En esta entrada trataré de explicarles de la manera más sencilla algunos de los aspectos más importantes en los que la tecnología y la ciencia de materiales todavía no tienen respuesta. Simplificaré mucho para que esto pueda ser entendido por cualquiera y así no nos vendan cuentos chinos, en fin, aquí voy
Carga eléctrica
La carga es una propiedad fundamental que tienen algunas partículas subatómicas, de especial interés es el electrón, esa cosita minúscula que se mueve a velocidad tan vertiginosa alrededor del núcleo que nos hace percibir como sólidas las cosas que están casi totalmente vacías. Por convención decimos que el electrón tiene una carga negativa, los protones carga positiva y los neutrones no tienen carga. La carga es capaz de ejercer una fuerza que es la que mantiene unidos a los átomos. Los átomos son normalmente neutros, pero a veces algunos átomos tienen un par de electrones de más o de menos, en ese caso no son eléctricamente neutros y se llaman iones.
Carga electrostática
Lo anterior es a nivel de átomos (submicroscópico), pero a nivel macroscópico, por ejemplo en un pedazo de alambre o cualquier objeto conductor hecho de miles de millones de átomos también puede cargarse. Como los electrones de las capas exteriores están lejos del núcleo, la fuerza que los liga es débil, y basta que frotemos un material para que pierdan estos electrones y el objeto -por ejemplo un lápiz de plástico- quede cargado a nivel macroscópico y pueda atraer a pedacitos de papel que son eléctricamente neutros. Cualquiera puede hacer la prueba.
Conductores, aisladores y corriente
Entonces, si tenemos un exceso de electrones en los átomos de un material, podemos decir que tiene una carga positiva y si le faltan electrones tiene una carga negativa. Un objeto cargado quiere decir que no es eléctricamente neutro porque tiene exceso o le faltan electrones. También tenemos que algunos materiales -los metales por ejemplo- ofrecen un camino fácil para que los electrones se muevan y por eso se llaman "conductores" tal como el agua es conducida dentro de un tubo o una manguera, pero no atraviesa un bloque de cemento
Otros materiales no ofrecen este camino fácil, se llaman aisladores. Si enfrentamos dos objetos conductores, uno con carga positiva y otro negativa, y los separamos con un conductor, los electrones viajarán de uno al otro hasta que queden todos con carga neutra. Este flujo de electrones a través de un conductor, como el flujo de agua por una manguera, se llama "corriente eléctrica" y se mide en amperes.
Diferencia de potencial
Esto es lo que más me costó entender a mí, pese a que es sencillo "potencial" significa algo que puede ser pero no es. Por ejemplo yo podría ser un genio en potencia, o tal vez un asesino en potencia, pero nunca se me ha ocurrido una genialidad ni he matado a nadie... pero podría ocurrir. Para ponerlo más claro: una bolita de 100 gramos de fierro en el techo de un edificio de 50 pisos tiene una gran energía potencial, aunque a un metro de altura tiene mucho menos. Basta que nos caiga en la cabeza para darnos cuenta, aunque mejor no intentar el experimento.
La diferencia de potencial eléctrico, llamada también voltaje, es justamente eso: la diferencia de carga eléctrica entre dos objetos. Mientras más grande es esa diferencia entre los dos objetos (mayor voltaje) -por ejemplo los terminales de una batería o los agujeros de un enchufe- más energía eléctrica podemos obtener.
Resistencia
Pero ningún conductor es perfecto, porque todos presentan cierta resistencia al flujo de corriente, esta resistencia hace que parte de la energía que viaja por el conductor se transforma en calor y se pierde en el camino. Además por lo mismo, los conductores solo pueden llevar una cantidad limitada de corriente porque pasado cierto límite se funden.
Esto es lo más básico de la electricidad en corriente contínua y de aquí sale la ley de Ohm que relaciona el voltaje, corriente y resistencia en una ecuación simple: V=IxR (la corriente multiplicada por la resistencia debe ser igual al voltaje) . Este es el silabario de la electricidad.
