Ondas Gravitacionales: la nueva forma de “ver” el Cosmos.

Por Sinuhé A. Pérez Payán

En la segunda década del siglo pasado, Albert Einstein propuso la teoría de la Relatividad General, la cual vino a ser un parte aguas, junto con la Mecánica Cuántica, para la física y para nuestras vidas.

En esta teoría la gravedad surge como una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo. Dicha curvatura es causada por la presencia de objetos masivos. Mientras mayor sea la concentración de masa, dentro de un determinado volumen, mayor será la curvatura del espacio-tiempo

A medida que un objeto masivo se mueve a través del espacio-tiempo, la curvatura cambia. En ciertas circunstancias, cuando objetos masivos se aceleran, se generan “ondulaciones” en la curvatura del espacio-tiempo, los cuales se propagan hacia afuera de la fuente a la velocidad de la luz. A estos fenómenos se le conoce como Ondas Gravitacionales.

Las Ondas Gravitacionales son una, de las muchas, predicciones la Relatividad General. En 2014 la colaboración LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory) anunció la primera detección directa de este fenómeno, el cual lleva el nombre de GW150914.               

La Relatividad General es una teoría que es compatible con la teoría de la Relatividad Especial, la cual también fue introducida por Einstein alrededor de 1905. De esta última, surge probablemente una de las ecuaciones más famosas de la ciencia:  

Básicamente lo que esta ecuación nos dice es que la energía y la masa son cosas equivalentes. Por lo tanto, las Ondas Gravitacionales transportan energía en forma de radiación gravitacional. ¿Y cuál es alboroto con las Ondas Gravitacionales? Las observaciones astronómicas modernas se iniciaron con Galileo Galilei. De manera sistemática observó la radiación, luz visible, que emana de los cuerpos celestes. Sin embargo, sabemos que este tipo de radiación solo es una parte del espectro electromagnético. Con el desarrollo de la tecnología se han podido construir aparatos que pueden “ver” en el rango de las ondas de radio, con lo cual se descubrieron objetos astronómicos como los quasares y los pulsares. En la década de los años 90’s las observaciones astronómicas en el rango de las microondas nos han abierto las puertas para ver las huellas que dejó Big Bang. Entonces, contestando a la pregunta formulada anteriormente, el hecho de haber observado las Ondas Gravitacionales nos abre completamente una nueva forma de estudiar el Cosmos!

Las fuentes que pueden producir Ondas Gravitacionales son: sistema binario de estrellas en rotación, la explosión de una supernova, la formación o fusión de agujeros negros, del fondo cósmico de radiación, la rotación de una estrella de neutrones, y en general cualquier objeto masivo que se acelera. El poder detectar la radiación gravitatoria proveniente de las diferentes fuentes mencionadas anteriormente, abre una ventana para explorar todos estos fenómenos astronómicos.

Debido a que la fuerza gravitacional es la más débil de las fuerzas fundamentales en la naturaleza, hace que la detección de Ondas Gravitacionales sean muy difícil, pero al mismo tiempo es lo que las hace tan interesantes. Una vez producidas muy poca de su radiación se absorbe, esto nos permitiría poder “ver” de cerca el horizonte de un agujero negro, o poder vislumbrar momentos tempranos del universo.

A la fecha se han registrado 7 eventos de Ondas Gravitacionales. La primera detección, GW150914, fue debida a la fusión de dos agujeros negros de 29 y 36 masas solares, dando como resultado un agujero negros de 62 masas solares y las 3 masas solares restantes fueron emitidas en forma de Ondas Gravitacionales;  este evento ocurrió a 1.3 billones de  años luz.

El pasado mes de octubre la Real Academia de las Ciencias de Suecia otorgó el premio Nobel de Física a Rainer Weiss, Barry C. Barish y Kip S. Thorne, “por sus contribuciones decisivas al detector LIGO y la observación de ondas gravitacionales”.

Se espera que con este descubrimiento empiece una nueva revolución en la física. El tiempo nos dirá si hay más cosas “escondidas” en el Cosmos.

