Pilas de hidrógeno: funcionamiento

Tal y como os prometí, os traigo la segunda parte de la entrada sobre pilas de hidrógeno, dedicada a explicar cómo funcionan.

EL primer proceso que hay que llevar a cabo para conseguir energía a través del hidrógeno es extraerlo del agua. Para ello se pueden llevar a cabo varios procesos (están bastante resumidos. Si estáis interesados en alguno, poned un comentario y le dedicaré una entrada):

-Reformado con vapor: con este procedimiento el hidrógeno se obtiene a partir de hidrocarburos, fundamentalmente del gas natural. El componente principal del gas natural es el metano (CH4), al que se le añade agua. Tras diversas variaciones en la temperatura y en la presión del reactivo, se obtiene hidrógeno.

CH₄ + 2 H₂O → 4 H₂ +C

- Electrólisis del agua: cuando una corriente eléctrica pasa a través del agua, el hidrógeno y el oxígeno se separa. El hidrógeno se recoge en el cátodo (polo de la pila cargado negativamente) y el oxígeno en el ánodo. Este proceso es más caro que el reformado con vapor, pero genera hidrógeno muy puro. Si queréis hacer un experimento de obtención de hidrógeno, este es el mejor método.

- Fotoelectrólisis: consiste en el aprovechamiento de la radiación solar para producir corriente y separar así el hidrógeno del oxígeno. 

- Producción fotobiológica: se basa en obtener hidrógeno de ciertos organismos que lo sintetizan de manera natural (algas y cianobacterias).

- Pirólisis: es la combustión incompleta de la biomasa en ausencia de oxígeno, a unos 500ºC. Se obtiene carbón vegetal y gas mezcla de monóxido y dióxido de carbono, hidrógeno e hidrocarburos ligeros.

- Membranas de electrolito con poliamida: este proceso es el que se emplea más tarde en las pila de hidrógeno. El electrolito solo deja pasar los protones de una sustancia (H+), a los que luego se les añaden electrones para conseguir hidrógeno.

Una vez que se ha obtenido el hidrógeno, este se introduce en la pila, que es donde se obtiene la energía siguiendo estos pasos:

1.- El hidrógeno se inyecta en el ánodo. El oxígeno, en el cátodo. 

2.- El hidrógeno se disocia (divide) en protones y electrones, ya que los electrones no pueden atravesar el electrolito polimérico (contiene un polímero que lo impide).

3.a- Ya que no pueden atravesar el polímero, los electrones tienen que pasar por un circuito externo, generando así energía. Este circuito puede ir a cualquier lugar, como nuestras casas. Los electrones que salen ahora del circuito no son los mismos que vuelven después. 

3.b- Los protones del hidrógeno, mientras tanto, atraviesan al electrolito y llegan al cátodo. Ahí se unen con el oxígeno y los electrones que vienen del circuito, generando agua o vapor de agua, que es expulsado continuamente al exterior.

Esto ofrece una gran cantidad de ventajas. Además de eficiente, la pila de H. es poco contaminante. Tiene por único residuo el agua, no hace apenas ruido (entorno a 55 db) y, en caso de fuga, el hidrógeno gaseoso se disiparía rápidamente, impidiendo explosiones. Además, opera a temperaturas muy bajas: entre 60 y 80 ºC, muy por debajo de los 850 ºC del motor diésel estándar.

Las pilas de hidrógeno son una fuente de energía muy interesante, que ofrece una gran cantidad de ventajas. Todavía es cara, pero creo que esto no impedirá su expansión. Tal vez llegue el día en que, gracias a este avance, podamos llenar el depósito del coche con agua.

Pilas de hidrógeno: componentes

Las fuentes de energía renovables son cada día más importantes. Si ahora saliera a la calle a preguntar a los transeúntes acerca de este tema, probablemente me hablarían de la energía solar, la hidráulica, la eólica... Sin embargo, estoy convencido de que la mayoría olvidarían una fuente de energía renovable muy importante: las pilas de hidrógeno.

