultados, pero era intuitivamente brillante y paciente e hizo progresar la comprensión de los fenómenos electromagnéticos. Faraday partió de los trabajos de Oersted y Ampère sobre las propiedades magnéticas de las corrientes eléctricas y en 1831 consiguió producir una corriente eléctrica a partir de una acción magnética, fenómeno que se conoce como inducción electromagnética. Este descubrimiento marcó un hito decisivo en el progreso no sólo de la ciencia sino de la sociedad y revela algo nuevo sobre los campos eléctricos y magnéticos: A diferencia de los campos electrostáticos creados por cargas eléctricas en reposo cuya circulación a lo largo de una línea cerrada es nula (campo conservativo), los campos eléctricos creados por campos magnéticos tienen una circulación a lo largo de una línea cerrada distinta de cero. Dicha circulación, que corresponde a la fuerza electromotriz inducida, es igual al ritmo de cambio del flujo del campo magnético que atraviesa la superficie delimitada por dicha línea cerrada (ley de Faraday). Faraday inventó el primer  motor eléctrico, el primer transformador, el primer generador eléctrico y la primera dinamo, por lo que Faraday puede ser llamado, sin genero de dudas, el padre de la electrotecnia. Propuso los conceptos modernos de “campo electromagnético” y “líneas de campo” de los campos eléctricos y magnéticos, que llenan el espacio en trono a cargas eléctricas, imanes y corrientes eléctricas. Sin embargo, hubo que esperar varios años hasta la aceptación de las líneas de campo de Faraday, justo hasta que Maxwell (1831-1879) entrara en escena con la publicación de su artículo “Sobre las líneas de fuerza de Faraday” en 1856. Con Faraday la interacción entre imanes y corrientes se convierte en el motor del cambio social y del “gran cambio” con el que calificó Einstein la incorporación del concepto de campo al desarrollo de la física.

Mª Carmen Pérez y Paloma Varela, Orígenes del electromagnetismo. Oersted y Ampère. Nivola libros y ediciones. Madrid, 2003.

José Antonio Díaz-Hellín, El gran cambio de la Física. Faraday. Nivola libros y ediciones. Madrid, 2001.

J. M. Sánchez Ron (editor y traductor). Materia y Movimiento (J. C. Maxwell). Editorial Crítica. Barcelona, 2006.

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¡Qué hace ahí esa bandera noruega!

Posted on 19/01/2012 by Augusto Beléndez

Cuando el capitán Robert Scott ordenó soltar amarras del velero Terra Nova en Cardiff el 15 de junio de 1910 no se imaginaba que nunca volvería a pisar suelo británico. Había conseguido financiación para intentar ser el primero en llegar al Polo Sur y dejar constancia de su hazaña poniendo allí una bandera, la Union Jack del Reino Unido. Con mucho esfuerzo recaudó de patrocinadores y suscripciones públicas unas 40.000 libras (equivalentes hoy en día a casi cuatro millones de euros). Estaba a punto de iniciarse el último gran desafío de las exploraciones mundiales y, lo que es aún más importante, la primera gran expedición científica al último lugar de la tierra: la Antártida.

Aparte del claro objetivo político, el Terra Nova tenía otros afanes. En sus bodegas estaban cuidadosamente almacenados numerosos equipos científicos preparados para realizar mediciones geofísicas, recoger muestras geológicas, cartografiar por primera vez el territorio antártico y estudiar la fauna y la escasa flora de la zona. En sus abarrotados camarotes viajaban científicos de todo tipo: biólogos, geólogos, meteorólogos, oceanógrafos, físicos. Por sus diarios sabemos que, sistemáticamente, todos los días se recogían numerosos datos como salinidad y temperatura de las aguas antárticas o la velocidad y dirección del viento. Se tomaron muestras de agua perforando el hielo marino y se realizaron medidas cartográficas muy precisas. Se llevaron a cabo experimentos sobre las formaciones de hielo, se midió la radiación solar sobre la superficie del suelo y se tomaron datos geomagnéticos. El espesor de la capa de hielo era una de las grandes incógnitas de aquella época y la expedición de Scott trajo numerosas muestras y mediciones. En el campo base del Cabo Evans había instalado un auténtico laboratorio científico, el primero de la Antártida. Junto a ellos viajaba el afamado fotógrafo Ponting que captó en cerca de 2.000 negativos tanto el salvaje, y al mismo tiempo sublime paisaje de la Antártida, como de la valentía heroica de este grupo de hombres.

