Coches eléctricos de batería: ¿aquí ya?

En un simposio que tuvo lugar en Berkeley a principios de junio sobre la acumulación de energía, se planteó la cuestión de la viabilidad actual de los vehículos totalmente eléctricos. Y la respuesta general fue que, a pesar de sus muchas ventajas potenciales, estos coches no van a poder reemplazar al coche normal de una familia en el próximo futuro. Al menos, en Norteamérica, donde las distancias son tan grandes.

De momento, los vehículos eléctricos de batería (VEB)^[1] son una meta a la que nos vamos acercando, pero todavía no estamos lo suficientemente cerca. Utilizar tales coches con lo que algunos llaman una "red verde" eliminaría la dependencia del petróleo importado y reduciría las emisiones de CO₂. Sin embargo, la autonomía sigue siendo un gran problema, así como el coste demasiado alto, a pesar de que la electricidad suele ser menos cara que la gasolina para una autonomía dada.

Los investigadores están de acuerdo en que la química de iones de litio usada actualmente en las baterías de los coches eléctricos^[2] está alcanzando su madurez, por lo que sólo se pueden esperar pequeñas mejoras en la densidad de energía y el coste, que han de ser mayor y menor, respectivamente, para un uso generalizado de los VEB. Estas baterías son apropiadas para los coches híbridos y medianamente apropiadas para los vehículos híbridos enchufables.

En resumen, parece que hace falta encontrar un nuevo tipo de baterías de alta densidad. De momento, se están investigando dos procesos químicos diferentes como alternativa: litio-oxígeno (litio-aire) y litio-azufre. Teóricamente, ambos ofrecen mucha más densidad de energía de lo que sería posible con las baterías de iones de litio en el máximo de su desarrollo. Sin embargo, las dificultades técnicas a la hora de hacer una batería con una adecuada capacidad de recarga usando cualquiera de estos nuevos procesos químicos son enormes.

Las investigaciones tratan de resolver los grandes problemas relativos al cátodo, el ánodo y el electrolito. Hay estudios que incluyen el uso de nanotubos, nanohilos, nanoesferas y muchos otros nanomateriales. Pero lo cierto es que todavía hace falta mucha investigación para llegar a vislumbrar el camino que tomará la fabricación de baterías para vehículos.
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201207/electriccars.cfm

1. ^{^} Vehículos que sólo utilizan la electricidad para moverse.
2. ^{^} Así como en los ordenadores portátiles y teléfonos móviles, por ejemplo.

100 años de rayos cósmicos (IV)

(Este artículo es continuación de 100 años de rayos cósmicos (III). Te recomiendo que lo leas primero.)

La Primera Guerra Mundial supuso un paréntesis en la investigación de los rayos cósmicos. Pero la ciencia seguía avanzando, aunque más lentamente. La mayoría de los físicos aceptaban las conclusiones de Hess y Kolhörster sobre la naturaleza extraterrestre de la radiación de ionización. Entre los que no, destaca el norteamericano Robert Millikan, que era bastante escéptico. Utilizó globos sonda para realizar sus medidas en Texas alcanzando una altura de 15 000 m. Obtuvo una intensidad de radiación no más de un cuarto de lo que Hess y Kolhörster habían obtenido, por lo que concluyó que la radiación penetrante tenía únicamente origen local.

Lo que él no sabía por entonces es que la diferencia se debía a una diferencia geomagnética entre Texas y Europa Central. Posteriormente, cambió de opinión cuando descubrió en unos experimentos en lagos de California a diferentes alturas que dos metros de agua absorbían aproximadamente lo mismo que dos kilómetros de aire. Por lo tanto, los rayos debían venir de arriba. De hecho, viendo la naturaleza electromagnética de esta radiación, Millikan fue el que acuñó el nombre de "rayos cósmicos".

Pero, ¿eran rayos gamma, como muchos todavía creían? En 1927, Jacob Clay descubrió que la intensidad de los rayos cósmicos dependía de la latitud, por lo que al menos parte de la radiación debía ser corpuscular. A Millikan no le convenció este resultado, pero Arthur Compton demostró claramente que existe tal efecto latitudinal (mayor para los rayos cósmicos de menor energía) mediante una serie de expediciones que llevó a cabo en 1932.

En 1928 Hans Geiger y Walther Müller desarrollaron el llamado contador Geiger-Müller, lo que permitía seguir la trayectoria de partículas cargadas individuales. Interponiendo diferentes materiales de distintos grosores entre dos contadores Geiger-Müller, pudieron averiguarse varias propiedades de la radiación en cuestión: Kolhörster y Walther Bothe probaron en 1929 que los rayos cósmicos contenían partículas cargadas mucho más energéticas que los electrones de Compton que producirían los rayos gamma; en 1932 Bruno Rossi descubrió que el flujo de rayos cósmicos contenía no sólo un componente fácilmente absorbido en unos milímetros de plomo, sino también un componente constituido por partículas cargadas con energías de más de 1 GeV.