 

Las pilas de hidrógeno tienen gran cantidad de campos de aplicación. Estoy seguro de que ahora mismo, si os preguntara, me hablaríais del transporte (los famosos coches que funcionan a base de agua). Pero hay otros. Por ejemplo, la miniaturización de las pilas podría llevar a la creación de baterías portátiles, recargables con agua, para nuestros teléfonos. Tambien la industria espacial podría aprovecharse de esta fuente (son bastante ligeras, no vibran, y producen agua como único residuo, que podría ser consumida por los astronautas).

¿Pero, cómo funcionan realmente?

Primero, es necesario conocer sus componentes. Son los siguientes :

• Ánodo: es el polo positivo de una pila hacia el cual se dirigen los iones negativos (aniones) a través del electrolito. Es de un material poroso.

• Cátodo: es el polo negativo de una pila hacia el que se dirigen los iones positivos (cationes). Es de un material poroso. 

• Electrolito: disolución de sales en agua que da lugar a la formación de iones (átomos que pierden o ganan electrones) y que permiten que la corriente circule a través de ellos. En este caso, es el hidróxido de potasio (KOH) con una poliamida quien actúa de electrolito. 

• Circuito externo: por él pasan los electrones del hidrógeno de camino al cátodo, generando así corriente eléctrica.

• Catalizador: acelera la conversión del hidrógeno en protones y electrones. Suele ser de platino o paladio.

Lo segundo sería conocer qué tiene lugar en la pila desde que en ella entran el hidrógeno y el oxígeno hasta que sale el agua, describiendo además cómo se obtiene la energía. Aunque no es ni muy difícil ni largo de explicar, prefiero contároslo en otra ocasión, además de que así podré hablar un poco de los métodos de obtención de hidrógeno. ¡Estad atentos!

La teoría de colas: ¿cuál es la más rápida?

Hoy os traigo un vídeo que explica la teoría de colas, una importante rama de las matemáticas, haciendo un pequeño recorrido por su historia y mostrando una forma de aplicarla en el día a día. Está subtitulado al español, pero para verlo tenéis que darle al icono cc. Espero que os parezca interesante. Un saludo.

El porqué de los números

Todos usamos los números a diario. Cada vez que escribimos una cantidad, cada vez que realizamos una operación, cada vez que contamos algo... en todas esas ocasiones utilizamos los símbolos numéricos. Si no existieran, tendríamos que hacer todo lo anterior escribiendo las cantidades con todas las letras, lo cual haría cosas tan sencillas como una suma una tarea ardua y compleja. Pero, ¿de dónde vienen los números? ¿Por qué tienen esa forma?

Los símbolos numéricos son representaciones escritas de cantidades de elementos. La primera civilización en emplear símbolos para realizar operaciones es la civilización babilónica. Se empleaba la escritura cuneiforme (basada en escribir con una cuña sobre tablas de barro), por lo que las cifras también tenían esta forma. Fue el primer sistema del tipo posicional, en el que el valor de un número no venía determinado sólo por su forma, sino también por la posición que ocupaba. Su sistema de numeración era sexagesimal, es decir, tenía de base sesenta. Al ser grandes astrónomos, los babilónicos dejaron su huella en nuestra forma de determinar los períodos de tiempo y los ángulos (una año tiene 12 meses, 24 horas, 365 días, un ángulo tiene 360º…).

En otros lugares del mundo se fueron desenvolviendo nuevos métodos de cifrado, con distintas bases y símbolos (por ejemplo, la escritura ideográfica china de base 20).  Surgió entonces en la Antigua Roma la numeración romana, cuyo funcionamiento podéis consultar fácilmente en cualquier página. A pesar de ser la más moderna, la numeración romana ofrecía muchas carencias, ya que no permitía representar fracciones y con ella era difícil realizar operaciones matemáticas.
  