Scott, junto a cuatro de sus compañeros, alcanzó el Polo Sur el 17 de enero de 1912, hoy hace 100 años. Pero entre la bruma de aquella fría tarde, para su sorpresa, observaron de lejos lo que parecía una pequeña tienda de campaña. Al acercarse pudieron ver, además, ondear una bandera noruega, con su cruz azul sobre fondo rojo. «Maldita bandera», bramó el capitán Scott. 34 días antes, el 14 de diciembre de 1911, el explorador noruego Roald Amundsen había llegado allí y aquella bandera noruega era la prueba inequívoca, como lo era la gran cantidad de huellas humanas que habían dejado en un radio de varios metros.

Los expedicionarios británicos se fotografía en el Polo Sur junto a la bandera noruega que había dejado Amundsen 34 días antes.

La decepción fue tremenda. Habían perdido la carrera, los honores se los llevaría otro, el noruego. Cuando Scott entró en la tienda encontró una carta de Amundsen fechada el 16 de diciembre de 1911 y en la que le decía lo siguiente: «Querido capitán Scott, con toda probabilidad será usted el primero que lea estas líneas…». El viento arrasaba la desolada meseta antártica, y no se sabe si eran peor los síntomas de fatiga o los de decepción labrados en las caras de Scott y sus cuatro compañeros. Habían perdido y no había nada que hacer. Aun así, Scott alzó la bandera británica y el pequeño grupo se hizo la fotografía ritual. Exhaustos y fracasados, los cinco hombres emprendieron a pie el camino de regreso, durante el que fallecieron todos ellos, se cree que el 29 de marzo de 1912, último registro en el diario de Scott que se encontraría, junto a sus cuerpos, el 12 de noviembre. No pudieron sobrevivir a las durísimas condiciones climatológicas con temperaturas mínimas cercanas a los 50 grados bajo cero a finales del verano antártico. En cambio, el noruego Amundsen logró volver a Oslo y se convirtió en todo un mito en el mundo entero a pesar de que no estaba tan preocupado como Scott por la vertiente científica y, como curiosidad, en uno de sus cuadernos anota que la carne de foca le recuerda el sabor de las morcillas.

Hoy sabemos que la masa de hielo donde está el Polo Sur pertenece a un glaciar y se mueve unos 10 metros cada año, por lo que la posición exacta del Polo, respecto al suelo de hielo, va cambiando lentamente. La estaca, colocada cerca de una columna con una esfera metálica, que marca el punto más austral del globo terráqueo (coordenadas 90° 0″ 0″ Sur) hay que ir cambiándola de sitio cada año. En esta ceremonia anual se homenajea a los dos, al noruego y al británico. Recordando la canción del grupo de pop Mecano dedicada al triste desenlace de la expedición de Scott, diríamos: «Gloria eterna a los héroes de la Antártida».

Publicado en La Tribuna de Albacete (19-1-2012) por A. Nájera (UCLM), E. Arribas (UCLM) y A. Beléndez (UA).

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El “Tripos Matemático” de Cambridge

Posted on 16/01/2012 by Augusto Beléndez

Ahora que comienzan los exámenes se incluye esta entrada sobre un sistema de exámenes introducido en 1730 en la Universidad de Cambridge y conocido como Tripos Matemático desde 1824. Se llamaba así por el taburete de tres patas en que se sentaban los estudiantes.

La Universidad de Cambridge era el centro más influyente de la física en el siglo XIX (y desde luego también en gran parte del XX). Para aquellos estudiantes con inclinaciones científicas, Cambridge poseía el atractivo del Tripos Matemático, con un contenido de lo que hoy conocemos como ciencias físico-matemáticas pues en los exámenes predominaban las preguntas de matemáticas y física teórica. El Tripos estaba dividido en dos periodos. El primero duraba cuatro días con pruebas, de 9:00 a 12:00 y de 13:30 a 16:00. Los que superaban esta primera fase pasaban a la segunda, más difícil y distribuida en cinco días consecutivos. Los problemas que se planteaban no eran triviales sino de dificultad creciente y solución no evidente. Se valoraba la capacidad de los estudiantes de resolver los problemas pero también la rapidez y precisión. En ocasiones los profesores que proponían los problemas no siempre sabían el modo de resolverlos y esperaban que algún alumno brillante lo consiguiera, convirtiéndose de este modo los ejercicios en auténticos temas de investigación. Sin ir más lejos, el teorema de Stokes y el vector de Poynting son el fruto de ejercicios de exámenes del Tripos de Cambridge. Se había desarrollado todo un aparato de preparación intensiva de los exámenes y lecciones particulares con profesores-preparadores, y algunos estudiantes, como Hardy, pensaban que:

“iban a ser entrenados como un caballo de carreras para correr una carrera de ejercicios matemáticos”.

