100cias@uned - Universidad Nacional de Educacion a Distanciae-spacio.uned.es/.../Carbon_material_noble.pdf100cias@uned enmara ite ^rblna eombuallón de ges C I generador turbina de

Figura24. Panenón. modelo de proporciones áureas en la aniuitectura. Figura 26. La última cena, modelo de propoiviones áureas en ¡a pintura.

Figura 25. Venus, modelo de proporciones áureas en ¡a escultura.

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Niimeros de Fibonacci.

Ignacio Garíjo y .Io.sc Leandro de MaríaDpio. de Matemáticas Fundamentales

El carbón: ¿un material noble o Innoble?^

Una de las imágenes que conservo de mi primer encuentro con elcarbón es la de un camión del queunos hombres completamente tiznados de negro extraían serones, queluego transportaban hacia el sótanodel edificio en donde mis padresvivían. La operación duraba casi

' Extracto de la conferencia pronunciada en elacto académico celebrado con motivo de la festi

vidad de San Alberto Magno. 14 de noviembre de

2002.

todo el día y la acera conservabadurante algún tiempo recuerdos dela descarga. Por supuesto, la prohibición de aproximamos siquiera aaquellas piedras negras era absoluta.Más asequible era el acceso a

unos trozos de carbón de menor

tamaño, que por alguna razón ances

tral recibían el nombre de "cisco",destinados al brasero, con respecto alos cuales la prohibición revestíamenos importancia, probablementeporque era más fácil de violar.

Algún tiempo -poco tiempo- después, en el colegio, en una asignatura que recibía el pomposo nombre deFomiación del Espíritu Nacional, senos habló por primera vez de laminería del carbón. No me cabe la

menor duda de que para aquel profesor los mineros debían oler a azufre

del averno, porque la imagen querecibíamos era terriblemente triste ycon ciertas connotaciones malévolas.

Estas imágenes del carbón comoalgo deleznable, de lo que conveníamantenerse lejos, se conservaron

durante largo tiempo en mi mente.Ni siquiera los primeros atisbos de

formación científica recibidos en la

enseñanza secundaria consiguierondisiparlas por completo. Ciertamente, el hecho de aprender que losdiamantes están constituidos porcarbono prácticamente puro deberíahaberlas mejorado. Pero en aquellos momentos resultaba casi increí

ble tal aserción, sobre lodo cuando

se contraponía con el hecho de quetambién el grafito -mucho menosnoble, más sucio y capaz de manchar el papel- era carbono puro... Y,finalmente, el poder contemplar enla mano (que siempre resultabacontaminada por el proceso) fragmentos de carbones naturales, com

pletaba la imagen del carbón comoalgo intrínsecamente innoble y contribuía a hacer desconfiar de la

ciencia.

Quiero dedicar en este momento

un recuerdo cariñoso a aquel profesor de ciencias naturales, un sacer

dote con tres licenciaturas en Quí

mica, Geología y Biología, a quienen aquellos momentos yo consideraba poco menos que un demiurgocapaz de afirmar sin ruborizarseque un fragmento de aspecto inequívocamente terroso era tambiénun carbón, al que denominaba"turba", lo que cerraba el ciclo conla ya mentada asignatura de Formación del Espíritu Nacional, en laque en alguna manera se asociabanmomentos históricos de la minería

con las "turbas".

Si he querido comenzar con estasevocaciones es porque supongo que

la mayoría de los lectores guardarecuerdos más o menos análogos

(aunque, tal vez, reemplazando laFormación del Espíritu Nacionalpor la asignatura de Ciencias Sociales) que sustentan la imagen del carbón como un material innoble,

vocablos que constituyen el pretexto para este pequeño artículo, basado en la conferencia que pronunciéen la Facultad de Ciencias en el día

de nuestro patrón, San AlbertoMagno.

Partimos, pues, de la imagen delcarbón como material innoble. Un

material innoble, cuya extracciónes, además, (al menos en España)problemática, al tener que operar en

la mayoría de las cuencas carboníferas mediante técnicas de minería de

profundidad que conllevan elevadoscostos materiales y humanos, loque, a su vez, implica una notabletendencia a la reducción de la acti

vidad en este sector.

