CANCIONES DE LAS MOLÉCULAS por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

Durante mucho tiempo el elenco molecular estaba restringido a las moléculas que se describían como estables. Las condiciones denominadas normales, eran la referencia inexcusable. Obviamente, las moléculas estables son las más probables y, por tanto,  abundantes en el mundo perceptible. Poco a poco, tanto la Ciencia, como la Tecnología nos iban abriendo las opciones a concebir y considerar combinaciones que, no necesariamente, las encontrábamos inmediatas en la Naturaleza. El concepto de compuesto o producto intermedio en una reacción química, vino a despertar la idea de que hay otros compuestos de vida media corta que dan paso a otros productos. Definitivamente los compuestos químicos posibles son cualquier combinación de los elementos químicos conocidos, en diversas proporciones. La catalogación de los últimos elementos de la Tabla periódica revela que la vida media, no solo es infinita, sino que por el contrario pueden caracterizarse elementos con periodos de semidesintegración inferiores al milisegundo.

 

De forma instintiva pensamos en la formación de CO2 a partir de oxígeno y carbono. Casi de forma automática asociamos el efecto invernadero a la producción de CO2. Hasta ahora se ha propuesto el secuestro del CO2 como forma de retirarlo. La descomposición en CO y O2 requiere energía. Si esta energía proviniera de la almacenada en los hidrocarburos, al final se produciría más CO2 que el inicial. Es cuestión de eficiencia. Pero en ningún momento se trata de que no sea una reacción factible. El balance energético, por un lado, y la producción de CO2 por otro, en mayor cuantía que el inicial y en función del tipo de combustible que se emplea para proporcionar la energía que se precisa, hacen que esta reacción requiera emplear combustibles que no contengan carbono, que sería una auténtica inversión de la reacción de combustión. El oxígeno tiene una utilidad evidente y el CO junto con el H2 constituyen las unidades básicas precisas para producir combustibles sintéticos.

 

El problema de la presencia indeseable de CO2 no sólo se da en la Tierra, sino que en otras partes del Sistema Solar, objetivo de acceso próximo, la atmósfera está compuesta, mayoritariamente, por CO2, como ocurre en Marte, cuya atmósfera incluye un 96% de CO2, un 2% de Ar y un 2% de N2. El viaje a Marte es una singladura de envergadura. La distancia se sitúa entre los 55 y los 400 millones de kilómetros, dependiendo del momento del año. La distancia optima acontece cada dos 2 años de viaje en las actuales circunstancias de desarrollo tecnológico. Supone unos seis meses de viaje. Con estas características, se impone una instancia de en torno a un año. Esto requiere una logística con un coste económico asumible y una autosuficiencia garantizada. La abundancia de CO2 hace que haya que contar con él, directamente, como recurso para cualquier iniciativa de permanencia en el planeta rojo. Los humanos precisamos oxígeno y, en este caso, la mayor y mejor fuente es el CO2. Hay que romper la molécula, que es sumamente estable, como hemos señalado, y difícil de descomponer. La descomposición CO2 –> CO + ½ O2, es un proceso endotérmico que requiere 283 KJ. Como relata Guerra y col. Actualmente esta disociación se logra mediante un método electroquímico, muy poco eficiente y costoso, porque emplea catalizadores de tierras raras, muy caros, además de que opera a elevadas temperaturas y presiones. No es un procedimiento viable para emplear en Marte aunque, aparentemente, está incluido en la misión que la NASA prepara para 2020. Otras alternativas como la utilización de algas o bacterias siguen siendo productos de especulación, con pocos visos de concretarse como alternativas.

