18 nov. 2018

POR QUÉ REDUCIR LAS EMISIONES DE CO2 NO VA A RESOLVER EL PROBLEMA

Estimado lector, en este primer post sobre cambio climático lo más urgente es explicar la cruda realidad a la que nos enfrentamos la humanidad. La realidad es que el cambio climático ya ha empezado. Y no se detendrá, aunque reduzcamos drásticamente las emisiones de CO2.

Asumo que cualquiera que me está leyendo sabe en que consiste el fenómeno del calentamiento global, en que consiste el efecto invernadero, y que lo estamos causando fundamentalmente los humanos. Considero una pérdida de tiempo explicar estos dos conceptos explicados mil veces en otros sitios, os he dejado los links a la Wikipedia donde se explica con rigor y con numerosas referencias. Respecto a material videográfico propongo tres recomendaciones:

  • El capítulo 4 de la serie Cosmos de Carl Sagan 1980. Descubrí esta serie en mi niñez, 30 años después sigue teniendo interés toda la serie (13 capítulos).
  • NOTA: además se da la circunstancia que uno de los papers que formaban la tesis doctoral de Carl Sagan estudiaba la atmósfera de Venus, se titulaba "The radiation balance of Venus" y valoraba el enorme efecto invernadero de su atmósfera antes de que las sondas espaciales realizaran mediciones precisas.

  • Una verdad incómoda de Davis Guggenheim 2006. Este documental se hizo muy famoso en su momento, supongo que quien lo presentaba ayudó mucho: Al Gore exvicepresidente de EEUU y candidato a la presidencia en 2000.

  • El capítulo 12 de la serie Cosmos de Neil deGrasse Tyson 2014. Esta serie es una secuela y también un homenaje a la serie original de Carl Sagan. Sigue como guionista Ann Druyan que fue la mujer de Carl Sagan, y aunque no tenga el impacto que la serie original sigue siendo interesante.

Volvamos al tema que nos ocupa, y empecemos probablemente con lo más obvio, la evolución de las concentraciones de CO2, esto son datos recientes de www.climate.gov:


NOTA: atención a lo abrupto de la pendiente de la línea en trazo discontinuo. Lo que nos está indicando es que la concentración de CO2 está aumentando aproximadamente 100 veces más rápido de las subidas abruptas del pasado.

En 800.000 años el pico fue de 300ppm hace más de 300.000 años, más o menos cuando se estima que empezó nuestra especie en alguna región de África. Progresivamente el homo sapiens ha ido ocupando todo el planeta y afectado notablemente al planeta, pero sin modificar apreciablemente nuestra atmósfera hasta el año 1800, en ese momento algunos de los 1000 millones de humanos que habitaban la tierra empezaron a quemar en cantidades apreciables combustibles fósiles. Para principios del siglo 20 la población de la tierra alcanzó los 2000 millones, y además ya no solo unos pocos, buena parte de la humanidad quemaba combustibles fósiles. En el año 1960 la población alcanzó los 3000 millones y la concentración de CO2 alcanzó el máximo desde que habitamos la tierra, como decía 300ppm. Esto es lo que ha pasado desde entonces:

Fuente www.climate.gov

Es decir, en los últimos 50 años, aun a sabiendas de las consecuencias, la humanidad ha hecho muy poco para controlar las emisiones de CO2, y si a esto añadimos que la población casi se ha triplicado hasta los casi 8000 millones; obtenemos este resultado, no solo aumentan las emisiones, sino que aumentan cada vez más rápido. Obviamente se obtiene la misma conclusión cuando se observa el consumo de energía del mundo:

Fuente Wikipedia
NOTA: en esta gráfica hay que añadir otras emisiones de origen humano que no tienen que ver nada con la generación de energía. Por ejemplo, dos fuentes muy importantes de gases de efecto invernadero son los incendios forestales provocados y las emisiones de metano por la digestión del ganado.