Por ejemplo, refiriéndonos aAsturias, durante más de dos siglosesta región ha aportado entre el 50 yel 70% de toda la producción nacional de hulla, mientras que en 1905se produjeron 1.900.000 toneladascon unos 35.000 mineros trabajando, a finales del año pasado (en elque, dicho sea de paso, Francia yBélgica ya habían cerrado sus pozosy Alemania mantenía sólo los másproductivos) ya sólo operaban en elsector de la minería asturiana del

carbón unos 6.300 mineros, cifra

que sigue disminuyendo a base deprejubilaciones.

Naturalmente, a la imagen delcarbón como algo sucio y cuyaextracción es, cuando menos, pro

blemática, es preciso añadir las consecuencias medioambientales que

su uso conlleva. Las antiguas cen

trales térmicas producían casi tantacontaminación como energía, condesastrosos efectos sobre el medio

ambiente.

Los dos problemas principales dela combustión de carbón en centra

les térmicas para la producción deenergía son la emisión de contaminantes y el bajo rendimiento. Recordemos que en una central térmicaconvencional el carbón (u otro com

bustible) se quema en una caldera yel calor generado se utiliza para producir vapor que mueve una turbinasobre cuyo eje se sitúa un alternadorresponsable de la producción deelectricidad. Una buena parte -lamayor parte- de la energía producida en el proceso se pierde, lo quedetermina que la eficiencia de unacentral convencional se sitúe, habi-

tualmente, por debajo del 30%. Porotra parte, los gases procedentes dela combustión contienen productosaltamente contaminantes. Y, final

mente, entre estos productos seencuentra el dióxido de carbono

que, aunque alejado de la idea tradicional de producto contaminante, es

causante del llamado "efecto inver

nadero", probablemente responsable del calentamiento global de latierra.

Con todo lo dicho, parece muydifícil rebatir la imagen del carbóncomo material innoble: innoble en

su extracción y manipulación einnoble en sus aplicaciones más frecuentes. En lo que sigue intentaréque, sin aburrir a los presentes,mejore algo la imagen que de estematerial se hayan formado.

Hablemos, en primer lugar, de

las centrales térmicas. En realidad,

en las de construcción más reciente

algunos de los problemas enunciados se han visto considerablemente

aliviados. Por una parte, al mejorarla tecnología del proceso de quemado: así, la combustión en lecho flui

do (a veces .se dice también fluldi-zado) consiste en quemar el carbónen un lecho de panículas inertes,fluidizado mediante una coirienle

de aire que hace que burbujee. Almismo tiempo se inyecta caliza odolomita (carbonato de calcio ymagnesio) que se combinan con elazufre formando escorias que son

retiradas con las cenizas, reducien

do así la emisión de dióxido de azu

fre. En ocasiones ("combustión enlecho fluido circulante") las partículas son transportadas a cambiadores de calor donde se enfrían yvuelven a la cámara de combustión

para mezclarse de nuevo con el carbón.

Una moderna y eficaz vía alternativa supone gasificar el carbóncomo etapa previa a la combustióntotal. El proceso consiste en su alimentación a un reactor a presióndonde se produce la gasificacióncon oxígeno de alta pureza (85%) yvapor de agua. Se produce así unacombustión incompleta a temperatura suficiente (I500^'C-1600-C)para conseguir la fusión de las cenizas originales del carbón (que setransforman en su mayoría en escoria vitrificada inerte). La adición de

caliza como fundente reduce la tem

peratura de fusión y favorece la flui-dificación de la escoria, al tiempoque reduce la emisión de contaminantes.

100cias@uned

enmara ite ^rblnaeombuallón de gesC I generador

turbina devapor

eneradoe vapor

salida degases

entrada doI agua fría

salida doagua calienta(puede aprovecharsepara calefaccldn)

Figura I. Central de ciclo combinado.

La eficiencia del proceso de gasificación se mide por el grado de utilización del combustible (que puedellegar al 95%) y la conversión delpoder calorífico del combustible enenergía química del gas (conversiónque puede alcanzar el 75%).

