Rafael Barzanallana. Universidad de Murcia   Informática, Ciencia, Escepticismo

Artículos Física.  Energía.

Energía a escala galáctica

Desde el comienzo de la Revolución Industrial, hemos visto un crecimiento impresionante y sostenido en la escala de consumo de energía de la civilización humana. La representación de datos de la Agencia de Información de Energía sobre el uso de energía de EE.UU. desde mil seiscientos cincuenta (1635 a 1945, 1949 a 2009>, incluida madera, biomasa, combustibles fósiles, hidráulica, nuclear, etc) muestra una trayectoria de crecimiento muy estable, caracterizado por una tasa de crecimiento anual del 2.9% (ver figura). Es importante entender la trayectoria futura de crecimiento de la energía, porque los gobiernos y las organizaciones de todo el mundo hacen suposiciones sobre la base de la expectativa de que la tendencia de crecimiento continuará como lo ha hecho durante siglos -y una mirada a la figura sugiere que esta es una suposición perfectamente razonable. (Vea esta actualización de matices.)



El crecimiento se ha convertido en uno de los pilares de nuestra existencia, por lo que nos tomamos su continuación como un hecho. El crecimiento trae muchos beneficios positivos, como los automóviles, televisión, transporte aéreo, y Gadgets. La calidad de vida mejora, mejora la atención de la salud, y aparte de la proliferación de contraseñas que recordar, la vida tiende a ser más conveniente en el tiempo. El crecimiento también trae consigo una promesa del futuro, dando razón para invertir en el desarrollo futuro en previsión de un retorno de la inversión. El crecimiento es entonces la base para las tasas de interés, préstamos, y el sector financiero.

Debido a que el crecimiento ha estado con nosotros por "innumerables" generaciones, lo que significa que todas las personas conocidas desde nuestros abuelos, alguna vez han experimentado que el crecimiento es fundamental para nuestra narrativa de lo que somos y lo que hacemos. Por lo tanto, tienen dificultades para imaginar una trayectoria diferente.

Este artículo proporciona un ejemplo claro de la imposibilidad de un crecimiento continuo a las tasas actuales -incluso dentro de los plazos habituales. Por una cuestión de comodidad, se puede reducir la tasa de crecimiento de la energía del 2,9% al 2,3% por año, por lo que vemos aumenta en un factor de diez cada 100 años. Empezamos el día de hoy, con una tasa global de uso de la energía de 12 teravatios (es decir, que el ciudadano promedio del mundo tiene una cuota de 2000 W del total). Vamos a comenzar con una evaluación semipráctica, y luego en las etapas que nuestra imaginación vuele, incluso luego encontrar que llegamos a los límites que podríamos pensar. Voy a admitir desde el principio que los supuestos subyacentes a este análisis son un completo desastre. Pero eso se convierte en el punto entero, al final.

Una carrera a la galaxia

Siempre he estado impresionado por el hecho de que la energía solar que llega a la Tierra en una hora, se consume en un año. ¡Qué esperanza lleva tal declaración! Pero sin embargo no se deje llevar.

Sólo el 70% de la luz solar incidente entrega energía a la Tierra, el resto de inmediato rebota en las nubes, atmósfera y tierra sin ser absorbida. Además, al ser criaturas de tierra, podríamos considerar confinar nuestros paneles solares a la superficie terrestre, ocupando el 28% del total del mundo. Por último, observamos que las plantas de energía solar fotovoltaica y solar térmica tienden a operar con alrededor del 15% de eficiencia. Vamos a suponer el 20% para este cálculo. El efecto neto es de unos 7000 TW, alrededor de 600 veces el uso actual.

¿Cuándo nos encontraremos con este límite a una tasa de crecimiento del 2.3%? Recordemos que nos expandimos en un factor de diez cada cien años, por lo que en 200 años, trabajamos a 100 veces el nivel actual, y llegamos a 7000 TW en 275 años. 275 años puede parecer mucho tiempo a escala de tiempo humano, pero en realidad ese no es tiempo para una civilización. Y pensar en el mundo que se acaba de crear: cada metro cuadrado de tierra está cubierta de paneles fotovoltaicos! ¿Dónde cultivar alimentos?

Ahora vamos a empezar restricciones relajantes. Seguro que en 275 años vamos a ser lo suficientemente inteligente como para superar el 20% de eficiencia para este tipo de recurso mundial importante. Vamos a reirnos en la cara de los límites de la termodinámica y hablar de eficiencia del 100% (sí, hemos puesto en marcha la parte de la fantasía de este viaje). Esto nos da un factor de cinco, o 70 años. Pero, ¿quién necesita los océanos? Y vamos a considerar 100% eficientes los paneles solares. Otros 55 años. En 400 años, se tendrán paneles solares en toda la superficie de la Tierra. Esto es significativo, ya que la biomasa, la eólica y la generación hidroeléctrica se derivan de la radiación solar y los combustibles fósiles constituyen la batería de la Tierra cargada por la energía solar durante millones de años. Sólo los procesos nucleares, geotérmicos y mareomotriz no provienen de la luz del sol -los dos últimos son intrascendentes para este análisis, proporcionan unos pocos teravatios cada uno.

