Apuntes científicos desde el MIT

En seguida os hablo del prometedor avance que científicos del MIT han realizado en el campo de la energía solar: un nuevo catalizador que descompone el agua en hidrógeno y oxígeno de forma mucho más sencilla y eficiente que hasta ahora.
Pero antes os quiero mostrar uno de los gráficos más informativos que conozco. No es nuevo en absoluto y seguro que muchísimos ya lo habíais visto. Pero a los que no os suene, merece la pena que invirtáis medio minuto observándolo. Muestra de donde viene la energía que utilizamos, y en qué nos la gastamos. Nada más, y nada menos. Es un diagrama que ayuda sobremanera a comprender el panorama energético actual, y que deberíamos tener siempre en mente a la hora de valorar las posibilidades de las renovables, el peso relativo de la nuclear, la dependencia del petróleo, la sustitución del carbón…

El ancho de cada “tubería” indica la proporción de energía que se obtiene de cada fuente, y cómo termina distribuyéndose. La línea negra es carbón, la violeta corresponde a la biomasa, solar, eólica, geotérmica… el gris indica la energía perdida y el amarillo lo que realmente se aprovecha.
Son datos de EEUU y un poco antiguos. Aquí podéis ver cifras más actuales, pero el diagrama me perece menos ilustrativo, y la visión global no cambia sustancialmente.
Si alguien tiene acceso a una mejor fuente, que no dude en añadirlo en los comentarios.
Ahora, a por el logro del MIT:

Emular a las plantas
La idea básica no es nueva: utilizar la energía del sol para disociar el agua (H2O) en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2), guardaros por separado, y obtener energía al unirlos de nuevo en una pila de combustible.
Las plantas hacen algo parecido con la fotosíntesis, y los científicos ya hace tiempo que son capaces de reproducir este proceso en el laboratorio.
Pero en temas energéticos lo más importante no es si algo se puede hacer o no, sino a qué precio y con qué rendimiento.
Separar el oxígeno del agua era un proceso costoso que requería unas condiciones difíciles de implantar a gran escala. El hito del grupo liderado por Daniel Nocera ha sido encontrar un catalizador formado por materiales baratos (cobalto y fósforo) que permite hacer la reacción a pH neutro y en condiciones de temperatura y presión normales.
Según Nocera , “Es lo que estábamos buscando desde hace años. La energía solar siempre se había considerado limitada, una solución lejana. Ahora podemos plantearlo seriamente como algo potencialmente ilimitado y cercano.”

En detalle: La electricidad obtenida por energía solar (o eólica) llega a un electrodo sumergido en una solución acuosa. Allí, gracias al catalizador de cobalto y fósforo se empieza a separar el H2O en oxígeno y protones (H+). Luego, otro electrodo une los protones formando hidrógeno gas (H2).
Esta segunda reacción todavía necesita mejorar, porque utiliza un electrodo de platino al que se debería encontrar un sustituto más barato. Pero no es lo que más preocupa a los investigadores. El gran reto era disociar el oxígeno de forma sencilla, y esto es lo que acaban de conseguir.
Una vez separados H2 y O2, puedes guardarlos y utilizar una pila de combustible “convencional” para volver a generar agua y liberar energía cuando la necesites.
En el fondo el hidrógeno es un vector, una manera de guardar la energía del sol (o eólica) y poder utilizarla de noche, cuando esté nublado o no sople el viento.
Almacenar energía de forma barata y en dispositivos de un tamaño que puedas alojar en tu casa es uno de los grandes problemas de fuentes de energía intermitentes, como algunas renovables.
El hallazgo de Nocera está en una etapa científica, pero puede significar un punto de inflexión en las expectativas de aprovechamiento de la energía solar. Ahora falta un laborioso trabajo de ingeniería para desarrollar dispisitivos que quizás permitirán ensanchar la fina línea violeta del diagrama con que hemos abierto el post.

Descubrir un nuevo planeta extrasolar ya no es noticia. Fue un gran hito en 1995, cuando se descubrió el primero, pero ahora que ya se conocen unos 300 dando vueltas alrededor de estrellas lejanas, ¿Qué es lo realmente relevante en este campo? ¿Cuál es el contexto de las investigaciones?
La semana pasada leí la noticia publicada en nature sobre el descubrimiento de metano en un planeta extrasolar, y me di cuenta que no sabía muy bien cómo ubicar este estudio: ¿era un gran hallazgo o no? ¿Y si lo era… por qué?
En ciencia, cuando una disciplina avanza muy rápido, es difícil seguirle la pista y mantener una idea clara del contexto global en el que se enmarcan las píldoras que nos llegan por los medios de comunicación.
El estudio de exoplanetas es algo tan nuevo, que es fácil perderse. Por eso contacté con Joshua Winn , el principal experto del MIT en el estudio de planetas extrasolares. Ya nos había impartido un seminario meses antes, donde insistió en que nos atendería encantado si teníamos dudas. Comprobé que lo decía en serio. El café que tomamos duró 2 horas, y sus explicaciones me resultaron tan útiles para adquirir una visión global del tema, que intentaré transmitiros los puntos más destacados de nuestra conversación.