La preparación de los exámenes era muy dura y larga, incluso se necesitaban dos o tres años para que un estudiante estuviera preparado para presentarse a los exámenes. A veces las largas horas de estudio y el estrés permanente desembocaba en crisis de salud, incluso para figuras de la física como J. C. Maxwell o J. J. Thomson, que llegaron a sufrir crisis nerviosas y cansancio generalizado fruto de la tensión acumulada durante la preparación de las pruebas.

Los participantes quedaban clasificados (de por vida) según sus resultados y de esta clasificación dependía, en gran medida, su futuro profesional. El estudiante que obtenía la mejor nota en el Tripos era conocido como senior wrangler, el segundo, era el second wrangler, y así sucesivamente. Ser el senior wrangler en cada edición del Tripos era casi un honor nacional. Conforme pasaron los años la competición por los puestos más altos se hizo cada vez más dura, y su futuro profesional y sus carreras dependían de ellos. En la mayor parte de los colleges (el equivalente a nuestras facultades) si uno conseguía salir como senior o como second wrangler era automáticamente elegido miembro del cuerpo docente de la universidad. Con algunas excepciones notables como Faraday o Joule, la mayoría de los principales físicos británicos que trabajaron entre 1820 y 1900 estudiaron en Cambridge y se examinaron del Tripos y en la segunda mitad del siglo XIX cerca de la mitad de las cátedras de física no sólo de las universidades británicas sino del resto del imperio fueron ocupadas por wranglers.

Fueron senior wranglers físicos como Herschel (1813), Airy (1823),  Stokes (1841), Cayley (1842), Tait (1852), Routh (1854), Lord Rayleigh (1865), Larmor (1880) y Eddington (1904) y otros wranglers famosos son Maxwell (2º), Poynting (3º), George Darwin -hijo de Charles Darwin- (2º), H. Lamb (2º), J. J. Thomson (2º), William Bragg (3º) o Jeans (3º). Resulta interesante comprobar como un físico excepcional como es Maxwell no consiguió el primer puesto del Tripos cuando se examinó en el año 1854, sino que fue second wrangler detrás de Routh. La formación de todos los estudiantes del Tripos Matemático, era totalmente teórica y el ideal del Tripos era la perfección, la permanencia, lo absoluto, lo constante. Los exámenes del Tripos tenían lugar en enero, tras tres años y un trimestre de formación, en un majestuoso edificio barroco con grandes ventanales (Senate House) y sin calefacción. Seguro que aquéllos estudiantes que no cayeron enfermos durante la preparación seguro que lo harían durante los exámenes por el frío en este edificio.  En 1909 esta “orden del mérito” fue abolida y el último senior wrangler fue Daniell.

En el año 1851, y coincidiendo con la exposición universal de Londres, la Universidad de Cambridge creó el Tripos de Ciencias Naturales con el objetivo de impulsar la tecnología y la ciencia británica desde la universidad. En 1860 se incluyeron en este nuevo Tripos todas las ramas de la física con contenido experimental: termodinámica, electricidad, magnetismo y óptica.

Senate House (Universidad de Cambridge)

REFERENCIAS

J. M. Sánchez Ron (edición y traducción). Materia y Movimiento (J. C. Maxwell). Crítica. Barcelona, 2006. pp. 19-22.

J. Navarro. El padre del electrón: J. J. Thomson. Nivola libros y ediciones. Madrid, 2006.

C. P. Snow, Las dos culturas y un segundo enfoque. Alianza Editorial. Madrid, 1977.

G. H. Hardy, Apología de un matemático (en el prólogo de C. P. Snow a este libro). Nivola libros y ediciones. Madrid, 1999.

G. Curbera, Matemáticas desde las afueras: Ramanjuan y Sunyer i Balaguer. En “Matemáticos y Matemática” (editado por A. J. Durán, J. Ferreiros). Universidad de Sevilla, 2004, pp. 157-184.