Sin embargo, la principal limitación en el análisis anterior es la superficie terrestre, que es un área agradable. Sólo se ganan 16 años recogiendo el 30% más de energía, por lo que el gran costo de colocar una matriz fotovoltaica en el espacio que rodea la Tierra, sin duda no vale la pena el esfuerzo. Pero ¿por qué nos limitamos a la Tierra, una vez en el espacio? Vamos a pensar en grande: rodear el sol con paneles solares. Y mientras estamos en ello, vamos a hacerlos de nuevo 100% eficientes. No importa el hecho de que sean de cuatro mm de espesor, para construir la estructura que rodea el sol a la distancia de la órbita de la Tierra sería necesario todo el contenido de la Tierra en materiales y materiales especiales. Si se hace, nos permite continuar con un 2.3% el crecimiento anual de energía para 1350 años desde el momento presente.

En este punto usted puede darse cuenta de que nuestro sol no es la única estrella en la galaxia. La Vía Láctea alberga unos 100000 millones de estrellas. Un montón de energía lanzada al espacio, para no ser captada. Recordemos que cada factor de diez nos lleva 100 años en el camino. Ciento once mil millones son factores de diez, por lo que 1100 años más. Así, en cerca de 2500 años a partir de ahora, que se estaría utilizando la energía de una gran galaxia. Sabemos con cierto detalle lo que los humanos hacían hace 2500 años. Creo que puedo decir con seguridad que sé lo que no vamos a estar haciendo dentro de 2500 años.



¿Por qué singularizar en la energía solar?

Algunos lectores se sienten molestos por el enfoque anterior sobre la energía solar/estelar. Si vamos a soñar en grande, nos olvidamos de las restricciones de energía solar y a probar la fusión. La abundancia de deuterio en el agua corriente nos permite tener una fuente aparentemente inagotable de energía aquí en la Tierra. No vamos a entrar en un análisis detallado de este camino, porque no tiene que hacerlo. El crecimiento sin piedad ilustrado anteriormente significa que en 1400 años a partir de ahora, cualquier fuente de energía tendría el arnés para eclipsar el sol.

Permítanme reiterar el punto importante. No importa cuál sea la tecnología, una tasa sostenida de crecimiento del 2.3% de energía nos obliga a producir tanta energía como el sol entero dentro de 1400 años. Una palabra de advertencia: la planta de energía va a calentarse. La termodinámica requiere que si hemos generado en la Tierra una potencia equivalente a la del sol, la superficie de la Tierra es más pequeña que la del sol, tendría que ser más caliente que la superficie del sol.

Límites termodinámicos

Se pueden explorar más exactamente los límites termodinámicos al problema. La Tierra absorbe en abundancia la energía de sol, muy por encima de las necesidades de la sociedad actual. La Tierra se deshace de energía, irradia hacia el espacio, sobre todo en longitudes de onda infrarrojas. No hay otros caminos que estén disponibles para la eliminación de calor. La absorción y emisión están en equilibrio casi perfecto, de hecho, si no fuera así, poco a poco la Tierra se calentaría o se enfriaría. De hecho, hemos disminuido la capacidad de escapar de la radiación infrarroja, dando lugar al calentamiento global. Aun así, todavía estamos en equilibrio en menos de un 1%. Debido a que la potencia radiada está en escala respecto a la cuarta potencia de la temperatura (cuando se expresa en términos absolutos, en Kelvin), podemos calcular la temperatura de equilibrio de la superficie terrestre dada la carga social adicional.



El resultado se muestra arriba. Desde antes, sabemos que si nos limitamos a la superficie de la Tierra, se agota el potencial solar en 400 años. Con el fin de continuar el crecimiento de energía más allá de este tiempo, tendríamos que abandonar las energías renovables -casi todos de los cuales se derivan de la sol para la fisión nuclear/fusión. Sin embargo, el análisis termodinámico dice que estamos tostados de todos modos.

Detener la locura

El propósito de esta exploración es el de señalar lo absurdo que resulta de la suposición de que podemos seguir creciendo en nuestro uso de la energía, incluso si al hacerlo más moderadamente de lo que en los últimos 350 años hemos sido testigos. Este análisis es un blanco fácil para la crítica, dada la visión de túnel de su premisa. Principalmente, el crecimiento constante de energía probablemente no será necesario si la población humana se estabilice. Por lo menos la tasa de crecimiento del 2,9% de energía que hemos experimentado debe facilitar apagado como el mundo se satura con la gente. Pero no pasemos por alto el punto clave: el crecimiento continuo del consumo de energía se vuelve físicamente imposible dentro de los plazos posibles. El análisis anterior ofrece una linda manera de demostrar este punto. He encontrado que es un argumento de peso que se ajusta la gente a apreciar los límites reales al crecimiento indefinido.

Una vez que somos conscientes de que el crecimiento físico puede cesar en un momento dado (o revertirse), podemos llegar a darnos cuenta de que todo crecimiento económico debe terminar de manera similar. Este último punto puede ser difícil de aceptar, teniendo en cuenta nuestra capacidad de innovar, mejorar la eficiencia, etc, pero este tema será puesto fuera de otro post.

Autor: TMURPHY

Agradecimientos

Doy las gracias a Kim Griest para comentarios y para sembrar la idea de que en 2500 años, utilizamos la galaxia, la Vía Láctea, y agradezco a Brian Pierini por sus útiles comentarios.

Fuente: Ask a Mathematician / Ask a Physicist

Enlaces de interés:

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- Apuntes Introduccióna a la Informática. Representación de la información

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