Por último, otra vía muy utilizadaen la actualidad para la mejora de laeficiencia de las centrales ténnicas

es la que resulta de las denominadasinstalaciones de ciclo combinado.

En la Figura I se presenta un esquema muy simplificado de una centralde este tipo. En ellas la energía esproducida en dos ciclos diferentes;en el primero de ellos (en la partesuperior de la figura) son los gasesde combustión a alta presión los quemueven una turbina. Estos gases,que salen calientes del escape de laturbina, se utilizan en un segundociclo (representado en la parte inferior) para producir vapor que, a suvez, mueve una segunda turbina.Con estos sistemas se llegan aalcanzar eficiencias hasta del 53%

que prácticamente duplican a la delas centrales ténnicas convenciona

les, y con niveles de emisión decontaminantes mucho menores.

Indudablemente, subsiste el problema de las emisiones de dióxido

de carbono, causante del efecto

invernadero. No obstante, tampocopodemos olvidar que la utilizaciónde las energías renovables competitivas produce, en mayor o menormedida, contaminaciones alternati

vas... ¿quién no ha sentido desazónal contemplar un paisaje poblado degeneradores cólicos, casi de ciencia

ficción? Sin duda es una imagencontaminante. Todo ello sin men

cionar los electos adversos que talescentrales producen en el ecosistemay las aves del enlomo, las interfe

rencias electromagnéticas y los perniciosos efectos sónicos. Molinos

son, a fin de cuentas, y contra ellosarremetería nuestro buen hidalgo.

Espero que lo expuesto hasta elmomento haya podido mejorar algola imagen sobre el empleo del carbón como fuente de energía. Noobstante, estando en mi ánimo

alcanzar la conclusión de que el carbón debe ser considerado como un

material noble, séame permitidocitar otras aplicaciones de estematerial que trascienden de su usocomo combustible. Por supue.sio,prescindiré -por obvias- de las referencias al uso industrial y estéticode los diamantes.

Quiero, en primer lugar, referirme a los llamados carbones activos.

Y ello, por dos razones: una por elenorme interés aplicado de estosmateriales. La segunda, mucho másentrañable, por el hecho de que unode los pioneros en los trabajos sobrepreparación y caracterización deestos carbones en España y creadorde escuela sobre los mismos, ha

sido el que fue Catedrático de laFacultad de Ciencias y ProfesorEmérito de la UNED, Dr. D. Juan de

Dios López González, a quien quiero con estas palabras rendir unmerecidísimo homenaje.Los carbones activos son mate

riales obtenidos mediante una gasificación parcial de un carbón pre

viamente preparado o mediante laobtención directa por combustiónlimitada de un precursor, tal comoun residuo vegetal u otros materiales orgánicos de desecho. Son bienconocidos los ejemplos de la cásca-ra de coco, el hueso de aceituna o la

pulpa residual del procesado de lamanzana en la industria de la sidra.

El sólido remanente contiene un

gran número de cavidades, allí dondela fase gaseosa se ha generado, loque implica el desarrollo de una textura porosa muy evolucionada. Noson infrecuentes áreas superficialesdel orden de los 1000 metros cuadra

dos por gramo. Ello detennina unsinnúmero de aplicaciones comoadsorbentes, en ocasiones de muyalta selectividad, como catalizadores

(por la facilidad con que es posiblefuncionalizar esa superficie) y comosoportes de catalizadores, aportandouna importante fortaleza estructural ala especie catalíticamente activa quese ha depositado previamente sobresu superficie. Sería absurdo (por loprolijo) enumerar las aplicaciones delos carbones activos de las quemuchas, por otra parte, están en lamente de todos. Por ello, me referiré

a continuación a otras aplicacionesdel carbón.