Además, nunca hay que olvidar que el CO2 es responsable de dos tercios del efecto invernadero. Seguidamente os muestro la influencia de los diversos gases de efecto invernadero en los últimos 40 años:

Fuente www.climate.gov

Téngase en cuenta que la vida de todos estos gases en la atmósfera se estima en el rango de décadas, a lo sumo del orden del sigo, salvo una notable excepción: el CO2. El ciclo de CO2 es extraordinariamente complejo porque hay muchos sumideros y fuentes naturales, en particular el agua absorbe una parte del CO2 que emitimos, pero parece que hay consenso en que parte del CO2 que emitimos tardará del orden de milenios en absorberse por procesos naturales.
NOTA: hay alguna excepción. Por ejemplo, el CFC 115 de formulación química C2ClF5 tarda milenios en descomponerse en la atmósfera, pero su concentración es muy pequeña.

Por tanto, aunque mañana mismo todos los países del mundo aprobaran un auténtico acuerdo para eliminar la práctica totalidad de las emisiones, se invirtieran recursos ingentes y pongamos en 20 años la humanidad consiguiera reducir sus emisiones a niveles pongamos del siglo XIX sería demasiado tarde. Nos enfrentaríamos a un larguísimo periodo con concentraciones de CO2 por encima de 450ppm, y dejaríamos a nuestros descendientes un mundo mucho peor del que nos dejaron nuestros padres.

Una vez se asume que reducir las emisiones de CO2 y otros gases de efecto invernadero es necesario, pero no suficiente para resolver el problema, es cuando empiezas a entender que la humanidad tiene que empezar a trabajar seriamente en la ingeniería climática, y de eso hablaré en los siguientes posts.

Continuará...

1 nov. 2018

EL MOTOR COHETE II - LA CARRERA ESPACIAL

...Continuación post anterior.

Acabó la segunda guerra mundial y la bomba atómica se convirtió en el arma estratégica por excelencia de las 4 potencias aliadas. Y para lanzar las bombas hacía falta bombarderos capaces de llegar hasta el enemigo, en el caso de Reino Unido a "sólo" 2500Km de Moscú bastaba con bombarderos ineficiente pero de crucero muy rápido, y en particular el que más se construyó fue el Vulcan de Avro que a duras penas podía acercarse a Moscú, ya que tenía un alcance de algo más de 4000Km. Francia ni siquiera desarrollo nunca bombarderos estratégicos, lo más parecido fue el Mirage IV de Dassault que sólo podía aspirar a cruzar el telón de acero sin acercarse a Moscú. En cambio, en la URSS y EEUU la cosa fue totalmente diferente. Fabricaron una gran cantidad de bombarderos estratégicos de largo alcance, ya que la distancia entre los dos países es enorme. Por ejemplo, entre Nueva York y San Petersburgo casi 7000Km, o entre Anchorage (capital Alaska) y Vladivostok (mayor ciudad en el lejano oriente ruso) es de 5000Km. En el caso de la URSS destacó por su alcance el Tu-95 de Túpolev con un alcance enorme para la época de 15.000Km, que va camino de alcanzar los ¡70 años! en servicio. En el caso de EEUU destacó el B-47 de Boeing, del que se fabricaron más de 2000 unidades, pero probablemente el más famoso sea el B-52 también de Boeing, con un alcance comparable al Tu-95, y comparte la particularidad que entró en servicio casi a la vez que el Tu-95, y también ¡todavía sigue en servicio!

Pero los bombarderos estratégicos de largo alcance eran demasiado lentos. Aunque los primeros aviones supersónicos eran contemporáneos (Charles Elwood Yeager fue el primer hombre en romper la barrera del sonido en el 47) no podían conseguir alcances tan grandes. Ni siquiera los bombarderos actuales pueden conseguirlo. El avión supersónico más grande que existe es el Túpolev Tu-160 y sólo tiene un alcance de unos pocos miles de kilómetros a velocidad supersónica. Así que la solución para hacer llegar las bombas más rápido fue abandonar la atmósfera, es decir hacer llegar las bombas mediante un misil balístico, lo que se conoce usualmente por sus siglas en inglés ICBM - InterContinental Balistic Missil.