Un último detalle que nos falta conocer es que todos los aparatos eléctricos o electrónicos son resistencias, bueno, en realidad es un poco más enredado, son impedancias porque hay efectos de corriente alterna, pero podemos pensarlos como resistencias sin gran problema, también se llaman "cargas". Todos los circuitos eléctricos que existen, sin excepción son básicamente una fuente de poder que tiene diferencia de potencial entre sus extremos conectada a una especie de resistencia, a una carga para ser más técnicos.
Baterías
Si hablamos de aparatos portátiles, que no están enchufados, esta fuente de poder que los alimenta es una batería, es decir, un aparato que tiene la capacidad de mantener las cargas separadas mientras sus terminales están desconectados y producir una corriente para alimentar con energía a una carga cuando el aparato se enciende, es decir, cuando se cierra el circuito
¿Cómo se mantiene esa separación de cargas en primer lugar? "Cargando" la batería, es decir conectándola a un dispositivo que tenga esa diferencia de potencial para que se la traspase. Podemos pensar en varias analogías para entender este proceso de carga-descarga.
Por ejemplo si echamos agua a una olla y la calentamos hasta hervir, al cortar el fuego el calor se mantendrá por algún tiempo, pero después se va perdiendo porque el calor tiende a traspasarse al aire que lo rodea y el agua se enfriará poco a poco, hasta alcanzar la temperatura del aire, alli queda en equilibrio.
Una batería funciona igual, al cargarla le estamos aplicando una diferencia de potencial que hace que en un terminal se concentre la carga positiva y en el otro la negativa y tal como el agua se va calentando con el fuego, la batería va tomando voltaje, al quitarle el cargador la batería -al contrario del agua. mantendrá su carga porque los terminales están aislados entre si y no hay nada que cierre el circuito, pero si le conectamos cualquier carga, se producirá una corriente y la batería comenzará a descargarse hasta que ambos terminales queden al mismo nivel de 0 volts, es decir, en equilibrio.
O sea: una batería cargada está en desequilibrio de cargas, si el circuito está abierto (los terminales aislados entre sí) permanece igual, pero cuando le conectamos una carga empieza a descargarse.
¿Cómo diablos lo hacen?
Desde que Alessandro Volta inventó la batería eléctrica en 1745, la tecnología es exactamente la misma: un cátodo y un ánodo sumergidos en un electrolito, incluso las pilas aparentemente secas siguen este mismo principio, no ha existido ninguna revolución tecnológica en más de dos siglos, solo han cambiado los materiales de que están hechas.
Una batería es muy parecida a un condensador, que tiene dos superficies de metal separadas por un aislador. Si la superficie es lo suficientemente grande, puede almacenar la diferencia de potencial solo por acumulación electrostática: a una placa se le suministra un exceso de electrones y a la otra se le extraen conectando las placas a un cargador con diferencia de potencial capaz de aportar corriente. Lo malo es que los condensadores son mucho menos eficientes porque solo acumulan, entre otros problemas.
Las baterías eléctricas en cambio no acumulan la electricidad electrostática, sino que al cargarse transforman la energía eléctrica en energía química y así es como se acumula, al descargarse, la energía química se vuelve a transformar en eléctrica. El invento de Volta (de su nombre viene el voltaje) consiste en usar dos superficies de metales distintos (a veces iguales) que se llaman ánodo y cátodo, donde se almacenan las cargas, el electrolito hace la conversión química en ambos sentidos para cargar y descargar la batería.
Las baterías de auto corrientes por ejemplo, tienen placas de plomo sumergidas en una solución de ácido sulfúrico. Las antiguas pilas -todavía se usan- no eran recargables y tienen un ánodo de zinc y un cátodo de carbono, separado por un electrolito que es una pasta de cloruro de zinc y cloruro de amonio mezclado con agua. Las primeras baterías recargables eran de níquel cadmio, caras, contaminantes y peligrosas. hidruro de níquel, poco eficientes y con efecto memoria. Hoy la moda son las de ion-litio.
Nada nuevo bajo el sol
Todas estas baterías, y las que se publicitan como la siguiente maravilla tecnológica (como las de electrolito de estado sólido por ejemplo) siguen exactamente la misma tecnología de las pilas que inventó Volta hace más de dos siglos, no hay ni un cambio, solo han cambiado los materiales para mejorar la eficiencia y por ese camino es muy improbable que veamos un progreso importante en los años que vienen.
