Nuestra estrella el Sol: La fuente de nuestra energía

Para iniciarse en las actividades de investigación de energía solar fotovoltaica debemos comenzar por el principio: El Sol.

Entender como el Sol irradia su energía en forma de ondas electromagnéticas y la composición de su espectro, nos permitirá saber qué hacer para cosechar esa energía, qué fenómenos físicos podemos utilizar, que materiales debemos desarrollar, y sobre todo nos permitirá conocer cuáles son nuestro límites para generar energía eléctrica.

Además, conocer el ciclo de vida de las estrellas nos permitirá saber con bastante precisión, con qué materiales realmente contamos para generar tecnologías a gran escala.

Con esta información de nuestro astro, es que podemos dedicarnos a la búsqueda y desarrollo de nuevos materiales para la fabricación de celdas solares fotovoltaicas. La investigación en esta área es muy diversa, y va desde la creación de nuevos materiales; caracterización de sus propiedades eléctricas, ópticas y químicas; creación de nuevas estructuras electrónicas de celdas solares; mejoramiento de la eficiencia de las tecnologías existentes de celdas solares, hasta la investigación de sinergías y de nuevas aplicaciones.

En este primer artículo, hacemos una revisión muy somera del origen de la energía de las estrellas; sus ciclos de vida; y una breve caracterización de nuestro astro principal, el Sol.

1.- El origen de nuestra energía: Las estrellas

Hay que entender el rol fundamental que desempeña el Sol en nuestra mera existencia; ésto es crucial y fundamental para garantizar nuestro futuro como especie. En términos de relevancia y abundancia, el Sol es básicamente la única fuente de energía activa de nuestro planeta. Si el Sol desapareciera en un instante, es infinitamente problable que toda la vida en el sistema solar desaparecería irremediablemente en cuentión de horas o días. Existimos solo gracias a que existe el Sol, así de simple.

Prácticamente, toda forma de energía que existe en nuestro planeta y que tenemos a nuestra disposición, ha tenido su origen en el Sol o en las estrellas que han precedido a nuestro Sol. Entre todo lo que es posible contabilizar como fuente de energía que tiene su origen en las estrellas, encontramos a los combustibles fósiles, la energía nuclear, las energías renovables, y en general a todos los materiales y elementos químicos que existen.

1.1.- Los combustibles fósiles

Los combustibles fósiles no son más que grandes acumulaciones de energía solar, que tienen su origen en los billones de materiales orgánicos, bacterias, animales y plantas que cosecharon la luz solar y que fueron acumulándose por milenios en la corteza terrestre. Durante ese tiempo, estas reservas fósiles fueron sometidos a las temperaturas y presiones necesarios para crear dichos combustibles. De allí su nombre: combustibles fósiles. Entre los combustibles fósiles destacan el petróleo, el gas natural y el carbón. No se puede negar que los combustibles fósiles han sido los motores principales del proceso de industrialización de la humanidad. Pero, no sólo han posibilitado la industrialización, sino que además han moldeado de manera casi absoluta la economía y psicología del planeta; estableciendo los criterios y parámetros para definir el valor y precio de casi cualquiera de las actividades humanas que llevamos a cabo. Es difícil darse cuenta de ello, pero el valor que le damos a los combustibles fósiles, son prácticamente el único parámetro que los seres humanos utilizamos para establecer el concepto de lo que es riqueza, valioso o abundante.

1.2.- La energía nuclear

En el caso de la energía nuclear, ésta tiene su origen en los materiales radioactivos. Este tipo de elementos químicos pesados surgen cuando se produce la “muerte” violenta de una estrella en forma de supernova. El hecho de que existan materiales radioactivos en La Tierra o en el resto de nuestro sistema solar, es un indicador de que que antes de que existiera nuestro Sol, tuvo que existir una estrella que “murió” violentamente. De hecho, todos los elementos químicos que existen en nuestro planeta, y de lo que estamos hechos nosotros mismos, tuvieron que ser creados o liberados durante las muertes violentas de esas estrellas que precedieron a nuestro Sol. “Estamos hechos de polvo de estrella”, una frase que popularizó Carl Sagan.

1.3.- La energía fotovoltaica

Dentro de las fuentes de energía renovables tenemos a la energía fotovoltaica, que es la forma más directa de aprovechar la energía electromagnética de una estrella. La energía solar fotovoltaica es prácticamente la única forma de energía para la que los seres humanos hemos logrado crear una tecnología, que puede cosechar de manera directa y masiva la energía que produce nuestro Sol. Esto es posible gracias al efecto fotovoltaico, que es un fenómeno físico que se presenta en la interfase de ciertos materiales, en el que se puede generar energía eléctrica a partir de la absorción de energía electromagnética.

