Respuesta corta: es difícil encontrar nuevas fuentes de energía que realmente funcionen cuando se miran los detalles. En lugar de proponer la próxima gran fuente de energía (en una publicación de Quora), permítanme enumerar las dificultades. Para cualquiera que lea esto y tenga una idea en mente, ¡persígala! No dejes que te desanime; tome esto como una hoja de ruta de cómo poner a prueba su idea.
1. El problema más fundamental es obtener más energía de la que pones. Parece una obviedad, pero este es el problema más difícil de superar. (Todos los fenómenos en la física de partículas, por ejemplo, todos los bosones de Higgs, hadrones excitados, creación de pares de partículas-antipartículas, todo eso requiere estrictamente más energía que energía).
Por esta razón, las fuentes de energía generalmente tienen menos que ver con lo que inventamos que con lo que encontramos . Tenemos que encontrar algo en la naturaleza que pueda liberar energía, pero por alguna razón aún no lo ha hecho. Por ejemplo, la mayoría de las fuentes de energía implican quemar algo: eso se debe a que un objeto no quemado está en un estado de energía más alto que después de haberlo quemado, pero no puede entrar en ese estado de energía más baja a menos que alguien encienda una cerilla. La pequeña entrada de energía de golpear el fósforo permite que el objeto encontrado supere la joroba.
Esa es también la razón por la cual la segunda fuente de energía más común es la de dejar caer cosas, generalmente agua del lado alto de una presa.
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Por cierto, la pregunta menciona la fisión nuclear. Aunque involucra física exótica, la fisión también es una cuestión de encontrar algo en la naturaleza que pueda liberar su energía pero no sin nuestra ayuda. Los isótopos fisionables, como el uranio-235, tienen núcleos lo suficientemente grandes como para que la tensión de la repulsión eléctrica de los protones compita casi con la fuerza fuerte que los mantiene unidos (vea esta página para más información):
Si espera 700 millones de años, eventualmente se separará por sí solo a través del azar. Pero si lo golpeas con un neutrón, se rompe de inmediato.
Dado que este proceso es en sí mismo una fuente de neutrones, tiene el potencial de una reacción en cadena para que no tenga que seguir alimentándolo con neutrones (que cuesta producir energía). Pero aún no: si esta fuera toda la historia, entonces un núcleo de uranio en descomposición aleatoria causaría una reacción en cadena natural, agotando todo el uranio hace millones de años.
Estos neutrones son demasiado rápidos: la probabilidad de una colisión entre el neutrón y el núcleo depende de la energía del neutrón, y hay un punto óptimo con energías considerablemente más bajas. Para hacer un reactor nuclear (o bomba), necesita un moderador de neutrones como el agua o el carbono. Descubrir cómo hacerlo fue la primera mitad del proyecto de Manhattan (y el hecho de que los Aliados supieran que el grafito es un buen moderador, mientras que los nazis solo sabían sobre el agua, probablemente marcó la diferencia).
Para resumir, (1) el uranio 235 se tambalea justo al borde entre ser tan inestable que se habría deteriorado antes de que lo tengamos en nuestras manos y sea tan estable que no podamos “quemarlo”. (2) Incluso cuando lo quemamos, tenemos que hacer cosas especiales que no ocurrirían en la naturaleza, o de lo contrario se habrían agotado antes de tenerlo en nuestras manos. Las circunstancias son tan artificiales que solo sucedió una vez en la naturaleza que conocemos (la mina Oklo en Gabón, África Occidental).
El uranio 235 no es el único isótopo que puede sufrir fisión, pero es el único natural. En algún momento de nuestra historia, necesitábamos el encendido nuclear para fabricar los reactores reproductores que ahora producen otros isótopos. Lo que me atrae de esta historia es que la energía nuclear apenas era posible, es un milagro que funcione en absoluto. Es una pena lo que hemos hecho con ese caballo de regalo.