Una de las más notables es la

posibilidad de preparar materialescarbonosos en fibras, habitualmentea partir de precursores que son polímeros orgánicos, como el poliacri-lonitrilo, del que por tratamientosténnicos es posible la obtención defibras. No se conoce con absoluta

precisión el proceso, pero una buenaaproximación al mismo es la quedescribiré a continuación:

Según se muestra en la Figura 2,al comenzar a calentar este polímero a partir de las unidades ciano seforman ciclos. Si volvemos a calen-

lar el producto a mayor temperaturalos ciclos se aromatizan originandoun polímero constituido por anillosde piridina condensados.A continuación, calentamos de

nuevo enti'e 400°C y óOO'-'C provocando la fusión de cadenas, según semuestra y. finalmente, entre 600-C y1300-C originando "bandas" o "cin

tas" polímeras que contendrán sólo

Figura 2. Fibras de carbón.

átomos de nitrógeno en sus bordes,estando constituidas por carbonocasi puro en forma de grafito. Deesta manera habremos obtenido

fibras de carbón.

A partir de estas fibras de carbón,por combinación con otros materiales. es posible la preparación de losllamados "materiales compuestos",presentes en una gran mayoría deobjetos con los que estamos muyfamiliarizados, combinando ligereza de peso con excelentes propiedades mecánicas; desde carrocerías de

automóviles y carenajes de motosde competición hasta pértigas deatletas y raquetas de tenis, pasandopor prótesis capaces de reemplazarválvulas cardiacas, piezas del oídomedio, huesos del esqueleto o cartílagos deteriorados.¿Más aspectos "nobles" del car

bón? Imaginemos por un momento

que una de esas "cintas" cuyaobtención a partir de poliacrilonitri-lo describíamos hace un momento,

se enrollase sobre sí misma hasta

hacer fusionarse sus bordes, for

mando así un cilindro. Es evidente

que si la "cinta" es suficientementeancha la distorsión que este proceso

introduce en los ángulos de enlacesería perfectamente soportable porel material.

Pues bien, acabamos de obtener

lo que se suele conocer como un"nanotubo" de carbón, como se

muestra en la Figura 3. Y más alláde lo que corno curiosidad puedatener esta disposición, la importancia aplicada de los nanotubos escada vez mayor. Por ejemplo, se hacomprobado que los nanotubosalmacenan hidrógeno, aunque todavía no se sabe bien cómo. Cuando

se depositan nanotubos en el interior de una cámara y se deja entraren ella hidrógeno a presión, al evacuarlo posteriormente, la cantidadde gas recogida ha disminuido considerablemente. El hidrógeno ha

quedado atrapado en el nanotubo,que se ha comportado como si fueseuna esponja. Sin embargo, todavíano se conoce bien cómo se almace

na el hidrógeno ni la cantidad dehidrógeno que puede almacenar unnanotubo.

Los nanotubos tiunbién se apuntan

como futuros protagonistas de laelectrónica. Ya se han obtenido tran

sistores que funcionan con menorintensidad de corriente que los con-

Fisura S. Nanotubos.

Figura 4. Fullereno.

vencionales. El reto es conseguirahora que víirios transistores funcionen conjuntamente. El desajTollo deestos sistemas a gran escala para suuso comercial aún queda lejano, perose trabaja muy activamente en ellos.¿Qué ocurriría si quisiésemos

íthora aproximar entre sí los extremos de un nanotubo cilindrico de

tamaño adecuado para formar unaesfera? Evidentemente este procesorequeriría una distorsión extrema delos ángulos de enlace y la formaciónde tal esfera no sería posible.

Un arquitecto norteamericano,Bucksmiaster Fuller se planteó unproblema similar para la construcción de cúpulas semiesféricas oesféricas y obsen'ó que tal geometría era fácilmente alcanzable si se

reemplazaban parcialmente hexágonos de la estructura por pentágonos.Un paradigma de estas cúpulaspuede admirarse en Disney Worid.Pues bien (nihil novo sub solé,

según el aforismo clásico), la naturaleza ya se había encargado deanticiparse a las construcciones deFuller diseñando moléculas consti

tuidas por 60 átomos de carbonoagrupados en 12 pentágonos y 20hexágonos con una geometría análoga a un balón de fútbol, tal comose muestra en la Figura 4. El descubrimiento y la síntesis en el laboratorio de estas moléculas, denomina

das genéricamente "fullerenos", lesvalió a los investigadores CurI,Kroto y Smalley la concesión delPremio Nobel en 1996. El fullereno

debe ser uno de los contadísimos

casos de especie química que hamerecido figurar en un sello decorreos.

