Mátrix: un mundo que funciona a pilas

 

Por Igor Cantero Uribe-echeberria

 

 

En la película Matrix hay una secuencia de gran impacto dramático cuando Morfeo, explica la verdadera situación a NEO. Este es el extracto del guión:

 

“Una singular conciencia que generó toda una raza de máquinas  No sabemos quién atacó primero, nosotros o ellas Pero sí sabemos que nosotros arrasamos el cielo En aquella época, dependían de la energía solar. Y se creía que no podrían sobrevivir sin una fuente de energía, tan abundante como el sol A lo largo de nuestra historia hemos dependido de las máquinas para sobrevivir (RIE) El destino, al parecer no está carente de cierta ironía El cuerpo humano genera más bioelectricidad que una pila de ciento veinte voltios y más de veinticinco mil julios de calor corporal Combinado con una forma de fusión, las máquinas habían encontrado toda la energía que podían necesitar Existen campos, Neo interminables campos donde los seres humanos ya no nacemos Se nos cultiva Durante mucho tiempo me negué a creerlo Y entonces vi los campos con mis propios ojos Vi cómo licuaban a los muertos para administrárselos por vía intravenosa a los vivos Y estando allí contemplando su pura y horripilante precisión me di cuenta de lo obvia que era la verdad ¿Qué es Matrix? Control  Matrix es un mundo imaginario generado por ordenador construido para mantenernos bajo control  y convertir  a un ser humano en ESTO.”) 

Todos hemos usado alguna vez las pilas eléctricas. Nos proporcionan electricidad de forma autónoma, sin necesidad de enchufarnos a la red eléctrica. Pero ¿cómo se almacena la electricidad en su interior? Para contestar a esta pregunta debemos empezar por hacernos otra más básica: ¿Qué es la electricidad? La electricidad es el movimiento de los electrones a lo largo de un material. ¿Y cómo podemos almacenar el movimiento de los electrones? Visto así, no parece sencillo, pero vamos a darle la vuelta al problema para encontrar una solución. La energía ni se crea ni se destruye, sino que se transforma. Esta afirmación es válida también para la energía eléctrica, por lo que, en lugar de almacenar energía eléctrica, ¿por qué no almacenar otro tipo de energía y transformarla en eléctrica cuando lo necesitemos?. Perfecto, ya tenemos el problema en vías de solución; solo nos falta encontrar una energía fácil de almacenar. Sin embargo, no vamos a realizar un trabajo que ya está hecho. Y además hace 200 años. En aquella época, el científico italiano Alessandro Volta dedujo a partir de las observaciones de Galvani y de sus propios experimentos que existen materiales que, cuando sufren una determinada reacción química, producen descargas eléctricas; es decir, que poseen una energía química interna que pueden transformar en energía eléctrica. A partir de esa base fue cuestión de tiempo que se perfeccionara el sistema y fue el propio Volta el que fabricó, en 1800 la primera pila eléctrica.

 

El funcionamiento de aquella primera pila es similar al de la pila que muestra Morfeo en Matrix. Los elementos principales son dos materiales a los que llamaremos electrodos: uno de ellos tenderá a sufrir la reacción química, antes descrita, de producir electrones (reacción denominada oxidación) y otro a sufrir la reacción contraria, es decir, a absorber dichos electrones (reacción denominada reducción). Estas reacciones químicas en las que intervienen electrones se denominan reacciones de reducción-oxidación o de forma abreviada, redox. También hablamos de reacciones electroquímicas, ya que se utiliza la corriente eléctrica para producir cambios químicos.

 

Para aclarar mejor los conceptos expuestos vamos a ver un ejemplo: una heredera de la primera pila de Volta: la pila de Daniell. En esta pila se usan cinc y cobre en contacto con sendas disoluciones de sus propios iones. El zinc tiende a disolverse produciendo cationes zinc (Zn2+) y los cationes cobre (Cu2+) tienden a depositarse produciendo cobre metálico. En la figura se muestra este sistema a nivel de laboratorio.

El primer material, que los químicos llaman ánodo, estará en forma neutra, es decir, con las cargas eléctricas de sus átomos compensadas (igual número de protones que de neutrones, vamos) y cuando sufra la oxidación sus átomos perderán un electrón cada uno de ellos (a veces, dependiendo del material pueden perder dos o más a la vez, como en el caso del cinc (Zn). Los átomos que vayan perdiendo los electrones (a los que llamaremos en adelante cationes) se quedarán descompensados, con carga positiva, por lo que se repelerán con el resto de los átomos que hayan sufrido la misma reacción. Como resultado de ello el material se irá disolviendo. En el otro material, por ejemplo el cobre (Cu), al que se le llama cátodo, la reacción que se produce es la inversa: los cationes recogen los electrones producidos en el ánodo, y se neutralizan (igualan su carga eléctrica) pasando a átomos neutros y depositándose en el cátodo. Para que el proceso se pueda llevar a cabo es necesario que los dos electrodos (ánodo y cátodo) estén sumergidos en un electrolito, que no es otra cosa que un líquido en el que se disuelve una sal que facilita el movimiento de los cationes a su través. Sin embargo, hay que tener cuidado de que los cationes de ambos electrodos no se mezclen ni que los electrodos se toquen entre sí, por lo que se utiliza una separación entre ambos. En un sistema de laboratorio, se utilizan dos recipientes, uno para cada electrodo y las disoluciones se unen con un “puente salino” que es un tubo hueco con forma de U invertida que permite el paso del electrolito (incluidos los iones de la sal) pero no de los cationes de los electrodos al estar los extremos taponados con algodón, generalmente un papel especial que permite el paso de los iones de la sal pero no los cationes que intervienen en las reacciones de oxidación y reducción. Para completar el circuito, los electrodos deben estar unidos exteriormente mediante un cable eléctrico que permita a los electrones que se forman en el ánodo llegar hasta el cátodo. Con lo cual tenemos a los electrones en movimiento, lo que como decíamos al principio, es la electricidad.

