Fotosíntesis y fotoconversion de la luz solar

Hasta el presente en los diferentes estudios realizados sobre el tema, se le ha prestado poca atención al valorar y caracterizar la luz solar como fuente de energía (Fig. 1), a su peculiar estado de agregación. Se trata, en esencia, un gas de fotones de amplio espectro de frecuencias, lo que le concede un carácter muy entrópico.

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Fig.1. Luz solar.

 Con una marcada vocación docente, el trabajo ha sido concebido para brindarles a los lectores un objeto de estudio novedoso. Más aun, de mostrar con claridad el escenario al que la humanidad debe aspirar. A esto se añade el hecho de que, temáticamente, la relación entre estas disciplinas, especialmente entre la física y la biología es muy intensa, hecho que desafortunadamente parece ignorarse y el cual, sin embargo, el tema tratado pone de manifiesto con mucha claridad.

Curiosamente, y esto es muy importante, en la medida que el nivel de vida de un país es mayor, el impacto ambiental de la trayectoria de vida de un ser humano es mayor.

En los últimos años, muchos trabajos muestran  de forma muy dramática aspectos de la degradación ambiental. Es solo una muestra del creciente interés que en el mundo despierta este tema vital. Este razonamiento lleva directamente a una conclusión: trabajar con tesón y conocimiento de causa en este sentido podría tener una elevada significación conservacionista. Es ésta una forma de luchar por la conservación de la bio-diversidad y el medioambiente de nuestro planeta.

En relación con un programa docente, y como un resultado adicional, se puede afirmar que por esta vía se le facilita a los estudiantes y lectores, en grado sumo, la comprensión de tres materias: física, química y biología.

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Fig. 2. Materias: física, química y biología.

El célebre efecto fotoeléctrico, con toda la actividad experimental y teórica que se le asocia, se ubica en los cimientos mismos de la mecánica cuántica, que es lo mismo que decir de la física moderna. Por esta razón, la comparación entre el mecanismo cuántico de funcionamiento de una celda solar, un elemento artificial resultado de la física del estado sólido, su capacidad de absorber los fotones con un carácter espectral, y el de la absorción espectral de los propios fotones en el proceso de fotosíntesis que tiene lugar en una planta, resulta de sumo interés (Fig. 3).

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Fig. 3. Fotoconversión y fotosíntesis de la luz solar.

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La Termodinámica solar y la encíclica del papa Francisco

BM09_F1_Encíclica papalLa encíclica del Papa Francisco Alabado… (Fig. 1) le concede especial importancia a la afectación que le ocasiona a nuestro planeta y a sus recursos de vida la acción del hombre. Esto es particularmente así cuando la afectación es debida al uso de armas de destrucción masiva.

Fig. 1. Portada de la encíclica del papa Francisco.

En este sentido se debe enfatizar el hecho de que, además del uso de las bombas como tales, son particularmente dañinos los procesos de producción del llamado material fisionable que en ellas se utilizan.

Han resultado particularmente degradantes  para nuestra Tierra los procesos de producción de armas nucleares. Los proyectos nucleares de EEUU (proyecto Manhattan) y la Unión Soviética en la década de los cuarenta son un buen ejemplo de esto. Curiosamente, el estudio desde el punto de vista conceptual del uso de la luz solar como fuente de energía, proporciona el aparato conceptual adecuado para el análisis de este problema. En efecto, hasta el presente no se enseña con suficiente claridad en los cursos de termodinámica de las carreras universitarias y aun en los cursos de nivel medio superior, que el colosal desequilibrio potencial que se logra al fabricar una bomba atómica, por ejemplo, se logra al precio de una enorme compensación termodinámica.

Zonas enteras del mundo han resultado afectadas en el afán de obtener productos nucleares. A su vez, cuando la bomba es detonada se desencadena  un proceso de cinética nunca antes vista. El grado de irreversibilidad del proceso se manifiesta en los conocidos tres efectos destructivos de la bomba: un huracán de velocidad del orden de cientos de km por hora, un huracán de fuego y otro radioactivo, (Fig.2).

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Fig. 2. Representación de un huracán y la explosión de una bomba átomica.