Podemos pensar en las baterías como un resorte, al que le aplicamos energía para que se estire y así mantenga separadas las cargas eléctricas, al conectarlas a un circuito empieza a fluir la corriente y el resorte se va soltando, hasta que llega a su estado de reposo cuando las cargas están equilibradas en cero. Creo que falta muchísimo para que se invente una forma nueva y mejor de almacenar energía, tendría que producirse un descubrimiento científico fundamental y revolucionario en ciencia de materiales o, mejor aún, alguien tendría que inventar un mecanismo diferente y mucho más eficiente.
Por ahora, es lo que hay, mientras no existan baterías que mejoren en miles de veces la eficiencia de las actuales, los vehículos eléctricos no tendrán futuro a nivel masivo, seguirán siendo curiosos y costosos juguetes, tal como lo fueron junto con la invención del automóvil. Porque, si no lo sabían, los autos eléctricos existen desde antes de los con motores de combustión, y nunca han funcionado bien.
Bah, cuando empecé a escribir esto tenía la idea clarísima en la cabeza, pero me fui enredando a medida que escribía y me quedó un pastiche que no es ni la sombra de lo que yo había imaginado, tal vez algún día se me ocurra una mejor manera de explicarlo, por ahora lo dejo así. Creo que mi charlatanería me llevó demasiado lejos esta vez.
Don Tomás, me encanta su entusiasmo al escribir, su ironía y por supuesto su optimismo en la técnica, desde que le sacábamos filo a la punta de la flecha y estirábamos el cordel del arco, hasta que en algunas décadas, menos de un siglo seguro, logremos la inmortalidad biológica, se imagina.. Imaginando se teje el mundo, urdiendo, sería una mejor palabra.
ResponderBorrarMe creería si le digo que se está por conseguir los 400Wh/Kg y ya hay prototipo de laboratorio que apuntan a los 2,6KWh/Kg...
Tb he sufrido las promesas de la técnica, en mi agitado corazón de niño, recuerdo hace unos 10 años se hablaba de eestor, un fabricante, un cuentero en realidad, que prometía hiper condensadores de una altísima densidad energética, el dieléctrico era titanato de bario y proclamaban más de 3mil voltios de calidad dieléctrica... nunca llegaron esos condensadores.
Lo esencial en una batería es la existencia de 2 metales con diferente electronegatividad, separados por un puente iónico. La electronegatividad del litio es alta, la más alta de los elementos, por ahí va la cosa.
Las nvas generaciones de baterías se concetran en materiales compuestos, o nano compuestos, deposiciones de dopantes sonre el sustrato, que impiden la destrucción física de los electrodos por electroerosión, la densidad iónica por volumen depende al final de cuánta superficie pueda exponerse al contacto con el puente iónico, es decir están haciendo electrodos con capas y poros a nivel nanométrico... y tratando que sea fácil y barato de fabricar.
Yo sí creo que lo lograrán, con 1KWh/Kg ya se pueden hacer aviones eléctricos y quiero creer que la cifra de aquí a 10 años será una potencia específica como ya le comentaba, bordeando los 3Kwh/Kg.
Hoy mismo Tesla, su amigo Elon, demostró un supercomputador con rango de ExaFlop, costando un cuarto de uno equivalente de hoy, y la vdd que pueden apilar tantos gabinetes cómo quieran, es decir tienen potencia de cálculo y modelamiento gigantesco, tanto cómo quieran en la práctica. Está claro que en ese computador cabría todo el metabolismo de una célula, imagine qué podría hacerse con eso, lo curioso es que la IA es capaz de procesar información y encontrar patrones que no somos capaces de ver cómo humanos, así es difícil estimar hasta dónde podrían llegar. Me creería que hay 2 corrientes de pensamiento en cto a los sistemas biológicos, yo sospecho a cuál pertenecería usted, al menos formalmente, están los mecanicistas que insisten en que una célula, la vida misma, responde sólo a las 4 fuerzas que describe la física clásica y la 2a corriente, de espiritualistas fervorosos, que suman algún elan vital propio sólo del estado de la materia viviente. Lo cierto es que en algún pto de complejidad molecular y organizativa, la materia y sus fosfolípios cobran "inteligencia" y hasta escriben poemas... o se enojan, materia enojada, rigor científico en la comparación.