 

Antes de seguir, es necesario especificar que un material se disuelve o se deposita dependiendo de cual sea el otro material utilizado. Para explicarlo imaginemos dos recipientes llenos de agua, conectados entre sí. Si el recipiente A está situado más arriba que el recipiente B el agua fluirá desde A hasta B. Podemos decir que A aporta agua mientras que B la recibe. Sin embargo, si en lugar de B utilizamos el recipiente C y éste está situado más alto que el recipiente A, el flujo de agua será desde C hacia A, pasando A de ser un donador a un receptor de agua. De la misma forma el zinc de la pila mostrada en la figura anterior se comporta como el recipiente A (aportando electrones en lugar de agua) y el cobre, como el recipiente B, recibiéndolos. Pero si en lugar de cobre utilizamos litio (recipiente C en el símil), éste es más reductor que el zinc (está más arriba), por lo que el litio se disolverá aportando electrones y los cationes zinc los recogerán pasando a zinc metálico.

 

A la cantidad de electrones que pasan por el cable eléctrico se le llama intensidad y se mide en amperios y a la fuerza con que pasan, voltaje, potencial o fuerza electromotriz, cualquiera de las tres, midiéndose en voltios. La intensidad depende de la cantidad de material que se use, ya que cuanto más material haya más reacciones químicas se producirán, y por lo tanto mayor será el número de electrones moviéndose simultáneamente por el cable. La fuerza electromotriz o voltaje depende de los materiales utilizados. De la misma manera que en el símil utilizado anteriormente cuanta más diferencia de altura haya entre dos recipientes el agua cae con más fuerza, en el caso de la pila, cuanta mayor diferencia de voltaje haya entre los materiales, mayor será el voltaje global de la pila. En las aplicaciones prácticas es necesario tener una combinación adecuada de intensidad y voltaje. Volvamos al símil del agua. Si con el trasvase de agua de nuestros recipientes queremos mover una noria, como ocurre en un molino, necesitamos una combinación de altura y cantidad de agua. Si la altura es suficiente pero la cantidad de agua escasa, el molino no se moverá, y si tenemos agua suficiente, pero la altura desde la que cae es muy pequeña, tampoco. De la misma forma si queremos encender una bombilla, tenemos que superar la resistencia del filamento de la misma al paso de los electrones. Si tenemos el suficiente voltaje pero pocos electrones la bombilla no se encenderá y si tenemos intensidad suficiente, pero el voltaje es demasiado bajo, no tendrán “fuerza” suficiente para encender la bombilla.

 

Ahora que ya tenemos claro el funcionamiento de la pila solo nos queda situar los componentes mencionados en la pila de Morfeo. Los materiales que utiliza una pila alcalina son el zinc y el dióxido de manganeso (MnO2). El zinc metálico perderá electrones pasando a zinc catión como ya se ha mostrado anteriormente. El caso del manganeso es un poco más complejo: en el dióxido de manganeso, este metal tiene un estado de oxidación de +4 (esto quiere decir que si formara un catión estable sería el Mn4+) que queda cubierto con dos átomos de oxígeno (estado de oxidación –2). Cuando el manganeso sufre la reacción de reducción pasa a un estado de oxidación de +3 cubriéndose con un oxígeno y un grupo OH (estado de oxidación –1). El compuesto resultante es MnOOH (Mn=+3, O=-2, OH=-1). Sin embargo, la reacción electroquímica que se produce y que recoge los electrones, es la del paso de Mn(IV) a Mn(III), que como en el caso del cobre (de Cu2+ a Cu), es una reducción. El electrolito que se usa es agua con KOH disuelto (en realidad K+ y OH-) para permitir la conductividad iónica.

