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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Fotoconversión y Termoconversión de la luz solar

La fotosfera y la constante de Stephan-Boltzmann

La radiación solar que llega a la Tierra procedente del Sol, en forma de luz visible procede de la fotosfera solar. Aproximadamente, se trata de un emisor de radiación de cuerpo negro a una temperatura cercana a los 6000 K. En la descripción de este proceso de transferencia de calor, la ley de Stefan—Boltzmann, la cual describe la emisión de radiación, juega un papel esencial

 La obtención de la fórmula de la constante de Stephan –Boltzmann solo es posible mediante la aplicación de métodos propios de la física estadística. La termodinámica clásica no permite obtener este resultado, en rigor, solo permite concluir que el cuerpo negro emite energía por unidad de tiempo proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta T(K).

 La termodinámica estadística va más allá de esto, proporcionado la fórmula deseada. El efecto útil de este resultado, no consiste solo en  la obtención de la fórmula como tal, sino también en el hecho de que, a lo largo de la demostración, se puede apreciar con claridad el vínculo esencial existente entre las dos opciones de utilización de la luz solar como fuente de energía: la térmica y la fotovoltaica.  La solución de la integral (1) da como resultado:

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Nótese que se trata, hasta aquí de radiación en estado de equilibrio, por ejemplo radiación encerrada en una cavidad (ver Fig. 1).

Sin embargo, ley de Stephan—Boltzmann se refiere a un proceso de emisión de radiación. Se trata de  un caso típico de un sistema en estado de desequilibrio en el que tiene lugar un proceso de transferencia de energía por radiación y establece que “un cuerpo negro emite radiación con una potencia emisiva hemisférica total, [W/m²] proporcional a la cuarta potencia de su temperatura”

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Fig. 1. Cuerpo negro en equilibrio.

Sea la misma cavidad con radiación en equilibrio en su interior, en la que se ha practicado un orificio de forma que se ha convertido en un sistema emisor de radiación. Se conoce también que, de acuerdo con la teoría cuántica, los fotones viajan a la velocidad de la luz c y que estos abandonan la cavidad en proporción directa al diferencial de ángulo solido asociado a la dirección de su trayectoria,   obviamente, como una mitad de estos fotones va en una dirección y la otra en la contraria, resulta la expresión deseada:

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donde: es la constante de Stephan–Boltzmann y es  igual a 5,6704·10-8 Wm-2K-4.

Esta expresión puede ser escrita de una forma diferente. Para ello es necesario introducir el concepto óptico de índice de refracción, el cual se define de acuerdo con la formula:

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 En realidad se trata de la inclusión en el modelo del hecho físico de que la presencia de un medio dieléctrico de índice de refracción diferente de uno, modifica la expresión de la constante de Stefan–Boltzmann para el vacio, aumentando su valor. En el caso  de la fotosfera solar como emisor de radiación de cuerpo negro, se tiene n = 1.

Interpretación física de la demostración: foto y termo conversión de la luz solar

 A los efectos de establecer una relación conceptual entre las dos formas básicas de utilización de la luz solar como fuente de energía, la térmica y la fotovoltaica, se pone de manifiesto el carácter integral de la emisión de energía térmica que describe la ley de Stefan—Boltzmann. Se trata de reparar en el hecho de que a la emisión de energía contribuyen todos los modos de vibración presentes en el espectro de emisión.

 Conceptualmente, la diferencia entre una forma u otra forma de conversión de la luz solar reside en el hecho de que la celda solar convierte la luz solar en energía eléctrica intervalo por intervalo de frecuencia, mientras el cuerpo que absorbe la luz, se calienta mediante un mecanismo fonónico y entonces emite radiación de acuerdo con la ley de Stephan-Boltzmann.

 Desde el punto de vista espectral, esto último lo hace ya integralmente, desentendiéndose de la distribución de frecuencias. Sin embargo, y esto es lo más importante, a ella contribuyen, como contribuyen también en el caso de la conversión fotovoltaica, los modos de vibración descritos anteriormente.

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Fig.2. Colector solar plano y módulo fotovoltaivo.

 Dado que se trata de una forma menos detallada de conversión, la cual lleva implícito cierto nivel de desinformación y, por tanto, un proceso de conversión de una forma de energía en otra que tiene lugar con mayor grado de irreversibilidad, resulta esperable que el resultado final sea menos valioso, calor a baja temperatura, en contraposición a la energía eléctrica producida por la conversión fotovoltaica; una energía de máxima gradación, energía eléctrica, la que resulta del proceso de fotoconversion de la luz solar.