El campo magnético de la Tierra desviaría las partículas cargadas incidentes, de modo que si fueran negativas, vendrían más desde el este que desde el oeste, y al revés. En 1933, Rossi y otros demostraron que, en efecto, existía un efecto este-oeste que demostraba que la mayoría de los rayos cósmicos eran positivos. Pero, ¿qué eran? ¿Protones, núcleos, los recientemente descubiertos positrones?

La respuesta la hallaron Marcel Schein y sus colaboradores de la Universidad de Chicago en 1940, gracias a un globo con contadores Geiger-Müller que llevaron hasta una altura de 20 km, donde predominan los rayos cósmicos primarios (los que se originan fuera de la atmósfera). A esa altura, las partículas atravesaban láminas de plomo sin generar las cascadas de electrones de baja energía que se esperaría de un electrón o positrón de alta energía. Por lo tanto, los rayos cósmicos eran predominantemente protones.

Pero, ¿qué otras partículas se escondían en los rayos cósmicos? Lo descubrirás en el próximo artículo.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i2/p30_s1

100 años de rayos cósmicos (III)

(Este artículo es continuación de 100 años de rayos cósmicos (II). Te recomiendo que lo leas primero.)

Estamos a punto de conocer a Hess, pero antes habría que decir que el camino que llevó al descubrimiento de los rayos cósmicos en 1912 estuvo marcado por muchas contribuciones, entre las que merece la pena destacar la de Domenico Pacini en 1910, que fue el primero en expresar dudas en cuanto a que las observaciones se debían a sustancias radiactivas del suelo y el aire. De hecho, sugirió que la ionización podría deberse a fuentes distintas a las sustancias radiactivas conocidas.

Victor Hess

Pero, pasemos ya a Victor Hess. Nació en 1883 en un castillo de la provincia austriaca de Estiria. El castillo era la residencia del príncipe al que su padre servía como guardabosques. Hess obtuvo su doctorado en 1906 en la Universidad de Graz. Intrigado por los resultados de Wulf, intentó mejorar los datos de la absorción de la radiactividad en el aire. Pero sus resultados sólo confirmaron los de Wulf y Gockel.

Hess modificó el electroscopio de Wulf para que aguantara las condiciones de las grandes alturas e hizo hasta diez vuelos en globo desde 1911 a 1913. Solía llevar tres electroscopios a bordo, uno con una ventana más fina para medir la radiación beta. El 7 de agosto de 1912 observó un aumento muy significativo de la ionización a gran altura, lo que le llevó a afirmar que sus resultados parecían explicarse con facilidad si suponemos que una radiación de muy alto poder de penetración entra en la atmósfera desde arriba y aún puede producir una parte de la ionización observada en los electroscopios cerrados en las zonas más bajas. Por este descubrimiento, Hess recibió el premio Nobel de Física en 1936.

Werner Kolhörster confirmó los resultados de Hess en 1914. Además, determinó que la longitud de absorción de la radiación era de unos 1300 m, un orden de magnitud mayor que el valor medido para la radiación gamma de las fuentes radiactivas. La intensidad de la radiación era bastante constante, sin variaciones dependientes del tiempo o de la noche y el día.

¿Cuál podría ser el origen de esta radiación? Lo puedes averiguar en el próximo artículo.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i2/p30_s1

La mecánica del traumatismo craneoencefálico

Los traumatismos craneoencefálicos son una importante causa de muerte e invalidez. Suelen ser provocados por impactos con elementos contundentes y por aceleraciones angulares rápidas, como sucede en los accidentes de tráfico o deportivos, en las caídas u otros incidentes. Desde un punto de vista mecánico, tales lesiones ocurren cuando la carga mecánica local excede ciertos niveles de tolerancia del tejido cerebral. Ahora bien, la determinación de tales niveles no es tan sencilla. No sólo hacen falta modelos realistas de la respuesta dinámica del cerebro, sino también determinaciones precisas de las propiedades materiales del tejido bajo condiciones de carga reales.

Las cosas se complican más debido a la compleja geometría del cerebro y su significativa falta de homogeneidad, tanto a niveles macroscópicos como microscópicos. En concreto, la sustancia gris del cerebro, formada principalmente por somas neuronales, es fundamentalmente isótropa. En cambio, la sustancia blanca, que consiste en grupos de axones (o fibras nerviosas) que llevan las señales a otras neuronas, pueden tener orientación, como se aprecia en la figura^[1]. En muchos tipos de accidentes, los axones son especialmente vulnerables, principalmente en el límite entre la sustancia gris y la blanca.

Representación artística de la sustancia blanca del cerebro.

Badar Rashid, Michel Destrade y Michael Gilchrist, de la Universidad Colegio de Dublín y la Universidad Nacional de Irlanda, Galway, han realizado recientemente unos estudios en tejido cerebral porcino, ya que mecánicamente es similar al tejido cerebral humano. Llevaron a cabo medidas y simulaciones detalladas de tensión dinámica bajo condiciones de impacto: tensiones compresivas de hasta un 50% y velocidades de tensión de hasta 9% por milisegundo, lo que corresponde con velocidades de 450 mm/s. Sus resultados sobre especímenes de sustancia gris y blanca mezcladas demuestran que los modelos lineales, llamados hiperviscoelásticos, describen bien los impactos de la vida real. De ellos obtuvieron varios parámetros mecánicos necesarios para que tales modelos sean fiables biológicamente.