 

 

 

La configuración interna es la mostrada en la figura: en un recipiente metálico (de acero) de forma cilíndrica cuyo extremo tiene un saliente que actuará como colector positivo, se coloca un cilindro hueco hecho de dióxido de manganeso prensado, cuyo diámetro externo es el adecuado para que quede en contacto con el de acero. En el interior de este cilindro interior se pone el papel separador enrollado en forma de tubo, y en el hueco que deja éste se añade el zinc metálico en polvo mezclado con el electrolito formando una pasta espesa. Se cierra el cilindro de acero herméticamente con una tapa que dispone de un clavo de metal (el colector negativo) que queda sumergido en la pasta teniendo cuidado de que la tapa quede aislada de la carcasa de acero (poniendo una junta de plástico, por ejemplo) y ya tenemos la pila preparada.

 

En el momento en que unamos el polo positivo de la pila (la protuberancia de la carcasa de acero) con el polo negativo (la tapa de cierre) la pila comenzará a funcionar. El zinc se disolverá y se producirán electrones que se recogerán a través del clavo metálico hasta la tapa. A través del contacto eléctrico que hayamos colocado circularán los electrones (se producirá electricidad) hasta volver al contacto con la protuberancia del lado contrario de la pila. Se dispersarán por la carcasa de acero hasta el cilindro de dióxido de manganeso donde se producirá la reacción de reducción. El sistema funcionará hasta que, bien el zinc se disuelva totalmente o bien el dióxido de manganeso se reduzca del todo (normalmente el fabricante calcula la cantidad adecuada de cada uno de ellos para que se terminen simultáneamente) momento en el cual las reacciones electroquímicas se detienen y los electrones dejan de fluir. La pila se ha agotado.

 

Ya hemos visto como funciona la pila que muestra Morfeo pero … ¿qué hay de sus afirmaciones? ¿Hasta que punto el cuerpo humano puede generar más bioelectricidad que una pila de ciento veinte voltios? (el resto de afirmaciones no entran dentro de la exposición de este artículo, por lo que no las pondremos en cuestión)

 

Hay tres errores en esta afirmación.

 

Para empezar el voltaje de las pilas, como ya se ha mencionado anteriormente, depende de la diferencia de potencial existente entre el ánodo y el cátodo y como las mayores diferencias de potencial que se pueden conseguir en una pila son 7,5 voltios, no tiene sentido hablar de una pila de 140 voltios. (Además, las pilas comerciales de mayor voltaje no llegan a 4 voltios; los 7,5 mencionados son teóricos, ya que para lograrlo habría que usar un ánodo de estroncio (Sr) y un cátodo de fluoruro de xenón (XeF) en un hipotético disolvente que no fuera atacado por dichos compuestos). Sin embargo, alguien podría argumentar que en el mercado hay pilas de 9 voltios (o incluso más), ¿dónde está el error?. No hay ninguno. Las pilas de nueve voltios en realidad son 6 pilas normales de 1,5 voltios, conectadas en serie. Volviendo al símil de los recipientes de agua, si necesitamos que entre dos recipientes haya una distancia de 9 metros pero la mayor que podemos conseguir es de 1 metro y medio, solucionamos el problema colocando 6 recipientes a alturas consecutivas de un metro y medio. La distancia total (que será proporcional a la fuerza de caída), será de 9 metros, aunque en 6 etapas distintas.

 

El segundo error, es mezclar energía y voltaje. Suponiendo que estemos hablando de un conjunto de pilas, capaz de proporcionar 140 voltios, la energía desarrollada por dicho conjunto puede ser mucha o poca en función de la capacidad que tenga. Esta capacidad, también llamada carga, se mide como el producto entre la intensidad y el tiempo. Así, aunque un conjunto de pilas tenga un voltaje de 140 V, si solo dura un par de segundos no es útil. De la misma forma, si dura mucho pero la intensidad que descarga es muy baja, la utilidad como sistema de almacenamiento también puede ser muy limitada.

 

Y finalmente llegamos al punto más conflictivo, el tema de la bioelectricidad. En el cuerpo humano se produce numerosas reacciones electroquímicas, pero no es posible coordinarlas para lograr un funcionamiento similar al de una pila convencional donde se consigue un flujo de electrones por un cable conductor. Hay corrientes eléctricas en movimiento, por ejemplo en los nervios; pero las intensidades son bajísimas, ya que estos flujos se utilizan para transmitir señales, no energía. Y también se podría argumentar que estas señales se coordinan para producir energía, como es el caso de los músculos. Sin embargo, no se trata de energía eléctrica sino energía conformacional (energía química debida a un cambio en la posición de las moléculas). Para almacenar energía eléctrica deberíamos disponer de unas células especializadas, llamadas electrocitos. Este es el caso de las anguilas, torpedos o rayas eléctricas. Estos peces poseen un órgano especializado, formado por este tipo de células, las cuales son capaces de producir una descarga eléctrica sincronizada de más de 600 voltios (durante un corto instante de tiempo).

 

Por lo tanto podemos afirmar que el futuro descrito en Matrix, al menos desde el punto de vista electroquímico, es muy difícil que pueda tener lugar algún día.

 

Agradecimientos: Quisiera agradecer la ayuda de Jose Carlos Canalda y Jacobo Cruces en la elaboración de este artículo. También los comentarios de Hans y Yolanda y por supuesto la amabilidad de Chema y César por la foto de Matrix

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