Para más información:

1)      http://www.ligo.org/

2)      James Hartle, Gravity: an introduction to Einstein’s General Relativity, Addison-Wesley, 2003.

El Efecto Seebeck: Electricidad Para El Espacio Interestelar.

Más allá de la órbita de Neptuno, muy lejos de la región interior del sistema solar donde se encuentra la Tierra, existe lo que se conoce como “espacio interestelar”. Esta es una región donde la influencia de nuestro Sol ha dejado de ser relevante, predominando la oscuridad del espacio profundo, lejos de cualquier fuente luminosa de algún tamaño considerable. A esta distancia, a simple vista, el Sol luciría sólo como un punto luminoso entre los miles y miles poblando toda la bóveda celeste.

La única indicación de la  relativa cercanía del Sol, en comparación a otras estrellas cercanas, es la existencia de la heliopausa; una zona invisible a simple vista, y que de acuerdo a modelos teóricos es donde se acumulan los últimos iones que proceden del viento solar, y cuya presencia anuncia que nuestro sistema solar ha comenzado a quedar atrás. Hoy sabemos que la heliopausa realmente existe gracias a la sonda Voyager I, la cual ha medido y atravesado esta zona encontrándose cada día más lejos de nosotros. Este vehículo espacial fue lanzado al espacio en el año 1977 y logró adentrarse más allá de los límites del sistema solar en el año 2012 después de cerca de 33 años de viaje.

https://voyager.jpl.nasa.gov/imagesvideo/images/voyager2_large.jpg

Al momento de diseñar estos vehículos para la exploración del espacio, los científicos e ingenieros a cargo del proyecto, sabían que para que las sondas Voyager (Voyager I y Voyager II, ambas lanzadas el mismo año) cumplieran con sus principales objetivos científicos,  deberían de mantenerse funcionando el mayor tiempo posible, en una trayectoria que las alejaría cada vez más de nuestro planeta. Todos los instrumentos a bordo de una sonda espacial necesitan electricidad para funcionar, comenzando por el sistema de radiocomunicación con el centro de control en la Tierra. Así que encontrar una fuente confiable y duradera para obtener esta electricidad se convierte en una prioridad en cualquier proyecto de este tipo.  

Comúnmente los artefactos lanzados al espacio en órbita baja recurren a los paneles fotovoltaicos, como en el caso de los satélites de telecomunicaciones o la estación espacial internacional.  Sin embargo, en la oscuridad del espacio profundo, el Sol no iluminaría ningún vehículo con mayor intensidad que la de una estrella lejana.  Así que se hacía necesario utilizar una fuente de energía eléctrica distinta al Sol y que fuera capaz de mantener funcionando a las sondas espaciales por muchos años, lo cual garantizaría que cumplirían con su misión inicial de explorar las regiones más lejanas de nuestro sistema solar.

Afortunadamente esta fuente de energía eléctrica confiable y de larga duración existe y ha sido ampliamente utilizada en vehículos como las sondas Voyager, las cuales hubieran dejado de funcionar desde hace ya muchos años si no fuera por sus generadores RTG. De hecho, actualmente estas siguen enviando una importante cantidad de información a la Tierra utilizando los siguientes instrumentos: un magnetómetro, un detector de rayos cósmicos, un detector de ondas de plasma y un detector de partículas cargadas. Es importante mencionar que la sonda cuenta con más instrumentos y sistemas, sin embargo estos han sido deshabilitados o cumplido con su vida útil.

La electricidad necesaria para el funcionamiento de estos vehículos ha sido posible generarla gracias a un fenómeno físico llamado Efecto Seebeck ó Termoeléctrico. Este fenómeno fue descubierto a principios del siglo XIX por el científico alemán Thomas Johann Seebeck durante sus experimentos con agujas magnetizadas y uniones de dos metales a distintas temperaturas. Estas uniones de metales las podemos imaginar como una barra fabricada con un tipo de metal en un extremo y otro distinto en el extremo opuesto. Lo que hacía Seebeck es que calentaba con un mechero un extremo de la barra, dejando el otro a temperatura ambiente. Lo que observaba es que si acercaba una brújula a la parte central de la barra, esta se desviaba. Es decir, la diferencia de temperatura entre los extremos ocasionaba que apareciera un campo magnético en torno a la barra. Tiempo después se le atribuiría este campo magnético a una corriente eléctrica generada por la difusión de portadores de carga desde el extremo a mayor temperatura de la barra hacia el extremo más frío.