Les deseamos los mejor y ya os informaremos cuando hagan públicos sus avances.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i7/p72_s1

1.^{^} Se trata de una representación artística de una micrografía electrónica del cerebro. El tamaño real que representa es de unos 20 μm por 30 μm.

100 años de rayos cósmicos (II)

(Este artículo es continuación de 100 años de rayos cósmicos (I). Te recomiendo que lo leas primero.)

Pero, ¿por qué Hess y otros como él montaban en globos para hacer su investigación a grandes alturas? Ya lo veremos, pero todo empezó en 1785, cuando Charles-Augustin de Coulomb descubrió que una esfera metálica cargada, en contacto con el aire, pierde su carga gradualmente. Un siglo más tarde, William Crookes observó que la velocidad con la que un electroscopio pierde su carga disminuye al aumentar la presión.

A principios del siglo XX, una serie de descubrimientos fueron marcando el camino que se había iniciado: Joseph J. Thomson descubrió el electrón, Wilhelm Röntgen descubrió los rayos X y Henri Becquerel descubrió la radiactividad. La radiación de los rayos X y las sales de uranio de Becquerel tenían propiedades de penetración similares y ambos podían ionizar el aire. Poco después, Marie y Pierre Curie hallaron nuevos elementos radiactivos.

De este modo, se fue ampliando el estudio de la conductividad eléctrica del aire y la ionización atmosférica. Muchos físicos de Europa y Norteamérica contribuyeron a esta investigación, llegando a la conclusión de que la ionización debía de ser causada por rayos X o rayos gamma procedentes del exterior del recipiente que encerraba el electroscopio. Charles T.R. Wilson incluso sugirió que la fuente de la radiación podría ser extraterrestre.

Electroscopio de Wulf.

Ernest Rutherford y otros descubrieron en 1903 que la ionización se reducía cuando se cubría el electroscopio con un metal libre de radiactividad. De ello se dedujo que al menos parte de la ionización debería ser debida a algún tipo de radiación penetrante; pronto se pensó en el material radiactivo de la corteza terrestre como la fuente de tal radiación. Y si esto era así, entonces la radiación debería disminuir al aumentar la altura sobre el suelo.

Para confirmar esta suposición, Theodor Wulf, científico alemán y sacerdote jesuita, mejoró la fiabilidad y la sensibilidad del electroscopio en 1909. Se subió a la Torre Eiffel y midió la velocidad de ionización atmosférica; sin embargo, aunque era menor que en el suelo, era mayor que el valor esperado. Por lo tanto, o la longitud de absorción de los rayos gamma en el aire era mayor de lo que se creía o debía haber otra fuente de radiactividad atmosférica. Un resultado similar obtuvo el físico suizo Albert Gockel entre 1909 y 1911 en sus vuelos en globo. Él, sin embargo, atribuyó el resultado al efecto de rayos gamma procedentes de sustancias radiactivas en la atmósfera.

Pero, ¿de dónde procede esta radiación? ¿Y cuándo aparece Victor Hess? ¿Hubo alguien antes que él con una conclusión similar a la suya? Todo esto y más, en la próxima parte de esta serie sobre los rayos cósmicos.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i2/p30_s1

100 años de rayos cósmicos (I)

Hace ya un siglo que se descubrieron los rayos cósmicos y la historia de su descubrimiento e investigación es toda una hazaña que merece que le dediquemos unos cuantos artículos.

La historia de la investigación de la radiación cósmica es una historia de aventura científica. Durante casi un siglo, los investigadores de la radiación cósmica han escalado montañas, han montado en globos de aire caliente y han viajado a los lugares más distantes de la tierra en su búsqueda por comprender estas veloces partículas provenientes del espacio. (De la página web del Observatorio Pierre Auger sobre los rayos cósmicos).

Veinte años después de que la desconcertante ionización atmosférica llevara al descubrimiento de los rayos cósmicos, su investigación abrió el camino a la física de partículas. Ahora nos proporcionan una ventana abierta a la astrofísica extragaláctica.

El 7 de agosto de 1912, el físico austriaco Victor Franz Hess hizo su séptimo viaje en globo de ese año desde la ciudad bohemia de Aussig. El trayecto le llevaría, por primera vez, a una altitud de 5000 metros. Para su sorpresa, se encontró con que sus electroscopios mostraban que la ionización de la atmósfera no disminuía al aumentar la altitud. En cambio, a una altura de 4500 m, midió una ionización tres veces mayor que en el suelo. Su hallazgo suele considerarse el descubrimiento de los rayos cósmicos.



No te pierdas el siguiente capítulo, donde echaremos un vistazo al comienzo de esta aventura.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i2/p30_s1