Este curso introductorio aborda conceptos de energía sustentable y describe tecnologías avanzadas que pueden sustituir progresivamente las actuales dominadas por el carbón, el petróleo y gas natural, cuyas emisiones está perturbando progresivamente el clima, lo que puede afectar el desarrollo y la convivencia internacional. Este curso ilustra los impactos que provoca la transformación de energía para estimular el desarrollo de cambios en las formas y tecnologías de producción y uso de la energía, comprendiendo su origen físico, sus desafíos, compromisos y externalidades. Se estudia la evolución del clima global y los escenarios que se contemplan. En base a ellos, se promueve la adopción de recursos naturales de larga autonomía, cuya transformación emite el mínimo impacto ambiental y climático y cuyas tecnologías son posibles de implementar a costos abordables para la sociedad, considerando que un sexto de la población global aún no accede a la electricidad ni a otros servicios energéticos esenciales para su desarrollo. Se proponen soluciones efectivas para la mitigación del cambio climático y se enuncian opciones aún en estudio.
Energía en la tierra
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Del curso dictado por Pontificia Universidad Católica de Chile
Explorando la Energía Sustentable
62 calificaciones
De la lección
El origen de la energía
En este módulo aprenderás las definiciones del concepto de energía, las interacciones que la originan, los modelos que la describen y los sistemas que se emplean para medirla.
Conoce a los instructores
Julio VergaraPhD in Nuclear Materials Engineering
Profesor Asociado Adjunto de la Escuela de Ingeniería UC.
César Sáez NavarreteDoctor en Ciencias de la Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos
Bienvenidos a esta nueva sesión del curso de energías sustentables.
Mi nombre es Julio Vergara, profesor de la escuela de ingeniería UC.
En esta ocasión, se verán los atributos y propiedades de nuestro planeta,
explorando los mantos internos.
En particular, se verá el proceso inferido de liberación de energía nuclear en la Tierra
como principal fuente geotérmica.
Veremos cómo se libera la energía en los mantos de la Tierra
y su transporte a la superficie terrestre.
Esto surge de observar a varios planetas de este sistema
que producen energía no relacionada con su estrella.
Se han propuesto varias hipótesis para entender
la operación del interior de la Tierra.
Se postula que su interior puede generar energía por reacciones nucleares,
la que se suma a la recibida desde el Sol.
La mayoría de estas teorías son inferidas, ya que su estructura es opaca
y no se ha podido perforar más allá de algunos kilómetros.
La Tierra es el tercer planeta de tipo rocoso,
ubicado a una distancia conveniente del Sol de 150 millones de kilómetros,
siendo el único que permite sostener
la vida con temperatura y presión superficial tolerables.
Mediante el estudio de la simbología terrestre,
se ha podido entender la estructura interna e inferir el funcionamiento
Las fuentes de estudio han sido terremotos, explosiones nucleares subterráneas
cuando estas no están prohibidas, vulcanismo y grandes explosiones en la minería.
Mediante diferentes ondas, principales y secundarias, reflejadas y acopladas,
ha sido posible identificar diferentes mantos y capas.
En particular, se identifican capas en la corteza, además de dos mantos,
interno y externo y dos segmentos de corazón, uno externo líquido,
y otro interno sólido gracias a la presión.
A partir de la simbología, se definen los radios internos,
con el corazón de la mitad del radio.
Estructuralmente, el interior de la Tierra difiere bastante del centro del Sol,
compuesto esencialmente por dos elementos livianos.
En las respectivas capas dominan diferentes materiales de masa intermedia.
En esta figura se muestra la densidad terrestre en el sentido radial.
La densidad en el centro del planeta es moderada, de 13,000 kilos por metro cúbico,
muy similar a la densidad del uranio.
Esta se reduce hasta llegar a la superficie, donde promedia
la densidad de la Tierra con la densidad del mar.
En esta figura se muestra la temperatura del centro terrestre en el sentido radial,
donde se aprecia una temperatura interior de 5,800 grados Kelvin,
lo que confirma la existencia de una fuente independiente del Sol, manteniendo
una temperatura superficial cómoda de 16 grados Celsius para sostener la vida,
gracias a la posición en el sistema solar
y la existencia de una atmósfera con gases de efecto invernadero.
Con la baja de densidad, temperatura
y con los materiales existentes en el centro del planeta, no podría haber fusión.
Sin embargo, dos fenómenos naturales son posibles, decaimiento radioactivo
y una posible fisión geocéntrica intermitente.