Si la vida es solo materia, veo posible, al menos cabe en el dominio de lo computable, y computo habrá por toneladas.
Cordial saludo
Héctor
Yo pongo mis esperanza en la "pila de combustible", esa suerte de batería alimentada continuamente. Espero que puedan alimentarla con algo fácil, como etanol, porque lo de envasar hidrágeno suena complejo. Así la industria de la fermentación prosperará, cada tanto tendrán excedentes que que vender barato para sacárselos de encima (cerveza, vinos, etc..) Uls
ResponderBorrarBerson, Pierre de Chardin, los vitalistas han llegado a siglos recientes. Uls
ResponderBorrarSe de algunas pocas cosas, de otras entiendo bastante, de muchas puedo chamullear e incluso hacer preguntas, pero de electricidad: nada, cero, tanto como de futbol o swahili.
ResponderBorrarExcelente post, si algun diu lo redondearas, seria genial. En todo caso lo guardare, sera una tarea pendiente tratar de "cachar la cosa electrica".
Solo por interes nacional pregunto. lei que las batarias de iones de sodio podrian reemplazar con ventaja las de litio y otros minerales mas caros. ¿Nos entubaremos el litio antes de explotarlo?
Yo tampoco entiendo mucho de baterías, pero de lo que sí me he dado cuenta es que, por muy avanzada que esté la tecnología existen límites físicos y prácticos para aplicarla. Las baterías tienen algo de ambos mundos.
ResponderBorrarUn ejemplo de eso podría ser el hecho de que, por muy sofisticados que sean los materiales, un panel solar nunca va a recoger más de energía de la que el sol puede aportar.
Otro ejemplo de la limitación es que un computador deja de ser práctico pasado cierto límite de reducción de tamaño. Por muy sofisticada que sea la máquina, su interfaz estará limitada al uso humano; por ejemplo, un reloj-computador puede servir para hablar por teléfono, pero no para ver películas, ni para leer.
Hay algunas personas que creen que no hay límites; o sea, con el ejemplo anterior sería que en algún momento un computador del futuro será un chip microscópico con la capacidad de proyectar imágenes e información con el pensamiento. Ese es un pensamiento muy falaz, en la práctica, un teléfono moderno tiene muchas funciones, es más liviano, le dura más la batería, pero su tamaño no es muy diferente al que tenía hace 30 años atrás; ahora son casi pura pantalla.
Otro ejemplo es la necesidad de transportarse, ésta tiene como punto cúlmine eliminarla o la teletransportación. Mientras eso no ocurra, los vehículos van a seguir siendo más o menos del mismo tamaño que hace 100 atrás.
Supongo que por ahí iban los tiros; es decir, el espacio que dan estos temas para la charlatanería. Algo así como soñar con baterías del tamaño de una arveja con la energía suficiente para mover transbordadores espaciales que nos permitirán llevar una maquinita que transforme el suelo de otro planeta en materiales de construcción.
El tema de las baterías siempre será un tema de discusión. Yo por lo menos, en mi hobby me pasé de las de NiMH a las LiPO (Polimero de Litio) que son mas potentes, con menor voltaje pero pasado un tiempo (unos 3 años de uso y abuso) aún cargandolas con un cargador inteligente (de esos que venden en Mirax.cl) terminan dañandose y ser un riesgo para uno. son pequeñas, poderosas pero medio inestables con el tiempo, si no se cargan al voltaje minimo, se dañan irreversiblemente.
ResponderBorrarAh, por alguna razón me desconectaron de nuevo la notificación de los comentarios, sorry.
ResponderBorrarHector, creo que el problema que tenemos es la extrapolación. Entre 1960 y hoy el campo de la electrónica de estado sólido (chips semiconductores y cosas así) ha avanzado con la velocidad vertiginosa de la Ley de Moore (se dobla la densidad de transistores en un chip cada dos años más o menos). Esto ocurre solo con los chips, pero muchos cuenteros han aparecido a vender a la gente común -y también a técnicos y científicos, que no son de fuierro- la ilusión que eso se repetirá en todos los demás campos de la tecnología.