 A partir de sus observaciones Seebeck descubrió lo que ahora conocemos como Termoelectricidad. Esto implica que se puede producir una  corriente eléctrica entre la unión de dos materiales (generalmente metales o semiconductores) siempre y cuando se mantengan cada uno a distintas temperaturas. Lo cual sugiere que si se logra mantener por algún medio un gradiente de temperatura adecuado, por un largo tiempo,  en un arreglo de este tipo. Entonces se puede garantizar un suministro de electricidad confiable para distintas aplicaciones; entre otras, mantener funcionando una sonda interplanetaria por muchos años.

En la década de los 50’s del siglo pasado, en plena “era nuclear”, un par de científicos de los Laboratorios Mound en los Estados Unidos, inventó una manera de conjuntar la termoelectricidad y los radioisótopos en un artefacto para generar electricidad de manera continua y por largos periodos de tiempo. Es a partir de sus trabajos que se construyó el primer Generador Termoeléctrico de Radioisótopos (RTG por sus siglas en inglés), el cual se convertiría en la fuente de electricidad por excelencia utilizada en las sondas interplanetarias, y también en algunas aplicaciones terrestres. Este generador representa la conjunción en un artefacto del uso de la energía nuclear y el efecto Seebeck, el cual puede garantizar un suministro de electricidad por periodos de hasta 100 años. Siendo este un generador de electricidad en principio bastante simple y que incluso no cuenta con ninguna parte móvil.

La idea básica de su funcionamiento es la utilización de un elemento radiactivo, comúnmente Plutonio (Pu-238), el cual a partir de su desintegración radiactiva  se calentará, alcanzando una temperatura de equilibrio que será bastante más alta  que la de su entorno, proporcionando así el gradiente de temperatura necesario para que un arreglo de termopares , nombre con el que  se conoce a las uniones físicas de dos metales (Pt, Fe, Cu) o dos semiconductores (Ge, Si) para este tipo de aplicaciones, en contacto con la  fuente de calor en uno de sus extremos, proporcione electricidad de manera continua durante un largo periodo de tiempo.  Este periodo estará determinado por la vida media del elemento radioactivo en uso, por ejemplo el Pu-238 tiene una vida media de 87.7 años, así como por  la degradación natural de los termopares en uso.

En el caso de las sondas Voyager I y II el generador termoeléctrico usado fue el modelo MHW-RTG, el cual hace uso de 24 esferas de Pu-238 encapsuladas en un contenedor metálico y en contacto con 312 termopares fabricados con uniones de Silicio y Germanio. Su peso total es de 37.7 kg e inicialmente podía producir 157 W de energía eléctrica. Cada sonda utiliza tres de estos generadores, teniendo a su disposición una energía eléctrica total inicial de 470 W, esto al momento de su lanzamiento en el año de 1977.

https://voyager.jpl.nasa.gov/imagesvideo/images/voyager4_large.gif

Actualmente, considerando una disminución  en la energía generada de 0.787% por año, más las pérdidas por degradación de los termopares,  se calcula que la energía generada en conjunto por los tres RTG es de 315 W. Este nivel de generación de energía garantiza que cada una de las sondas Voyager puedan seguir operando sus instrumentos todavía activos hasta por lo menos el año 2020.

Si bien los RTG poseen características muy interesantes, también se debe considerar que tienen algunas desventajas; como la necesidad de una disposición segura del material radiactivo una vez que ha terminado la vida útil del generador, y lo cual no siempre está asegurado. También es necesario que el generador cuente con un blindaje adecuado durante su funcionamiento para evitar la contaminación por radiación del entorno. Adicionalmente su utilidad es solo en aplicaciones de baja demanda energética, siendo hasta el momento imprácticos en aplicaciones de generación eléctrica residencial o industrial.