Paralelamente al método romano, se desarrolló en China el sistema Hu-Ma, de base diez y carácter posicional. Llegó a la India y más tarde los comerciantes lo extendieron hacia el mundo árabe. De esta manera, todo Oriente Medio empleaba la numeración decimal en el año 700. Sin embargo, no sería hasta el año 1202, cuando el matemático italiano Leonardo di Pisa (Fibonacci) escribe su libro Liber Abaci, que difundió las ventajas del sistema decimal por toda Europa.
  
La pregunta es: ¿Por qué nuestros números esta forma? Pues por sus ángulos. El número de ángulos convexos [1] en el trazo de un número es el que determina su forma y, por tanto, la cantidad que designa. Esto es fruto de la evolución de estos símbolos a lo largo del tiempo, pues en un principio no se escribían de esta forma.

  
Debe observarse que estos números están escritos en su forma primitiva y sin líneas curvas. El 0 se considera como un número sin ángulos.

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[1] Ángulos menores que 180º pero mayores que 0º.

Evolución Lamarckista

Hoy vamos a hablar un poco de biología. De una teoría de la evolución anterior a Darwin en concreto. Es el Lamarckismo, una hipótesis muy importante para el desarrollo de las que vinieron a continuación.

Aunque ya los griegos habían formulado hipótesis de cambio gradualista en los seres vivos, no fue hasta el siglo XIX cuando Lamarck (1744 – 1829) formuló la primera teoría de evolución biológica de forma estructurada, exponiéndola de forma extensa. En su obra, Lamarck considera que la naturaleza tiene tendencia natural hacia la complejidad y el progreso; siendo consecuencia de esta tendencia la transformación de las especies. Por ello, recibió el nombre de teoría transformista. Propone dos mecanismos de cambio:

Progreso: los seres vivos cambian necesariamente a lo largo del tiempo, acomplejándose. De esta forma, los organismos simples tienden a crear órganos más complejos, escalando en la cadena del ser. El lugar dejado por estas especies sería llenado por nuevas formas elementales generadas de forma espontánea (Lamarck defendía la abiogéneses como origen de la vida).

Adaptación: las condiciones ambientales varían periódicamente, por lo que los organismos deben modificar sus hábitos y adaptarlos a sus nuevas necesidades. Estas modificaciones producirían alteraciones en la estructura del organismo, que se transformaría siguiendo dos leyes:

• Ley del uso y el desuso: el uso reiterado de un órgano lo agranda y lo acompleja, mientras que el desuso lo atrofia. Así, el cuello de las jirafas se alarga para alcanzar las hojas altas de las acacias, mientras que los ojos de los topos pierden visión por ser innecesarios bajo tierra.

• Ley de la herencia de los caracteres adquiridos: las ganancias o pérdidas de órganos se transmiten a la descendencia: los hijos de la jirafa nacen con el cuello más grande, mientras que los hijos del topo tienen los ojos más reducidos.

Por todo esto, es considerada una teoría del tipo funcionalista: es la función del órgano la que determina su estructura, y no a la inversa. En este aspecto, se oponía a la selección natural de Darwin, ya que esta última tenía carácter estructuralista: era la estructura del órgano la que motivaba su función.

Según Lamarck, la acumulación de todos estos cambios generaría una nueva especie. Con todo, la teoría tiene fallos. En primer lugar, la idea del uso y el desuso. Son los genes los que producen los cambios en la forma de las especies, no su estilo de vida. En segundo lugar, la idea de la abiogénesis aplicada al progreso de los seres vivos. Y en tercer lugar, la ley de la herencia de los caracteres adquiridos. Si a un animal se le corta, por ejemplo, una oreja, sus descendientes nacerán con ella, a pesar de lo anterior.

A pesar de sus fallos, esta fue una teoría muy importante. Repercutió en el pensamiento científico de la época, inculcando la idea de la evolución. Además, de todas las teorías evolucionistas que existían hasta ese momento era la más detallada, basándose en argumentos bastante aceptables. Fue, sin duda, un paso importante en la mentalidad científica del siglo XIX.