2.- El ciclo de vida de las estrellas

El ciclo de vida de una estrella depende básicamente de la cantidad inicial de masa presente durante su proceso de nacimiento. Esta masa inicial determinará cuanto tiempo brillará esa estrella y que tipo de muerte tendrá en el futuro. La fuerza esencial que inicia todo este proceso es la gravedad, que ayuda a que toda esa masa se concentre en un único punto. Luego, comienza un juego delicado de equilibrio, entre la gravedad que trata de seguir concentrando toda la materia en un único punto, y las presiones que se generan por la concentración de dicha masa, y que actúa en contra de los designios de la gravedad. En algún punto de este delicado juego de equilibrio, las presiones y temperaturas llegan a ser descomunales, tanto así, que comienza a producirse la fusión nuclear de los elementos más ligeros, y la estrella simplemente se enciende. A partir de este momento, la estrella comienza a emitir grandes cantidades de energía electromagnética (luz), como un mecanismos para liberar y compensar la enorme energía potencial producida por la gravedad. Esta luz que emiten las estrellas, son las principales fuentes de energía de los planetas y cuerpos que se encuentran bajo la influencia de sus campos gravitatorios.

2.1.- La fábrica de elementos químicos

Durante el ciclo de vida de la estrella, la gravedad sigue su actividad indetenible de concentrar la masa, haciendo que las temperaturas y presiones sigan aumentando gradualamente. Ésto, conlleva a que los elementos más pesados comiencen a fusionarse también, liberando cada vez más energía. Así, las estrellas durante su ciclo de vida se transforman en las grandes fábricas de elementos químicos. En las primeras etapas se fusiona el hidrógeno para formar helio. Cuando las presiones y temperaturas son lo suficientemente altas, comienza a fusionarse el helio, para producir elementos más pesados. Así, se comienza a producir litio, berilio, boro, carbono, etc, etc. Cada vez se necesita más temperatura y más presión para fusionar los elementos más pesados, que la gravedad será capaz de proveer si se le da el tiempo y la masa necesaria. La estrella comienza a producir una gran variedad de elementos químicos en cantidades que son inversamente proporcionales a su peso atómico. Los elementos más pesados se producen en mucho menos proporción que los elementos más ligeros, simplemente porque se requiere mucho más energía para su producción. Pero esta fábrica tiene un límite: el hierro. El hierro es un elemento químico extremadamente estable y que para producir la fusión requiere de cantidades de energías que la presiones y temperaturas internas de una estrella simplemente no pueden proveer. Así, el final de la línea de producción de estas fábricas estelares es el hierro, y por ello, es que logramos encontrar grandes depósitos de todos los elementos químicos cuyo número atómico es menor que el del hierro.

2.2.- Los elementos químicos pesados

Pero, ¿De dónde vienen entonces los elementos químicos más pesados que el hierro? La respuesta es: de la muerte violenta de las estrellas. Aunque el hierro es extremadamente estable, la gravedad continúa aumentando las presiones y temperaturas internas de la masa estelar, creando condiciones críticas en en el interior de la estrella. En un punto determinado, como un mecanismo extremo de liberación de energía de algunas estrellas, que cuentan con una cantidad de masa dentro de un rango bien establecido, la estrella simplemente explota violentamente. Esta explosión violenta de una estrella es lo que denomina una Supernova. Lo más interesante de las supernovas, es que durante esos breves períodos de tiempo que dura la explosión, hay suficiente energía y condiciones para que se produzca la fusión nuclear del hierro, y generar de esta manera una gran variedad de elementos pesados, cuyo número atómico es mayor que la del elemento químico hierro. Sin embargo, las cantidades que se producen de estos elementos químicos pesados son muy pequeñas, más bien del orden de las trazas para la mayoría de estos elementos pesados. Hasta el hierro solo hay 26 elementos químicos, que se generan en el interior de la estrella durante su ciclo de vida. El resto de los elementos químicos, más de 90 en total, se crean durante estas breves explosiones de supernovas.

2.3.- Abundancia relativa de elementos químicos

Conocer este ciclo de vida de las estrellas es lo que nos permite entender las abundancias relativas de los diferentes materiales disponibles en el universo. El oro y el platino son elementos en extremo escasos, y por ende valiosos porque no hay manera de encontrar mayor proporción de disponibilidad de estos elementos químicos en nuestro vecindario estelar. ¿Tiene sentido tratar de crear celdas de combustible que utilizan platino para alimentar las necesidades energéticas del planeta? Todo el platino disponible en el planeta, tal vez no sea suficiente ni para abastercer al uno por ciento de la humanidad con fuentes de energías que tengan como base a este elemento químico. No con la tecnología disponible hoy día. ¿Es viable seguir construyendo generadores eólicos que utilizan magnetos con elementos químicos pesados de las tierras raras?. Así, para el resto de todos los elementos químicos pesados, su disponibilidad es en extremo limitada y cualquier tecnología que pretenda usar dichos elementos, debe tener muy en cuenta estos aspectos esenciales, antes de proceder a su utilización a gran escala.