Son numerosas las aplicacionesque se prevén para los fullerenos.Entre ellas cabría reseñar su utili

zación en balerías recargables,

teniendo en cuenta la facilidad con

que se reducen y la reversibilidaddel proceso; su uso como lubricantes, por su forma esférica y la debilidad de las fuerzas intermolecula

res; y, particularmente, el empleocomo superconductores de altatemperatura crítica de fullerenosdopados con metales alcalinos o,incluso, la utilización de estas singulares moléculas como "balasmágicas", transportando fármacospreviamente encapsulados en su

interior hasta destinos específicamente seleccionados en el organismo.

Finalmente, ¿qué ocurriría si envez de introducir en la estructura del

grafito anillos de cinco átomos sehubiesen introducido anillos de

siete u ocho? La estructura generadasería nuevamente una estructura

curvada pero ahora con lo que se

Figura 5. Schwarzita.

denomina "curvatura negativa", sinposibilidad de cerrarse sobre símisma. Así se origina la denominada estructura tipo schwartzita, queadoptan los llamados carbonesnanoporosos o carbones esponjosos,como el que se presenta en la Figura 5, cuya química se está desarrollando en la actualidad. La selectivi

dad que estos materiales handemostrado en la separación degases es asombrosa: 30:1 en la sepa

ración de O2/N2, 178:1 en la de

He/N^y 333:1 en la de H2/N2.Espero que la somera descripción

que de estos sistemas he realizadohaya podido, por poco que sea, contribuir a ennoblecer la imagen delcarbón. Si así es, grande será misatisfacción.

Antonio Jerez Méndez

Dpto. de Química Inorgánicay Química Técnica

NOVEDADES CIENTÍFICAS

Novedades científicas en Física en el año 2002

ASTROFISICA

Y COSMOLOGÍA

• En el año 2000 los experimentos Boomerang y Maxima, a bordode globos aerostáticos, realizaron lamedida más aproximada hasta entonces de la anisotropía de la radiacióncósmica de fondo. Sus resultados

eran compatibles con las prediccio

nes del modelo estándar con un uni

verso plano. (Ver 100cias(a!uned n.°4, pp. 52-56). No obstante, la resolución angular de tales experimentossólo era de 10-15 minutos, por lo queno permitían discriminar patrones detamaño menor. Dos años después,

dos nuevos experimentos, Cosmic

Backgmuml Imager (CBI) y VerySmall Array (VSA), han realizado

medidas mucho más precisas de laanisotropía de la radiación. El VSAutiliza 14 antenas de 14 cm de diá

metro situadas a 2.000 m de altura en

Tenerife. El CBI utiliza un telescopiode interferencia compuesto por 13antenas de 90 cm de diámetro y conuna separación máxima de 5,5metros, situado a 5000 metros de

altura en el desierto de Atacama

(Chile). Con ello se consigue una resolución angular de 4 minutos de

arco. Esta resolución ha permitidodeteclai* pequeños puntos calientesque constituyen las semillas de iosactuales cúmulos de galaxias. Porotra parte, los resultados anterioreshan sido básicamente confirmados.

La densidad de materia-energía esaproximadamente igual a la crítica

(universo plano) pero la densidad demateria solo da cuenta de aproximadamente 1/3 de este valor crítico

(aunque las nuevas medidas dejanmás espacio para la materia no bario-

nica). Los otros 2/3 de la densidadcrítica deben corresponder a la energía de vacío.

• Como es bien sabido, la radia

ción cósmica de fondo es el residuo

que quedó cuando el plasma queconstituía el universo se hizo neutro ytransparente. Inmediatamente antesde que esto ocurriera las interacciones electrón-fotón dieron una pequeña polarización a la radiación, quetambién varía de un punto a otro delcielo. Esta polarización ha sido medida por el experimento DASI (DegreeAngular Scale Íníeiferometer) instalado en el Polo Sur.

• En el número anterior de

lOOcias @uned (ver lOOcias (2)uned,