 Omar Vargas Ferro

Para saber mas:

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2013-277

https://voyager.jpl.nasa.gov/spacecraft/

http://www3.ans.org/pubs/magazines/nn/pdfs/1999-4-2.pdf

https://www.britannica.com/science/Seebeck-effect

Sistemas de Transmisión De Alta Tensión HVDC - Una Alternativa Para La Transmisión De Energía Eléctrica.

Hace unos meses apareció una nota en una revista de circulación nacional con el siguiente encabezado:

“la empresa Siemens presentó este lunes el primer proyecto de autopistas energéticas con tecnología HVDC, que irá de Oaxaca a la Ciudad de México.” (Proceso)

Sin embargo, esta "autopista" no se refiere a alguna nueva carretera de cuota que unirá a las dos ciudades, sino a una tecnología para la transmisión de energía eléctrica que comienza a utilizarse comercialmente ya a grandes escalas en diversas partes del mundo, con el objetivo de optimizar la transmisión de electricidad a lo largo de líneas de alta tensión, especialmente en muy largas distancias, pero que a diferencia de la tecnología que se utiliza comúnmente, basada en la corriente alterna (CA), está basada en la utilización de corriente directa (CD). Actualmente una de las mayores líneas de transmisión HVDC se encuentra en Brasil, con una longitud de poco más de 2000 km.

Para entender que es una línea HVDC y el porqué de su uso, es importante tomar en cuenta que la transmisión de electricidad a través de largas distancia requiere de la utilización de muy altos voltajes (arriba de los 115 kV), los cuales permitan compensar por las pérdidas de potencia esperadas debido a la resistencia de los largos cables de transmisión que se pueden extender a lo largo de miles kilómetros.

Estas pérdidas de potencia disponible se pueden entender mejor si recordamos la Ley de Ohm y consideramos que la resistencia (R) es mayormente constante a los largo de la línea de transmisión. Con esta consideración tendríamos que el voltaje y la corriente varían de manera inversa (V/I =R). Es decir, a mayor voltaje menor corriente en la línea. Ahora, a menor corriente se debe tener una menor pérdida de energía en la línea. Esto se puede ver si recordamos que la energía disipada por unidad de tiempo en un resistor está dada por la siguiente expresión: P = RI2 .

Desde principios del siglo XX, el tipo de corriente utilizada en las líneas de transmisión, tanto de uso residencial como industrial, ha sido predominantemente la corriente alterna (CA). Pero esto no siempre fue así, a finales del siglo XIX, en los albores del uso intensivo de la electricidad, ocurrió una encarnizada disputa entre los que proponían el uso de corriente directa (CD) y los que proponían el uso de corriente alterna (CA) para extender los usos de la electricidad tanto en el ámbito industrial como residencial.

En estos primeros años del desarrollo de la industria eléctrica, el principal impulsor del uso de líneas de transmisión utilizando la corriente directa (CD) fue el famoso inventor, Thomas Alva Edison. En oposición a él  estaba George Westinghouse, quien proponía el uso de corriente alterna (CA) en las líneas de transmisión. La disputa entre los dos bandos fue tan grande en su momento que ha sido nombrada como la “guerra de las corrientes”. Dadas las condiciones de desarrollo tecnológico de la época, al final triunfó la corriente alterna (CA) ya que permitía una más fácil disponibilidad y una distribución de corriente más práctica.

Esta fácil disponibilidad y practicidad estaban basadas en la posibilidad de usar transformadores, los cuales sólo funcionan con corriente alterna (CA), y que permitían elevar el voltaje suministrado a las líneas de transmisión de manera sencilla para su transmisión a lo largo de grandes distancias. Igualmente estos transformadores, permitían reducir el voltaje en la etapa de distribución, haciendo posible el uso de una sola línea de transmisión, a diferencia de lo que sucedía con la corriente directa (CD) que requería de múltiples líneas de transmisión, una para cada tipo de aplicación. Haciendo demasiado compleja su aplicación comercial a gran escala.