LA verdad es que la Ley de Moore ni nada remotamente parecido ocurre en la ciencia de materiales, ni siquiera en el resto de la electrónica. Los grandes descubrimientos de la electrónica analógica se hicieron en los años 20 a 50 más o menos: el amplificador, oscilador, superheterodino, modulación, etc. funcionan hoy igual que cuando se inventaron.
En baterías creo que estamos cerca de los límites físicos que mencionaba Challenger y todos esos anuncios de nuevos materiales maravillosos son puro cuento. Claro que hay mejoras, siempre se están descubriendo nuevos materiales y mejorando un poquito aquí y allá. El ión litio mejoró al niquel cadmio, pero no hay Ley de Moore ni nada que se le asome en esto. Solo los normales avances de la tecnología.
Gente como Musk o Jobs, que jamás tuvieron formación en ingeniería pero eran m8uy buenos para los negocios, hicieron fortuna vendiendo falsas expectativas levantadas a puro voluntarismo y explotando la ingenuidad de la gente, muchos que si saben ingeniería le creen porque tienen los conocimientos pero no sacan las cuentas, seducidos por eso de "querer es poder".
LAs baterías solo pueden mejorar por dos lados: encontrar mejores materiales o inventar una forma radicalmente distinta para almacenar energía, ambas vías de mejora deben cumplir con un requisito fundamental: ser muy baratas, porque no se saca nada con tener baterías espectaculares de grafeno cuando el grafeno es más caro de producir que el oro o los diamantes. Por el momento ninguno de los anuncios que se hacen como "inminentes" me parecen factibles y creo que no tienen ningún sentido hacer proyecciones a x años más basadas en materiales o tecnologías que hoy no existen. Eso es precisamente lo que vende mi amigo Musk, que es el rey de la extrapolación tecnológica sin tener él mismo gran idea de tecnología.
Ulschmidt, las pilas de combustible funcionan, como muchas otras tecnologías, sin embargo no cumplen con el requisityo fundamental de ser más baratas que sus competidoras, las baterías tradicionales. Si mañana aparece alguien con una batería milagrosa (muy improbable) que se carga en segundos y dura semanas por su gran densidad de energía, pero cuyo costo de producción es de cien mil dólares no serviría de gran cosa, excepto tal vez para algún millonario excéntrico.
El vitalismo no lo encuentro tan tirado de las mechas en el sentido que no distingue entre la materia viva y la inanimada, tal vez no estén tan perdidos en eso, aunque en los detalles muchas explicaciones son bien absurdas.
ResponderBorrarWilson, es casi inevitable que aparezcan materiales nuevos y mejores que el ion litio, que es una tecnología que ya parece haber llegado a su madurez, los electrolitos de estado sólido que describió Hector pueden ser uno de los avances y en caso de desarrollarse, chao litio. A diferencia del cobre, hierro, etc. el litio está muy amarrado a una tecnología específica, que para colmo ya está madura así es que no sería raro su declive como pasó con el niquel cadmio y otros.
Challenger, ese es exactamente mi punto, exixten límites físicos que impiden hacer edificios de diez mil pisos o tender un cable desde la tierra hasta la luna por ejemplo.
A veces la tecnología tiene grandes avances. Cuando yo estudiaba electrónica me enseñaban algo así como que un condensador de un faradio era imposible porque las placas deberían tener el radio de la tierra, sin embargo hoy podemos ir a una tienda y comprar un condensador de 220 faradios a 2 volts por ejemplo, ese es un gran avance. Otra cosa es creer que esto significa que en pocos años más tendremos condensadores de 10 mil faradios a 100 mil volts, esos son los cuentos que venden gente como Musk o Jobs, en base a "prototipos de laboratorio" o "maquetas" más falsas que los pechos de Daniela Vega
Jose, las baterías de ion litio han sido un gran avance en varios sentidos, especialmente en lo "carne de perro", son increíblemente resistentes. Yo le saco las baterías 18650 a computadores viejos, las recargo y siguen funcionando como nuevas, tengo mi linterna, banco de baterías, Raspberry y un montón de otras cosas alimentadas con esas. ¡Algunas de estas baterías son de computadores del año 2005 y todavía hoy funcionan perfectamente!
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