El teorema de Grafos

Hoy os traigo,  por fin, la solución al problema del otro día. Sé que os habéis esforzado intentándolo, pero no pasa nada. Al fin y al cabo, he hecho un poco de trampa (el problema, aunque es sencillo, da pie a un desarrollo complejo). Veamos cómo se resuelve.

Lo que el problema pide es, en realidad, imposible. No se puede pasar por todos los puentes sin repetir alguno. Da igual por dónde empecéis, cuál sea vuestra ruta o el medio de transporte (a no ser que sea un barco, claro). Siempre llegaréis a una isla sin haber acabado el recorrido y habiendo pasado por todos los puentes disponibles desde esa posición. ¿Por qué? Observad la simplificación del problema:

Como veis, el problema queda reducido a estos cuatro puntos unidos por líneas (aristas). Esto es lo que se conoce como grafo. Introduzco ahora un concepto nuevo: el grado de los vértices. Es el número de aristas que inciden en cada punto. Así, tenemos un vértice de grado 3, uno de grado 5 y otros dos de grado 3. De esta forma, todos los vértices tienen grado impar. Entonces, ¿se puede llevar a cabo lo que pide el problema?

Imaginad un triángulo. Todos sus vértices son de grado par (en cada punto o nudo inciden dos aristas). Esto implica que puedes "salir" y "entrar" una vez en cada punto. O al revés. Entonces, se deduce que es posible recorrer todas las aristas de un triángulo una sola vez, volviendo al vértice del que se partió. Es lo que se conoce como ciclo euleriano. Esto se aplica a cualquier grafo cuyos vértices sean de grado par. Pero, ¿y si hay vértices de grado impar? Ya habréis deducido que, si el número de vértices de grado impar es impar, recorrer todo el grafo es imposible. ¿Y si este número es par? Os digo que tampoco. Y esto es un axioma, por lo que su demostración es bastante difícil. Solo hay una excepción a este enunciado.

La excepción es que haya solo dos vértices de grado impar en todo el grafo. Así, se produciría un camino Euleriano, en el cual se recorren todos los puntos siempre que se parta de uno de los nudos de grado impar. Además, siempre se termina en el otro vértice de grado impar. Probadlo en la imagen de arriba.

Por todo esto, se llega a la conclusión de que el problema del otro día, conocido como "el problema de los puentes de Könisberg", es imposible. La resolución de este problema, planteado por Leonhard Euler en el año 1736, se considera el primer artículo sobre la teoría de grafos y la topología: dos importantes ramas de la matemática. Esta ha sido, además, mi pequeña introducción al teorema de grafos, explicando de la forma más sencilla posible el concepto de grado.

Espero que os haya gustado. Un saludo, y hasta otra.

Sobre puentes y paseos

Hoy os traigo un problema matemático para que lo resolváis. Su enunciado es el siguiente:

He aquí el mapa de una antigua ciudad de Prusia. Aunque la ciudad está dividida por un río, hay siete puentes que nos permiten pasar de una zona a otra. En esta ciudad vive Leonardo, un hombre aficionado a los paseos y al que le gustan bastante las matemáticas. Un día, observando el mapa, se hizo la siguiente pregunta: ¿Es posible empezar en una zona de la ciudad y dar un paseo cruzando todos los puentes, sin pasar más de una vez por un puente, y volver al punto de partida? 

Os animo a intentar resolverlo. Publicad vuestras respuestas como comentarios en esta entrada. Al que dé la mejor respuesta lo mencionaré en la entrada en la que yo explique este problema (sé que no es un premio muy grande, pero lo importante es pasarlo bien resolviendo el problema).

Saludos, y suerte con el problema

La sección áurea

Saludos bloggeros. Hoy os traigo un nuevo post sobre un tema que no sé si conoceréis, pero que en mi opinión es bastante interesante entretenido. Se trata del tema de la seccion áurea, un concepto matemático bastante curioso e interesante. Comencemos.