Entender como nace, vive y muere una estrella es fundamental para tener las herramientas básicas necesarias que nos permitirán desarrollar tecnologías, materiales y nuevas teorías científicas. Pero sobre todo, estos conocimientos nos permitirán establecer cuáles son nuestras limitaciones, y cuáles son las condiciones en las que podremos aprovechar esas fuentes de energía disponibles para el futuro de la humanidad.

3.- El SOL

El Sol es una estrella de segunda generación. Es decir, no es una estrella que se formó durante las primeras etapas de nuestro universo, sino que se formó a partir de los restos de estrellas que existieron antes que nuestro Sol. Esto lo sabemos por los materiales pesados presentes en su núcleo y en los cuerpos sólidos, como los planetas, que están bajo la influencia de su campo gravitatorio.

El Sol es la única estrella que forma nuestro sistema solar y rige sobre el destino de todos los cuerpos que se encuentran bajo la influencia de sus campos gravitatorio y electromagnético. En la gran vastedad de este universo, nuestro Sol no es más que una estrella promedio “enana amarilla” que se encuentra a la mitad de su secuencia principal, y cuya clasificación espectral es del tipo G-V ¹. Las estrellas tipo G son astros que tienen una masa entre 0.8 y 1.2 veces la masa de nuestro Sol, y cuando se encuentran en su secuencia principal significa que la energía que está irradiando proviene mayormente de la conversión del hidrógeno en helio a través de la fusión nuclear. Este tipo de estrellas tienen temperaturas superficiales que van desde 5300 a los 6000 kelvin. Nuestro Sol ha estado brillando desde hace unos 4.5 mil millones de años, y seguirá brillando por otros 5 mil millones de años más.

3.1.- El Sol como fuente de energía

A la distancia, la principal forma de energía que puede ser aprovechada de nuestro Sol es la luz que emite de manera constante. La cantidad e intensidad de la radiación electromagnética que emite nuestro astro está intrínsecamente relacionada con su temperatura superficial. En física se conoce como radiación de cuerpo negro a la luz que es emitida por un cuerpo que se encuentra a una temperatura dada. La radiación que emiten estos cuerpos negros tienen una distribución espectral continua y el máximo de intensidad de la emisión depende de la temperatura de ese cuerpo. La ley de Planck es la que explica con mucha precisión la intensidad de la emisión de radiación de estos cuerpos en función de la frecuencia o de la longitud de onda a diferentes temperaturas. En la siguiente figura se muestran los gráficos correspondientes a los espectros de emisión de la densidad de energía a diferentes temperaturas en función de la longitud de onda a la que emiten, de acuerdo con los cálculos realizados con la ecuación de la ley de Planck.

Esta gráfica es fundamental para comprender cómo es posible obtener energía de nuestro Sol. En la figura se observa como un cuerpo a una temperatura dada está emitiendo luz a diferentes longitudes de onda, en el caso de nuestro Sol cuya temperatura superficial está alrededor de los 5800 K, el máximo de emisión se encuentra en torno a los 550 nanómetros (nm) que se corresponde más o menos con la luz amarilla, y de allí el color de nuestro astro. Pero se observa claramente que el Sol emite luz en un amplio rango de longitudes de onda que van desde unos 100 nm que corresponde con el UV, hasta mucho más allás de los 2000 nm que corresponde a longitudes de onda del infrarrojo medio. En cualquier caso, la magnitud de la densidad de energía de esas emisiones a las distintas longitudes de onda son del orden de los 10¹² Joules/m³nm.

Para aprovechar la energía que emite nuestro astro debemos crear dispositivos que sean capaces de absorber la energía electromagnética en el rango de longitudes de onda en la que este emite con mayor intensidad. Esta es la estrategia básica que utilizan las plantas a través de la fotosíntesis, que son la base de toda la vida en el planeta, absorbiendo energía en las longitudes de onda que se corresponden más o menos con el ancho a media altura de la curva de emisión del Sol, cuyas longitudes de onda son el azul y el verde. En este caso, las plantas han desarrollado pigmentos que son capaces de absorber la energía que encuentra en una relación óptima de intensidad y longitudes de onda.

En el caso de las celdas fotovoltaicas, se deben crear dispositivos que sean capaces de exhibir el fenómeno del efecto fotovoltaico que aprovechen el máximo de las longitudes de ondas a las que está emitiendo nuestro Sol. No todas las longitudes de ondas son capaces de generar potencia eléctrica en nuestros dispositivos, incluso absorber en ciertos rangos de longitudes de onda puede perjudicar el desempeño de nuestros dispositivos. De allí la necesidad de crear dispositivos que absorban en el rango de longitudes de onda que generen la mayor potencia eléctrica, con la mayor eficiencia posible.

Referencias