Energía a partir de materia

Hace unos días hablé con mi primo Javier Civera, que a veces me sorprende y me contaba que había estado pensando, sobre lo que escribí en mi primera entrada de crear energía a partir de la antimateria. Ya que explicaba yo que cuando la materia se junta con la materia se aniquilan mutuamente y sale energía en forma de fotones de luz. Pues bien, esta entrada va dedicada a él y a todo el que se haya preguntado algo así alguna vez.

Lo primero que hice el otro día fue mencionar a mi colega Einstein, y su famosa ecuación, que no es por la que le dieron el premio Nobel en el 1921, fue por el efecto fotoeléctrico, esencial hoy en día por ejemplo en la producción de energía solar fotovoltaica, (de la que algún día hablaré y que hoy en día todavía no es muy rentable).

Albert Einstein, en 1905, con sólo 26 años y recién acabado el doctorado, escribió varios artículos sobre física de cosas muy pequeñas (efecto fotoeléctrico, movimiento browniano) y cosas muy grandes (relatividad). Desarrolla en ese artículo lo que se conoce como la Teoría de la Relatividad Especial. Ya que 10 años más tarde completa la teoría con la Teoría General de la Relatividad.

Bueno, pues en la primera parte, plantea cosas muy sencillitas, pero a la vez bastante difíciles de asimilar totalmente. Simplificando la cosa, una de las cosas que describe es la equivalencia entre la masa y la energía. Es decir, que la materia y la energía no son cosas diferentes, son solo dos formas de ver una misma cosa. Yo más bien considero que todo es "energía" y que la energía cuando se junta, es como si se "solidifica" en forma de materia.

La relación es la famosa ecuación. E = m c^2

E es la energía, m es la masa, y c es la velocidad de la luz, que son 3·10^8 m/s (300.000.000 m/s o 300.000 km/s), y encima al cuadrado! Esto quiere decir que un poquito de masa da muchísma energía.

Veamos que significa esto, porque podríamos pensar que tenemos resuelto el problema de la energía. Fuera petroleo, carbón, nuclear, renovables... nadaa.. lo que nos hace falta es materia! La que sea, que te digo yo.. aire? agua? arena de la playa? todo podría valer no? y tenemos energía hasta el infinito y más allá.

Pues no es tan fácil. A ver, voy a explicar la forma más sencilla (que suele ser la mejor) de producir energía de esta forma.

La solución la tienen las estrellas, y además lo inventaron cuando el universo llevaba vivo entre un segundo y tres minutos. En ese tiempo se ideó ese método de conseguir energía y las estrellas empezaron a nacer y dar luz. Un día explicaré todo lo que pasó en ese segundo después del Big Bang y durante los siguientes días o años, o milenios, ya da igual.. todo esto fue hace unos 13 mil millones de años.

Bueno, por dónde iba?. A sí, que las estrellas ya habían inventado un método muy guay de conseguir energía.

A ver, pregunta: De que están hechas las estrellas?.................
Bueno pues hay diferentes tipos y varía según la edad y el tamaño y más cosas, pero básicamente, de Hidrógeno, y también suelen tener Helio. Que casualidad! Los dos primeros elementos de la tabla periódica. Acordarse, el Hidrógeno arriba a la izquierda y el Helio arriba a la derecha. Si nos acordamos, tienen lo que se llamaba número atómico 1 y 2 respectivamente.

Pues no es ninguna casualidad que sean los dos primeros elementos. A ver pensemos. Si las estrellas he dicho que empezaron a aparecer a partir de unos minutos tras el Big Bang es lógico, que antes, la materia no existiera, por así decirlo. Como he dicho, lo que había antes era energía.. luz..  y entonces Dios dijo: E = mc² !! y se creó la materia. Que es lo primero que creamos, pues lo normal, empezar por el principio: Hidrógeno.

Hidrógeno que al principio, si lo pensamos es super simple. Se trata de un miserable protón suelto. Porque al principio, esta todo tan pegado que ni siquiera hay sitio para que un electrón de vueltas alrededor suya. A veces el protón no está sólo y tiene uno o dos neutrones pegados y se llama entonces deuterio y titrio respectivamente. (Si habéis jugado al oGame os sonará el deuterio, no era un invento del juego).