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La aparente soledad de Kamerlingh Onnes

Posted on 07/01/2012 by Augusto Beléndez

El físico holandés Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) tuvo la mala suerte de ser contemporáneo durante casi medio siglo del físico más genial (hasta el momento), Albert Einstein (1879-1955). Mientras Einstein se preocupaba de interpretar correctamente las tres dimensionales espaciales y el tiempo, Kamerlingh se interesaba por la Física de las bajas temperaturas. El gran destello de los trabajos del físico alemán oscurecía (sin pretenderlo) la inmensa labor de otros científicos trabajando en campos de la Física que no parecen ser tan atractivos al gran público.
Al mismo que se celebraba el primer congreso Solvay en el glamouroso hotel Metropole de Bruselas, 1911, Heike anotaba a lápiz, con una caligrafía endemoniada, en un cuaderno de notas escolar que había medido una resistencia nula en su abarrotado laboratorio de la Universidad de Leiden y, por tanto, había obtenido evidencias del fenómeno de la supraconductividad. Él la llamó así, aunque años más tarde se decidió que era más conveniente denominar superconductividad a este fenómeno. Había medido la resistencia del mercurio y anotó en su cuaderno «mercurio prácticamente cero». Había descubierto un fenómeno muy interesante, aunque él creía que había tenido suerte al elegir el mercurio como objeto de su estudio.

En 1911 ya se sabía (modelo de Drude) que los responsables de la conducción eléctrica eran unos pocos electrones de los átomos del conductor, los cuales mientras deambulaban libremente por el interior del metal iban chocando con los iones positivos colocados en los vértices de unos cubos imaginarios de la red cristalina metálica. Se suponía que esa movilidad de los electrones disminuía conforme iba disminuyendo la temperatura del metal conductor. Se creía que se alcanzaría movilidad cero (resistencia nula) cuando la temperatura fuera el cero absoluto (0 K, es decir, -273 ºC), así lo había predicho Lord Kelvin en 1902, la máxima autoridad en bajas temperaturas, suponiendo que la resistencia variaba linealmente con la temperatura.

Sin embargo en el laboratorio de Leiden de Kamerlingh, usando el helio líquido para enfriar, se observó que a una temperatura de 4.20 K (-268.80 ºC) el mercurio tenía resistencia nula, se comportaba como un superconductor. Es decir, no hacía falta llegar a temperatura nula para que el mercurio tuviera resistencia nula, había un salto cualitativo en las propiedades eléctricas del mercurio.

Por este descubrimiento Kamerlingh obtuvo el premio Nobel de Física en 1913; mientras que Einstein tardó ocho años más en lograrlo y no fue por su contribución más importante (la Teoría de la Relatividad), fue por la explicación del efecto fotoeléctrico. El mundo científico sí reconoció el trabajo de Heike, le concedieron el Nobel por sus investigaciones de las propiedades de la materia a bajas temperaturas, que condujeron, entre otros, a la producción del helio líquido. Y, añadimos nosotros si se nos permite, al descubrimiento de la superconductividad.

Podríamos construir circuitos con superconductores por los cuales podría circular una corriente eléctrica sin diferencia de potencial (violando aparentemente la ley de Ohm). Algunos experimentos realizados han logrado mantener esas corrientes durante años sin que haya pérdidas de energía debido al calentamiento de los conductores que forman el circuito. Se calcula que se podrían mantener estas corrientes durante varias decenas de miles de años.

Habrían de pasar dos décadas hasta que tres físicos, Bardeen, Cooper y Scrieffer explicaran satisfactoriamente este fenómeno, mediante la denominada teoría BCS (sus iniciales) merecedora del premio Nobel de Física en 1972.

Bardeen, Cooper y Schrieffer

Kamerlingh intentó solidificar el helio pero no pudo conseguirlo, sí que lo hizo, posteriormente, uno de sus discípulos. Su salud siempre fue muy quebradiza y en 1926 falleció debido a una corta enfermedad.

En la Física como en otras muchas facetas de la vida, además de ser brillante hay que tener suerte, hay que nacer de pie, para que tus trabajos sean reconocidos. Como dijo Sigmun Freud: «He sido un hombre afortunado; en la vida nada me ha sido fácil».

Publicado en La Tribuna de Albacete (7-1-2012): Augusto Beléndez (UA), Alberto Nájera (UCLM) y Enrique Arribas (UCLM). 

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