Siguiendo el orden histórico de los acontecimientos vamos a poner el foco en la URSS, y en su diseñador jefe más famoso: Serguei Koroliov. Este ingeniero aeronáutico estaba muy interesado en los motores cohetes desde mucho antes de la segunda guerra mundial, pero como muchos Soviéticos acabó con sus huesos en un gulag, por cierto, presuntamente denunciado por el otro gran ingeniero aeroespacial Soviético, Valentin Glushko. Estuvo a punto de morir, pero para la grandeza de la Unión Soviética sobrevivió. Durante la segunda guerra mundial trabajó en aviones clave para la aviación Soviética. Su oportunidad llegó al acabar la guerra. Participó en uno de los grandes botines de guerra, el programa V2. Miles de ingenieros y científicos alemanes fueron expatriados a la URSS junto con multitud de material. El V2 demostró ser un misil demasiado pequeño e impreciso, Stalin tenía como prioridad nacional el desarrollo de misiles intercontinentales, y había que hacerlo con tecnología nacional. Después de numerosos desarrollos la oficina de Koroliov consiguió el primer misil intercontinental digno de tal nombre: el R-7 Semiorka (designación OTAN SS-6):

Imagen del prototipo inicial.

Vamos a ponernos en contexto, estamos en el año 1957 y este misil tiene todos los ingredientes para iniciar la carrera espacial a destacar:
  • Utilizaba varias etapas. Esto es necesario para el vuelo espacial, ya que para poner en órbita una carga mediante motores cohetes químicos se necesitan al menos dos etapas. Además, utilizaba una de las configuraciones más típicas mediante boosters que ayudan a la etapa principal durante los primeros segundos del lanzamiento.
  • Una gran masa para poder lanzar cargas importantes. En la configuración inicial casi 300 toneladas. La carga de pago eran 3000Kg, mucho más de lo necesario para una bomba atómica.
  • Extraordinariamente seguro. Esto es remarcable para ser el primer ICBM, y de hecho la URSS tardó décadas en conseguir un sistema de lanzamiento tan fiable y seguro como han sido y son la familia de lanzadores que inició el R-7.
  • Muy preciso para la época, aunque ahora parece poca cosa. Un sistema de guiado más sofisticado que las V-2 permitía lanzar una carga a muchos miles de kilómetros con una precisión de 5Km. Además, se utilizaban varios motores para el control del cohete lo que permitía el guiado en el vacío. 
En realidad, el R-7 tenía grandes limitaciones como ICBM, era enormemente complejo, grande y caro. Al utilizar como oxidante oxígeno líquido, un líquido criogénico, obligaba a carga el oxígeno justo antes del lanzamiento, y se requería varias horas para preparar el misil para un lanzamiento, tampoco se podía lanzar desde silos bajo tierra. Y por eso se retiró de servicio en el 68 cuando ya habían disponible otros ICBM's realmente operativos. Y a partir de aquí empiezan los 10 años más famosos de la guerra fría, lo que se acuñó como la carrera espacial. De hecho, ya antes de que el R7 fuera operativo estaba previsto incorporar una tercera etapa para conseguir un verdadero cohete espacial.

El primer gran hito fue el Sputnik, casi indistinguible del R-7, pero gracias a la pequeña tercera etapa colocó en órbita el primer satélite artificial, el Sputnik 1 en el mismo año (1957).

En 1961 justo cuatro años después se alcanzó el segundo gran hito, el Vostok puso en órbita Yuri Gagarin.

Sólo 5 años después se lanzó el primer cohete Soyuz, que ha sido desde entonces el único lanzador tripulado de la URSS, luego Rusia y de todo el mundo desde que se retiró el Trasbordador espacial en 2011. En la siguiente foto el Soyuz FG que es la última versión disponible:


Como veis, 60 años después, sigue siendo en esencia el misil R-7 con una tercera etapa.

 Siguiendo el orden cronológico de las cosas nos vamos a otro momento histórico. El 25 de mayo de 1961 el presidente de EEUU J. F. Kennedy anuncia que antes de que acabe la década el hombre pisará la luna. En aquel momento EEUU ni siquiera era capaz de poner un hombre en órbita, y el programa Apolo sólo tenía un año de vida. En 1962 sólo disponía del minúsculo cohete Atlas de 120 toneladas también derivado de un ICBM, y que únicamente podía poner en órbita baja a un único astronauta. En 1965 el cohete Titan II de 154 toneladas permitió colocar en órbita a dos astronautas.