Bueno, pues eso, lo más básico, lo que había a saco en los primeros minutos y lo que hay muchísimo en el centro de las estrellas es Hidrógeno, mas bien, protones. Entonces que pasa cuando los protones se mueven agitados por el calor que hay en el centro de una estrella y la altísima presión que hace que estén todos casi juntos? Pues que cuando chocan dos átomos de Hidrógeno (dos protones) se pueden quedar juntos y se forma un sencillo átomo del siguiente en la tabla, el Helio. Y también salen rayos gamma, es decir, "luz", energía, calor.. al fin y al cabo son casi igual todas esas cosas.

La pregunta de porqué sale energía? Como no, los físicos siempre preguntándonos "¿Porqué?" Yo pienso que somos adultos que nuestra cabeza se quedó en la época de la infancia que todos los niños preguntan el "porqué" de todo. Lo bueno, o lo malo, es que al final conseguimos respuestas, lo que nos hace preguntarnos más porqués..

La respuesta a esto es de Einstein.

El esquema casi completo es este siguiente. En cada paso, se puede explicar más a fondo y más pequeño que es lo que pasa, pero ya es suficientemente difícil esta imagen que he cogido de la wiki:

Lo rojo son protones y lo gris neutrones. (El positrón es el blanco, y es la antiparticula del electrón...).
El protón suelto es lo que se llama "hidrógeno"... el protón con un neutrón (²H) deuterio. Y después de Helio hay dos tipos. Helio-3 y Helio-4 según tenga 1 o 2 neutrones.

Si queréis, os explico más a fondo esta reacción que se llama cadena protón-protón. O la miráis en la wiki. Pero por privado o por vuestra cuenta. Aquí solo voy a haceros contar que a simple vista, la masa se conserva. Suponiendo que aproximadamente el protón pesa lo mismo que el neutrón y que los positrones y neutrinos y rayos gamma no pesan nada. Tan solo contad bolitas grandes antes y después de las reacciones, y se cumple.

Pero resulta, que si medimos de verdad lo que pesan unas cosas antes y después no se cumple la conservación de la masa.

Me explico. En la primera reacción, la suma de dos masas del protón es un poco mayor que lo que sabemos que pesa (medido experimentalmente) el deuterio. Y así con todas. Y en última instancia, los 4 protones SEPARADOS que usamos al principio suman MÁS que las cuatro bolitas JUNTAS que hay en el HELIO-4.

Que ha pasado con la masa esa que ha desaparecido?¿

E=mc²

Se ha transformado en energía.

La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Lo que sobraba de materia, se ha convertido en energía!

Y esto repetido un número de Avogadro veces (6·10²³ , un número con 23 ceros) que son los átomos de hidrógeno que hay en un gramo de hidrógeno. Y una estrella pesa 2·10³⁰ kg (Sol), pues ya me diréis cuanta energía se puede producir.


Con números:

Masa del protón (Mp):          1.67262178 × 10 -27 kg = 1.007 2 76 4 66 uma
Masa del Helio-4 (⁴He):         6.6464764 x 10 -27 kg=    4.002602  u

1.007 2 76 4 66 x 4 =  4.029105864
Helio:                           4.002602

La diferencia es un 0.7% de la masa inicial la que se pierde y se transforma en energía por cada 4 protones iniciales.

Calculando la energía con la E=mc²:

E = 0.04040107 x 10⁻²⁷ Kg * (3·10⁸)^2 (m/s) = = 3.96 x 10⁻¹² J (Julios)
Que no es mucho, pero es que es solo una reacción. En un mol de Hidrógeno (1g) tendremos:
2.4 x 10¹² J , es decir 2.4 billones de julios.. una locura...


Bueno pues ya está. Otro día profundizaré más en estos temas que yo creo que son de los más bonitos de la física, si os parece bien claro está. Comentadme que os parece please!!

Hasta la próxima!