 

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La lógica ilógica del micromundo

La lógica del micromundo incluido el átomo, el núcleo y las partículas elementales que lo constituye, como el neutrón, el protón, los mesones, difiere sustancialmente de la lógica del macromundo; el mundo en que vivimos que ha condicionado todas nuestras perfecciones del mundo circundante. A partir de las representaciones que el ser humano ha desarrollado sobre la base de sus experiencias cotidianas, es muy difícil aceptar la lógica del micromundo, es decir, la lógica de la mecánica cuántica.

La primera cosa que es importante no dejar de repetir es que la capacidad de predicción, como teoría científica, de la mecánica cuántica se basa en consideraciones de naturaleza probabilística.

En realidad, para  comprender el enfoque  microscópico de  Boltzmann, no es necesario estudiar  en detalle la peculiar  composición atómica.

Desafortunadamente, los prejuicios contra el concepto de entropía  estadística han durado demasiado, casí  un  siglo. Hoy  día el concepto tiene, docentemente,  un alcance  limitado, siendo patrimonio casi exclusivo del mundo  de los  físicos  teóricos.

Existen dos formas de percibir  la realidad, la racional y lógica propia  de la ciencia, y la intuitiva, esencialmente  subjetiva, propia  del  arte. En realidad  no es una frontera definida  lo que las divide;  hay mucho de intuición en la  ciencia  y también hay racionalidad  en el reflejo de la realidad  del  artista.

La  obra de  Boltzmann se  ubica en el tipo de reflejo  racional de la realidad, la de  Hawking  en esa  especie de tierra  de  nadie entre lo racional y lo estético, mitad ciencia y mitad  poesía. Ambos  resultaron ser del tipo de ser  humano que, al decir del poeta guatemalteco  Roque  Dalton,  son  los  culpables  de nuestros sueños. La  muestra  plástica  que aquí se ofrece, con su obstinada insistencia  en el agobiante  tema de la  irreversibilidad  de los procesos reales, constituye  un imprescindible homenaje  a estos dos  físicos.

Una  aclaración  necesaria

Este trabajo constituye solo   un paso  más de los esfuerzos realizados  por los autores  para colocar el  llamado  principio  de entropía  de  Boltzmann y el enfoque  mismo del gran científico austriaco sobre  el fenómeno de la irreversibilidad, que es lo mismo que decir sobre los procesos de  degradación de los  sistemas para la vida, en el centro de  la  lucha por la  supervivencia humana.

 De lo que se trata es de intentar  resolver toda  una larga cadena de problemas actuales que en su devenir podrían conducir a un dramático escenario. Se  trata de una forma de enfocar la lucha por evitar catástrofes de todo tipo,  de mitigar  sus  consecuencias  en el caso de que ocurran, y también de enfocar  racionalmente el problema del uso  de la energía en un mundo que cada vez comprende mejor que  los recursos de que dispone son finitos y que ineluctablemente se agotaran en un futuro demasiado cercano.

Cuba, país  donde se pueden encontrar los  antecedentes  de estas ideas, recogidas en la monografista titulada  Termodinámica de los concentradores solares, Editorial Española, resultado  bibliográfico  de un curso de postgrado de carácter  nacional que  acumula casi veinte  años de experiencias docentes y de investigación sobre  fuentes  renovables de energía; debe ser por lógica  y derecho propio .

Una  experiencia  sacada  de  este esfuerzo  docente  es  que el proceso  de  concentración de  la luz  solar  constituye  una  forma  clara y rigurosa, muy original, de ´presentar el concepto de  entropía  de  Boltzmann». Este enfoque debería formar parte de la docencia habitual universitaria y tecnológica.

Más  aun, dada la sencillez  de su formulación matemática del concepto de entropía  de  Boltzmann,  que requiere solo el dominio del concepto de logaritmo y de algunas de sus propiedades  elementales, la empresa resulta en principio perfectamente  factible. La  célebre formula física:

                 S =    k · ln W

la cual, sin tanto impacto como la relativista de  Einstein:  E = mc2, removió los cimientos de la física teórica  a principios  del  siglo XX.

Por otra parte, ya hoy día está claro para todo el mundo que los  recursos  de que  el  hombre  dispone para  vivir  están sometidos hoy día  a  un constante proceso  de extinción y degradación que, por lo general, lamentablemente  se  manifiesta  a  un ritmo  vertiginoso. Se trata  de un proceso constante de aumento de entropía en  el mundo, integralmente considerado, como un sistema, que la supervivencia humana, en peligro,  impone  controlar con premura. Por esta  razón, la  llamada  definición estadística  de entropía, la de  Boltzmann, sin dudas, la forma  más clara de presentar  este  concepto, necesariamente  debe ser  del  conocimiento de todos.

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