Probablemente, si ahora saliera a la calle y preguntara a la gente si cree que el Universo es un lugar caótico, me dirían que sí. Incluso un físico o un cosmólogo me podrían decir lo mismo. Al fin y al cabo, el azar es una constante en el universo. Pero no siempre. Ya los griegos se dieron cuenta de que eso no podía aplicarse siempre. Según ellos, tiene que haber algún patrón en la naturaleza que se cumpla, tiene que haber un orden. Este patrón es lo que hoy en día conocemos como el número áureo, del cual derivan un montón de estrucuturas habituales en la naturaleza. Veamos por qué.

En esta imagen se puede observar la definición matemática del número de oro. Es un número irracional algo mayor que uno, imposible de representar al completo puesto que tiene infinitos decimales. Tampoco hay ningún patrón entre ellos, al igual que pasa con Pi y e. Sin embargo, esto es un poco frío. Y creo que la mejor forma de explicar el número de oro es con un vídeo:

Como veis, el número áureo está en todas partes. Es un número muy importante en la naturaleza y en el Universo. Y aunque este sigue siendo en su mayor parte una estructura caótica, queda claro que no siempre es así. Bueno, os dejo ahora un último vídeo sobre el tema. Tranquilos, este es muy fácil y bonito de ver. Es un vídeo de un estudio de arte español, no hay explicaciones de ningún tipo. Tan solo admirad su belleza.

Esto es todo sobre la sección áurea. ¡Hasta otra!

Neutrinos de forma sencilla

Hola de nuevo. Como os prometí en el post anterior, os presento aquí una entrada dedicada completamente a comprender el tema de los neutrinos. Os lo explicaré de la forma más sencilla posible, con imágenes que faciliten su comprensión. Y si os quedan dudas, preguntadme en los comentarios.

Primero repasaremos la definición wikipedista: los neutrinos son partículas subatómicas (menores que el átomo), sin carga y con una masa muy pequeña (aproximadamente mil millones de veces más pequeña que un protón).Pero la pregunta importante es: ¿cómo aparecen en el universo? ¿Cuál es su función? ¿Cómo interactúan con el resto de partículas?

Primero debemos recordar que todo átomo está compuesto por una corteza (donde están los electrones) y un núcleo con protones y neutrones. Pensad en el núcleo. ¿Creéis que hay algo más pequeño que los neutrones y los protones? Pues en efecto, lo hay. Son los Quarks.

En la imagen podemos ver un neutrón con sus componentes. Ignorad lo de los colores y lo del gluón, eso es otro tema. Fijaros más en cómo se clasifican los quarks: arriba y abajo. Estos son 2 de los seis posibles "sabores" que puede tener un quark (los otros 4 no se encuentran en protones y neutrones). Estos sabores condicionan su carga. Un quark abajo tiene una carga de -1/3, mientras que un quark arriba tiene una carga positiva de 2/3. Podéis comprobarlo, no miento. Si a 2/3 sumáis 2*(-1/3), obtenéis cero, es decir, la carga de un neutrón. Un protón está formado por dos quarks arriba y uno abajo, o lo que es lo mismo:

2*(2/3)3-1/3=1. 1 (positivo) es la carga del protón.

Pero, ¿qué tiene esto que ver con los neutrinos? Observad de nuevo la siguiente imagen:

Aquí aparece la transformación de un neutrón en un protón. Ignorad lo del bosón (al igual que los gluones, entran dentro de un tema algo más complicado, que si queréis os explicaré). Pensad que actúa de intercambiador. La única diferencia entre un neutrón y un protón es que un protón tiene solo un quark abajo, y dos del sabor arriba. Esto significa que para convertir un neutrón en protón un quark abajo se debe convertir en arriba. Es decir, pasa de tener carga -1/3 a tener carga 2/3. Atended ahora, que se complica. Bien, de -1/3 a 2/3 hay uno (2/3-(-1/3)=2/3+1/3=1). Así, el neutrón gana carga uno positiva, convirtiéndose en protón. Sin embargo, hay que recordar que la energía ni se crea ni se destruye. Se transforma. Si gana una carga, en algún lugar debe generar una carga negativa. Pero solo genera la carga, no la materia para contenerla. Ahí aparece el neutrino, que toma es carga -1 y se convierte en electrón. Y esa es la misión del neutrino: adquirir otras cargas.