2. La energía en el objeto encontrado tiene que ser coherente, no aleatoria. Tal vez eso no tenía mucho sentido, así que dirijo con un ejemplo: la energía térmica total en su cuerpo, si se convierte en energía eléctrica, es de aproximadamente 500 kilovatios-hora. Es decir, si pudiera encontrar un proceso que detuviera el movimiento aleatorio de los átomos en su cuerpo y utilizara esa energía para encender un generador, obtendría unos 500 kilovatios-hora de energía eléctrica. Mientras tanto, todos los átomos en su cuerpo se han detenido y usted se ha enfriado al cero absoluto.
Este ejemplo puede satisfacer el n. ° 1 (no estamos produciendo energía de la nada), pero no es posible porque los movimientos aleatorios no se pueden convertir en movimientos coherentes sin ayuda externa (lo que anula el propósito de tratar de sacar energía del sistema) . Todo lo que podemos hacer es abrir una puerta y dejar que la energía fluya de un lugar a otro, y la energía solo fluye de forma coherente a aleatoria.
Por ejemplo, el mar tiene mucha energía, pero si solo se trata de olas agitadas que fluyen en direcciones aleatorias, no puede acceder a esa energía. Si coloca represas hidroeléctricas en el mar, el agua a veces entraría, otras saldría y no giraría la rueda del generador lo suficiente en ninguna dirección para generar electricidad. Si, por otro lado, coloca represas en áreas con mareas altas coherentes, la rueda giraría en un sentido con la marea baja y en el otro lado con la marea alta. Extraería energía y produciría electricidad, pero esa energía no provendría del océano mismo. Proviene de la órbita de la luna, que está impulsando las mareas. La luna que orbita la tierra es solo otro ejemplo de una roca que cae: la órbita es caída libre.
Volviendo a la generalización de que los humanos obtienen energía al quemar o dejar caer cosas, solo podemos hacerlo porque
- la mayor parte del mundo es más frío que un fuego: el calor fluye del fuego a cualquier otra cosa, y podemos desviarlo un poco;
- Un objeto que cae es una fuente coherente de energía. El agua que fluye sobre una presa va casi en la misma dirección.
Las dos dificultades enumeradas anteriormente son la Primera Ley de la Termodinámica (obtener más energía de la que se pone) y la Segunda Ley de la Termodinámica (dejar que la energía fluya de coherente a aleatoria), respectivamente.
3. Más allá de eso, cada tecnología específica tiene desafíos específicos, y a veces un problema que no tiene nada que ver con la idea fundamental resulta ser un obstáculo para el espectáculo.
Durante un tiempo, estuve muy entusiasmado con la fusión catalizada por muones; seguí tratando de pensar en formas de hacerlo funcionar. La idea fundamental es que puedes hacer átomos exóticos con hidrógeno y muones (los muones son como electrones, pero mucho más pesados). La masa del muón mantiene a los protones de hidrógeno mucho más cerca que en los átomos normales, lo suficientemente cerca como para hacer que se fusionen sin todo el desorden de contener un plasma caliente. Esta técnica funciona y se ha demostrado varias veces.
Sin embargo, cuando el hidrógeno se fusiona en un helio, el helio sale volando con mucha energía cinética (¡genial! Esa es la energía que queremos), pero el muón se adhiere al helio, en lugar de permanecer en el combustible y catalizar más hidrógeno. El método satisface el n. ° 1: encontramos el hidrógeno (increíblemente abundante) en un estado de energía más alto de lo que le gustaría (helio) y la técnica para encender el fósforo y permitirle reducir su energía no ocurriría naturalmente (bajo los muones energéticos no se encuentran naturalmente). Cumple con el n. ° 2: la temperatura del helio saliente es mucho mayor que la temperatura ambiente, por lo que impulsará un motor térmico. Pero el método no funciona porque no tenemos pinzas subatómicas para quitar los muones del helio y volverlos a colocar en el hidrógeno.
La naturaleza no respeta la inteligencia.
Es por eso que, al final, sospecho que nuestra mejor esperanza para la energía limpia es mejorar una técnica existente, en lugar de pensar en una nueva. Probablemente será algo mundano, como el viento, pero con hélices realmente elegantes.