 

Ha surgido una opción consistente en el empleo de plasmas de baja temperatura. Son plasmas de gases ionizados parcialmente, en no equilibrio. Un plasma está constituido por distintas partículas: electrones, iones positivos, iones neutros y fotones. Cada uno de ellos tiene unas propiedades distintas y diferentes energías. Los electrones, partículas cargadas, son ligeras y fácil de acelerar empleando campos eléctricos. Permiten, manteniendo la temperatura del medio, lograr grandes energías que por impacto pueden producir especies reactivas. Esto soslaya las pérdidas. Las potencias aplicadas se sitúan entre 25 W y 100 W, que son energías perfectamente plausibles en atmósferas como la de Marte. Estos electrones son los que se podrían emplear para romper la molécula de CO2. La única dificultad que implica este proceso es que si la energía que se requiere en la descomposición de la molécula de CO2, la energía que deberían tener los electrones que impactaran sobre él, tendrían que ser del orden de la diferencia de estados electrónicos del CO2 que permitan disociar la molécula en O2 y CO. Podría superar los 7 eV. Hay forma de disminuir este requerimiento preparando la molécula de CO2 para que el proceso tenga lugar. Podríamos facilitar el proceso aumentando la energía de la molécula de CO2, mediante excitación vibracional para que de esta forma disminuyera la distancia hasta el límite de disociación.

 

Todas las moléculas almacenan internamente energía mediante las tres alternativas: electrónica, vibracional y rotacional. La primera se sitúa en la escala más amplia y la última en la escala más baja de energía. Mediante cada una de las inferiores podemos ascender en la escala de las superiores. Si ascendemos en el contenido de energía vibracional, nos situamos más cerca del límite de disociación de la molécula en el estado electrónico que consideremos, que corresponde a un estado estable. La tensión y la flexión de las moléculas son movimientos de oscilación  que podríamos asimilar a unas frecuencias  que por reducción encajarían en la escala acústica. Así, la molécula de CO2  presenta tres grados de libertad de vibración: dos de tensión, una simétrica y otra asimétrica, y una de flexión. La frecuencia de la tensión simétrica, por ejemplo, corresponde a 0.172 eV, es decir, se corresponde con una frecuencia en unidades de s-1 (Hz) de 415 x 1015, que si la reducimos a la escala audible, correspondería a un Sol # de la 4ª octava. La energía almacenada en las vibraciones de la molécula de CO2 mantendrían esta vibración, este tono, además de la tensión asimétrica y la de flexión, referidas anteriormente. Los electrones del plasma transferirían su energía provocando excitación vibracional de las moléculas de CO2. Normalmente, esta cesión de energía no sería capaz de provocar la disociación (ruptura de la molécula de CO2), pero lograría aumentar la excitación. Si la descripción fuera armónica, pasaríamos, aproximadamente, a un Sol # de la 5ª octava, es decir a  830 Hz. Para esto se requiere mucha menos energía que para disociarla, al tiempo que se sitúa más cerca de la disociación. Cabe pensar que el modo de tensión asimétrico es más propicio para modificar la energía de vibración mediante colisiones. Si se transfiere suficiente energía podríamos llegar a la ruptura de un enlace. Es decir, hemos bombeado energía de vibración mediante transferencia de energía vibración-vibración. Si pensamos que debido a la anarmonicidad el espaciado entre los niveles de vibración de una molécula va disminuyendo conforme incrementamos la energía vibracional ocurre que, cuando dos moléculas tienen energías de vibración similares, hay mucha probabilidad que, mediante colisión tenga lugar una transferencia de energía. El resultado, desde la óptica de un proceso exotérmico, será que la molécula con mayor energía vibracional incrementará su contenido energético (su amplitud) y la de menor energía la disminuirá. Las moléculas pueden, así, alcanzar el límite de disociación.

 

Así pues, los plasmas de baja temperatura y la transferencia de energía V-V pueden concurrir para posibilitar procesos de disociación que requieren mucha energía, al ser fuertemente endotérmicos y ven facilitado su camino de reacción, tanto por la excitación inicial mediante los electrones acelerados del plasma como con las colisiones con otras moléculas que les hacen ascender por la escala vibracional hasta situarse en el límite de disociación y propiciar la ruptura. Es una alternativa para la obtención de O2  a partir de CO2 directamente descomponiendo la molécula en sus componentes. Producir O2 y carbono supone superar la retirada del CO2 convirtiéndolo en un medio útil para oxidación y para la síntesis de hidrocarburos. Los sonidos de las moléculas las convierten en canciones de paz y esperanza. ¡Muy sensibles!