Explicado de esta forma, el tema es perfectamente comprensible para un alumno del nivel medio superior. Sin embargo, nunca se enseña termodinámica de este modo. Esta es, en última instancia solo un ejemplo de la forma de educar a las futuras generaciones que la Encíclica del Papa  Francisco pide de nosotros.

Lo anteriormente señalado a modo de ejemplo es solo una expresión del criterio defendido en nuestra interpretación de la Encíclica de que el mundo exige para su supervivencia un cambio radical de las concepciones docentes vigentes y más aun de los temas que forman parte de los planes de estudio. En esta nueva concepción de la docencia ha jugado un papel fundamental el estudio de  la termodinámica de los concentradores solares, especialmente el vínculo esencial que se pone  de manifiesto en este estudio entre óptica y termodinámica de la luz solar (Fig.3).

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Fig. 3. Portada del libro Termodinámica de los concentradores solares.

El milagro de la creación interpretado a través de nuestro Sol.            

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La luz solar y la vida en el planeta

Se destaca los fuertes vínculos existentes entre la astronomía, la meteorología y la ingeniería del aprovechamiento de la luz solar como fuente de energía. No obstante, es importante destacar también y tratar con algún grado de detalle, la importancia de la luz solar para la vida en el planeta, vista esta relación desde el punto de vista más general y con la segunda ley de la termodinámica como elemento de análisis.

Son tres los temas abordados, dos de ellos de forma comparativa, la fotoconversión de la luz solar (Fig. 1) y la fotosíntesis (Fig.2). Se trata de destacar el hecho de que, dado que la luz solar tiene como fuente de energía un carácter omnipresente que la relaciona con la vida de los animales y con la vida de las plantas, se debe trabajar esforzada y ordenadamente por lograr un escenario en el que el área del planeta dedicada a la vegetación, los cultivos incluidos, se complemente, fundamentalmente, con campos de celdas solares y los captadores térmicos. Todo ello debe ser alcanzado en gran escala de modo que la luz solar juegue el papel que le corresponde en el balance energético de las diferentes regiones del mundo.

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Fig.1. Fotoconversión de la luz solar.

No se trata precisamente de exponer con extensión excesiva los fundamentos de la fotoconversión ni de la fotosíntesis de la luz solar.

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Fig.2. Fotosíntesis de la luz solar.

No obstante, se presentan algunos elementos mínimos de física del estado sólido que permitan adquirir  una visión elemental, sencilla, pero rigurosa, del principio de funcionamiento de una celda solar. De igual modo, se describe el proceso de la absorción de los fotones solares en el esencial proceso de la fotosíntesis.

Se trata, sobre todo, de mostrar, comparativamente, los mecanismos de acción de la absorción fotónica tanto en un proceso como en otro. Y en el fundamento mismo del tratamiento está la segunda ley de la termodinámica, principio de la física y de la ciencia en general que parece subyacer en el centro mismo de la naturaleza y de la vida. Más aun, la segunda ley de la termodinámica, específicamente el principio de degradación de la energía que de ella se deriva, ha de resultar un elemento clave para  la preservación de los recursos de vida del planeta y de la vida misma.

Otro elemento omnipresente y muy activo de la interacción de la luz solar con la vida en la Tierra, es el viento (Fig.3). Como se conoce, el viento es en última instancia un producto de la acción de la máquina térmica que es el la atmósfera, alimentada por la energía procedente del Sol. Sin dudas, junto con la biomasa, la energía eólica es una de las fuentes de energía no convencional de mayor peso relativo en el balance energético mundial.

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Fig.4. Aprovechamiento energético del viento.

Se trata de energía de gran valor, energía de máxima gradación, es decir de máxima calidad. Se trata de energía mecánica que puede ser convertida, en principio en un ciento por ciento, en energía eléctrica. Sin embargo, por su relación directa con la vida, el fenómeno del viento en su manifestación extrema, los huracanes, son el tema elegido para ilustrar con un ejemplo el mecanismo de acción mediante el cual la energía contenida en la luz solar se convierte en energía mecánica. La energía procedente del Sol se convierte en un proceso relativamente complejo que involucra el movimiento de rotación de la Tierra, en energía de máxima gradación, energía mecánica.

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