Cualquiera de estos obedecen a interacciones nucleares débiles,
igual que los procesos del interior del Sol,
con otros materiales que convierten quarks y nucleones
y eyectan núcleos con alta energía cinética,
en este caso, elementos relativamente pesados que se convierten en calor
calor por revolución electromagnética y que fluirá a la superficie.
El decaimiento radioactivo es un fenómeno en el que un isótopo,
como el Radio 226, Potasio 40 o Carbono 14,
emiten una partícula o un rayo gama para estabilizarse.
En la Tierra existen unos 60 isótopos radioactivos,
y otros se producen por efecto de los rayos cósmicos.
Esta reacción muestra un ejemplo en el que el Potasio 40
emite un electrón de alta energía desde el núcleo,
el cual calentará por fricción a los átomos vecinos.
Los isótopos radioactivos han estado siempre en la Tierra,
en el agua, en los alimentos, en la playa.
Se concentran más en algunos lugares que en otros.
Y los seres vivos estamos orgánicamente acostumbrados a la mayoría de ellos.
Además, usando reactores experimentales, se pueden fabricar isótopos radioactivos,
los que sirven para detectar enfermedades,
tratar cáncer, controlar procesos industriales, dilatar fuego, etcétera.
El decaimiento isotópico, por ejemplo con el isótopo artificial Plutonio 238,
que se fabrica en aceleradores y reactores,
permite generar energía en lugares muy apartados sin Sol durante varias décadas.
Sin esto, no podría haberse sonda Cassini.
Se usó también en los primeros corazones artificiales.
Se ha postulado la posibilidad que exista fisión en el interior de la Tierra,
donde concentre suficiente uranio.
Un ejemplo de fisión es la reacción uranio 235 más un neutrón,
que termina en dos productos y un par de nuevos neutrones,
cuya energía cinética total suma 200 millones de electrón Volts,
casi 10 veces más que la que se produce por fusión en el Sol.
Costaría verificarlo, aunque hay indicios en lava terrestre.
La evidencia más interesante es que operaron varios reactores nucleares en Oklo,
Gabón, hace millones de años atrás,
lo que confirma que una combinación adecuada de materiales
puede producir energía de fisión nuclear.
En Oklo se encontraron los materiales testigos de esta ocurrencia.
Este es el proceso de fisión en forma gráfica.
La reacción es simple de lograr, pues opera con neutrones, que no son repelidos
por los núcleos y que pueden acercarse fácilmente.
Una vez cerca, el neutrón será absorbido por gluones.
Eventualmente se convertirá en un protón adicional, lo que crea más carga repulsiva
que separará el núcleo en dos fragmentos,
con una energía cinética que es millones de veces más intensa
que la de una molécula de combustión.
Las fuentes de energía de la Tierra son el decaimiento radiactivo,
algo de fisión, más algunos efectos gravitacionales, induciendo
unos 30 a 50 tera Watts, producidos principalmente en el manto inferior.
Esta energía se disipa en la superficie en cambios de fase, en terremotos,
desplazamiento vertical, erupciones volcánicas y otros fenómenos.
Si el calor disipado fuera mayor que el calor producido, la Tierra se estaría enfriando.
De hecho, el centro de la Tierra se enfría lentamente.
Al momento de formarse la Tierra, la energía radiogénica era tres veces la actual.
El calor radiogénico es la fuente de la geotermia,
que permite producir calor
y a veces electricidad en países donde el recurso es abundante.
Es una fuente difícil de encontrar, y predomina en lugares cerca del cordón de fuego
que no siempre coinciden con los centros de consumo.
Hoy existe una capacidad instalada de 12 giga Watts geotérmicos,
equivalente al 02% de la capacidad eléctrica global, que puede aumentar.
Es una forma de energía que puede funcionar con alta disponibilidad a bajo costo.
Estas 30 a 50 tera Watts
contribuyen al calor que utiliza la Tierra en sus procesos naturales
y se suman al calor que proviene del Sol.
Es posible resumir que en la Tierra hay
y ha habido liberación de energía de enlace por decaimiento radioactivo,
y posiblemente fisión.
Sobre todo en el pasado lejano, cuando la proporción de uranio 235 era más alta.
El calor generado por alguna de estas vías
se transmite al medio por interacción electromagnética.
Estas formas de energía son replicables con tecnología,
con 60 años de experiencia en generación eléctrica y propulsión
y el 5% de la energía primaria,
aparte de lo usado en sondas espaciales y vehículos marciales.
Hasta la próxima sesión.
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