Sin embargo, las líneas de transmisión a base de corriente alterna (CA) tienen también algunas desventajas. Una es que la CA se genera a frecuencias específicas, lo cual no permite la interconexiòn de líneas de distribución manejadas a distintas frecuencias, lo cual es común en las actuales redes de transmisión a larga distancia donde diferentes compañías generadoras de electricidad operan sus generadores a frecuencias distintas. Adicionalmente, estas líneas de transmisión presentan una alta impedancia debido a los efectos que provoca una corriente alterna en un conductor (“skin effect”, impedancia capacitiva).

Es hasta los años 70’s del siglo pasado que aparecen los primeros dispositivos semiconductores basados en el uso de transistores (Tiristores, IGCT, MCT) que permiten “elevar” o “disminuir” el voltaje de una corriente directa (CD) de forma similar a como hacen los transformadores con la CA, lo cual permitió volver a pensar en el uso de líneas de transmisión de CD como una opción rentable para la industria eléctrica, dadas muchas de sus ventajas sobre la líneas de CA.

Así, una HVDC es una línea de transmisión de electricidad de alto voltaje que utiliza corriente directa, a estas también se les suele llamar, “autopistas energéticas” o “supercarreteras eléctricas” y actualmente sus  principales ventajas son las siguientes:

-Permiten la interconexión de dos sistemas de transmisión que utilizan CA y que no están sincronizados en su frecuencia. Esto hace posible la fácil interconexión entre redes de transmisión de distintos países o regiones.

-Hacen más económica la transmisión de energía eléctrica entre dos puntos muy distantes, dadas las menores pérdidas de energía comparadas a las que se origina en líneas de transmisión tradicionales (CA). Se estima que para un mismo voltaje las pérdidas en una HVDC son 30 % menores que en una línea de transmisión operando con CA.

-Tienen grandes ventajas en su uso para cables de transmisión submarinos o bajo tierra debido a la baja resistencia adicional que presentan, comparada a la que se origina con líneas de transmisión usando CA.

-Permiten conectar de manera efectiva las fuentes de energía eléctrica alternativa generada de manera ecológica, como la proveniente de “granjas eólicas”, las cuales en una primera fase generan electricidad CA y que debe ser posible conectar a la red principal de distribución que generalmente tendrá una distinta frecuencia, por lo que una HVDC hace posible esta interconexión entre ambas redes con distintas frecuencias de operación. Adicionalmente muchas de estas granjas son instaladas lejos de las costas por lo que requieren de cables submarinos de transmisión, lo cual es un punto más a favor de las HVDC.

En el caso de México, esta primera HVDC está diseñada para llevar la energía eléctrica generada en los parques eólicos de Oaxaca a la ciudad de México y su área Metropolitana. Tiene una longitud de 600 km y transmitirá 3000 MW.

Omar Vargas Ferro

Para saber más:

http://www.energy.siemens.com/hq/en/power-transmission/hvdc/hvdc-classic.htm#content=Benefits

https://web.archive.org/web/20080408011745/http://www.rmst.co.il/HVDC_Proven_Technology.pdf

Guarnieri, M. (2013). "The Alternating Evolution of DC Power Transmission". IEEE Industrial Electronics Magazine. 7 (3): 60–63.

Jos Arrillaga; Yonghe H. Liu; Neville R. Watson; Nicholas J. Murray (9 October 2009). Self-Commutating Converters for High Power Applications. John Wiley and Sons. ISBN 978-0-470-74682-0. Retrieved 9 April 2011.

Por medio de este blog, la Academia de Física de la Unidad Interdisciplinaria de Ingeniería Campus Guanajuato, UPIIG, busca hacer de la divulgación del conocimiento científico un vínculo a partir del cual se fomente el acercamiento entre los estudiantes y público en general a las actividades e intereses académicos de sus integrantes.

Igualmente  esperamos despertar el interés de estudiantes del nivel medio superior para que decidan convertirse en Politécnicos y continuar su formación profesional en UPIIG, cuyas cinco ingenierías (Aeronáutica, Biotecnología, Farmacéutica, Industrial, Sistemas Automotrices) se ubican entre las de mayor calidad en el estado de Guanajuato y sin duda también a nivel nacional.

                                                                    

                                                                     
  

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