Sobre neutrinos y teorías cuestionables

En estos días se ha hablado mucho del tema de los neutrinos. Y no es para menos. Tras varios años de investigación en el CERN (Centro Europeo de Investigación Nuclear), los integrantes del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (uno de los departamentos del CERN) han llegado a la conclusión de que los neutrinos son capaces de viajar a una velocidad superior a la de la luz. Aunque todavía no está comprobado al 100%, este descubrimiento hace tambalear el trabajo realizado por Einstein, ya que él basó todos sus postulados en base a que ningún objeto podría sobrepasar la velocidad de la luz. Si al final todo esto fuera cierto, nos encontraríamos ante una revolución de la física moderna.

El experimento consiste en hacer pasar estas partículas a través de un túnel (o mejor dicho, acelerador) subterráneo de 730 km. entre Ginebra y Gran Sasso, en Italia. Según las mediciones realizadas por el equipo de investigadores, los neutrinos se movían 60 nanosegundos más rápido que la luz. Esto podría invalidar una parte clave de la teoría de la relatividad de 1905 de Einstein, aquella que enuncia que nada en el universo puede ir más rápido que la luz.

Pero, ¿qué son los neutrinos? Son partículas subatómicas (menores que un átomo), sin carga y de masa muy pequeña; tan pequeña que, a día de hoy, se hace difícil medirla con exactitud. Solo se sabe que es aproximadamente mil millones de veces menor que la masa de un átomo de hidrógeno.

Evidentemente, esta definición es insuficiente. Porque, en mi opinión, lo que mejor define un neutrino no es la definición anterior. Es la respuesta a la pregunta: ¿de dónde vienen los neutrinos?¿Cómo interactúan con el resto de partículas? ¿Cuál es su función en el Universo? Esto es, en mi opinión, demasiado complejo e interesante como para explicarlo ahora (no quiero que os aburráis en la segunda entrada). Por eso, publicaré las respuestas a las preguntas anteriores en un nuevo entrada. La parte más importante es la que viene a continuación. Os animo a que la veáis. Un saludo.

Bienvenidos a todos

¡Hola blogueros! Os doy la bienvenida a mi blog: "La ciencia a tu alcance". He creado este blog con un objetivo concreto: explicar cuestiones científicas de interés de forma sencilla, para que todo el mundo lo entienda. Y por cuestión científica de interés me refiero a esos logros, inventos o descubrimientos que aparecen casi todos los días en los medios de comunicación, pero que la mayor parte de las veces no son comprendidos del todo. Trataré de explicar estos temas con la mayor sencillez posible (con sencillez, pero con rigor también), sea del campo que sean. Así, hablaré tanto de matemáticas como de física, astronomía, ingeniería, química, temas relacionados con la energía...

Es cierto. Hay muchos blogs de ciencia. Pero, ¿qué es lo que hace a "La ciencia a tu alcance" un blog distinto? Antes mencioné que explicaría todo de la manera más clara posible. Y que cubriría muchos temas. Esto es así porque yo, Ledermauss, no tengo ni 20 años, de manera que mis conocimientos no son tan profundos como los de un doctor, por ejemplo. Todo lo que digo proviene de libros y de temas que he estudiado por interés personal.

Por eso, si te preocupan las cuestiones científicas y tienes curiosidad por entender lo que pasa en el mundo de la actualidad científica, este es tu blog. Os animo a preguntar lo que queráis, y, siempre que pueda, responderé a vuestras preguntas. Un saludo.