¿Es nuestro sistema solar extraño?
Los dos grandes objetivos son: entender cómo se forman los sistemas solares, y encontrar pistas en atmósferas lejanas que indiquen existencia de vida. Empecemos por el primero.
A partir del único ejemplo de sistema solar que teníamos (el nuestro) se construyó la siguiente teoría: Grandes cantidades de materia se acumularon formando un disco giratorio alrededor del sol. En él las partículas se iban agrupando creando estructuras más grandes. El disco se aceleraba, se producían grandes colisiones y algunas de estas estructuras adquirían una masa crítica que les permitía atraer todavía más materia, hasta acabar convirtiéndose en planetas. Esta explicación concuerda muy bien con el hecho de que los planetas pequeños y rocosos estén cercanos a la estrella, y los gigantes gaseosos estén lejanos. Así es nuestro sistema solar; no problem.
Pero sorpresa!
A medida que se han ido descubriendo planetas, un par de detalles no encajan del todo: Hay una gran cantidad de planetas gaseosos (estilo Júpiter) en posiciones muy muy cercanas a su estrella; demasiado cercanas según la teoría del disco giratorio. Y además, se han observado órbitas exageradamente elípticas.
Comparado co lo que estamos observando, parece como si nuestro sistema solar fuera atípico... ¿Habríamos construido una teoría que explicaba una excepción?
No del todo. Según Josh la teoría básica del disco giratorio es correcta, pero debe haber otros procesos que acerquen los planetas grandes a las estrellas, y que no se habían tenido en cuenta. Él está estudiando posibles colisiones durante la formación de los sistemas solares que, como si fueran canicas, moverían a los planetas de sitio. La “anormalidad” de nuestro sistema solar se debería a que no sufrió estos efectos “extra” a lo largo de su historia.
Para Josh estos nuevos ejemplos de sistemas solares representan una herramienta fantástica para entender mejor la formación planetaria.

¿Alguno de estos planetas alberga vida?
Esta es la segunda gran pregunta que se quiere responder. Para ello los astrofísicos analizan la atmósfera de los planetas. La idea es simple: buscar biomarcadores, elementos que no puedan haberse originado en un mundo inerte. Si en una atmósfera se descubre oxígeno, por ejemplo, indicará que allí hay algo que lo está generando. Se trata de encontrar moléculas “extrañas” en la atmósfera que nos indiquen que allí hay algún tipo de metabolismo.
Pero esto no pasará dentro de poco. De momento los planetas que se han descubierto son gigantes gaseosos como Júpiter, y se encuentran demasiado cercanos a su estrella como para poder albergar una vida parecida a la que conocemos. Para encontrar planetas más pequeños, y en órbitas más grandes, los telescopios y métodos de observación deben mejorar un poco.
En el camino de la búsqueda de vida, el primer gran paso (y que sí merecerá estar en las portadas de los periódicos) será encontrar un planeta rocoso menor a 10 veces la masa de la Tierra, y situado en la “zona habitable" (suficientemente apartado de la estrella como para tener agua líquida). A los científicos no les gusta especular, pero Josh pronostica que el primer planeta de estas características se podría descubrir en unos 5-10 años. El siguiente paso será intentar analizar con detalle su atmósfera. Esto requerirá bastante más tiempo, con lo que el descubrimiento de vida extraterrestre no está a la vuelta de la esquina.

¿Cómo XXXX se puede detectar un planeta tan lejano?
A mí esto me fascina más que los propios descubrimientos.
Vemos fácilmente las estrellas porque emiten luz, pero un planeta es un cuerpo opaco, oscuro, aparentemente invisible para cualquier telescopio. ¿Cómo podemos ver un planeta? La clave está en detectarlos de forma indirecta, midiendo los efectos que ejercen sobre la estrella que orbitan.
La principal herramienta es el efecto doppler: Cuando un planeta da vueltas a una estrella, ejerce una fuerza de gravedad que la hace oscilar levemente. Es decir, a veces se acerca un poquito a nosotros y a veces se aleja. Es un efecto tremendamente sutil, pero se puede descubrir analizando el espectro de la luz que recibimos.
Otra metodología utiliza cambios en la intensidad de la luz de la estrella. Si un planeta transita por delante de una estrella, afecta a su brillo. El 10% de los exoplanetas han sido descubiertos de esta manera.
Existe un tercer método de microlentes gravitacionales que permitirá descubrir planetas más pequeños, pero este no me atrevo a describirlo…

¿Y saber lo que hay en su atmósfera????
En cuanto a analizar la atmósfera, esto parece todavía más inconcebible. Pero tiene su explicación, claro. También basada en las propiedades de la luz, en este caso de la que rebota en el planeta y llega a nosotros.
Si estuviéramos en el espacio, a simple vista podríamos distinguir el océano azul del desierto amarillento. Esto es porque la luz emitida (rebotada) por el mar tiene unas características, y la emitida por la arena otras. Por eso vemos diferentes colores. Pero el espectro electromagnético es muchísimo más amplio que el rango de luz visible, y los detectores pueden discernir variaciones infinitamente más precisas que nuestro ojo. Mirando la luz que proviene de un planeta pueden detectar los elementos que lo constituyen, o saber la temperatura a la que se encuentra.

¿Era importante la noticia del metano?
Cuando para concluir se lo pregunté a Josh, hizo esa mueca en la que se levanta el labio superior y se acacha la nariz, y empezó a ladear la cabeza. Dijo que el descubrimiento en sí no era lo importante. No hay nada inesperado en que una atmósfera tenga metano. Lo relevante era demostrar que técnicamente se podía llegar a medir esta molécula en una atmósfera tan lejana. La metodología era lo trascendente. Y es que los grandes hallazgos vendrán acompañados de mejoras en las técnicas de medición.

La búsqueda de planetas extrasolares es uno de los campos más activos de la astrofísica actual. Si vas a un congreso anual de investigación sobre el cáncer, posiblemente no oigas avances revolucionarios respecto al año interior. En cambio en ciertas disciplinas, como es el caso de los exoplanetas, las novedades son constantes. No se cuando tardará a quedarse anticuado este largo post, ni si cumplirá su modesto objetivo de dar un contexto a estas investigaciones. Pero yo lo necesitaba, como mínimo para comprender un poco mejor los futuros artículos sobre exoplanetas que sí cuenten algo concreto.