Pero en paralelo EEUU estaba preparándose para la luna. El Saturno I con una masa de 500 toneladas fue lanzado en 1961, y en 1967 lanzó por primera vez el colosal Saturno V de casi 3000 toneladas. En paralelo se desarrolló todo lo necesario para poder pisar la luna: la cápsula Apolo para 3 tripulantes, el módulo lunar y el módulo de servicio que permitía volver desde la luna. También en 1967 se produjo la mayor desgracia del programa, toda la tripulación del Apolo 1 falleció en un incendio durante una prueba de la cápsula. Pero esto no frenó el programa, todo lo contrario, la velocidad de los acontecimientos es vertiginosa:

Apolo 7 (11 de octubre de 1968) - primer vuelo tripulado del programa Apolo. Lanzador Saturno I.
Apolo 8 (21 de diciembre de 1968) - se lanzó con éxito el Saturno V con tripulación.
Apolo 9 (3 de marzo de 1969) - se prueban todos los sistemas, incluida una salida extravehicular.
Apolo 10 (18 de mayo de 1969) - el módulo lunar roza la luna, quedándose sólo a 15Km de la superficie, y fotografía posibles lugares de alunizaje para el Apolo 11.

Para terminar el 20 de julio de 1969, en el plazo pronosticado por Kennedy, el Apolo 11 consiguió poner dos hombres en la luna: Neil Armstrong y Edwin E. Aldrin. No encuentro palabras para explicar la increíble dificultad técnica que supuso el Programa Apolo, ni el enorme poderío que demostró EEUU. Es casi milagroso que en menos de 10 años EEUU pasara de la nada en vuelos espaciales a poner 2 hombre en la luna. En una época en la que entre otras cosas tuvo un extraordinario gasta militar por la Guerra de Vietnam, que estaba en su máximo apogeo, y por la guerra fría (si exceptuamos las dos guerras mundiales, nunca EEUU ha gastado tanto en armamento en términos de GDP como en las décadas de los 50 y los 60). El entusiasmo con el que se vivió el programa Apolo nunca se ha vuelto a repetir. En su pico se estima que 400.000 personas trabajaban para el programa Apolo. Hay muy pocos precedentes en la historia de cientos de miles de personas trabajando juntos en algo que no tenga que ver con la guerra.
NOTA: me he entretenido en buscar precedentes históricos. Algunos ejemplos en los que trabajaron menos de 100.000 personas: la gran pirámide de Giza; obras del imperio Romano como el acueducto de Constantinopla o el Coliseo; el canal de Panamá o la presa de las 3 gargantas. Sólo he encontrado un caso en el que se estima que trabajaron más de 400.000 personas, el mausoleo del primer emperador de China.

Animo a cualquiera que no esté familiarizado con la misión Apolo a leer o ver documentales para visualizar la complejidad de cada uno de los viajes a la luna. Es abrumador la cantidad de operaciones complejas que tenía que hacer cada tripulación durante aproximadamente 10 días que duraba cada misión. Hasta la reentrada era todo un reto. Pero volvamos al tema del post, el cohete Saturno V:


Foto gentileza de la NASA. La he elegido porque se pueden ver claramente dos personas y un camión, y nos permite hacernos una idea de su enorme tamaño.

Este era el motor más potente del Saturno V, el F1, que lógicamente era el motor más potente de su tiempo:



Foto gentileza de Wikipedia. Donde se ve a von Braun posando delante del F1.
NOTA: los ingenieros Soviéticos tenían predilección por motores cohete con una tubobomba central y cuatro cámaras de combustión. En el Saturno V la solución es 5 motores independientes cada uno con una única cámara de combustión.

Y al igual que la URSS tenía Serguéi Koroliov, los EEUU tenían a Werhner von Braun. Así como la URSS rápidamente prescindió de la ayuda alemana, la cosa en Estados Unidos fue muy diferente. Ya hablé de von Braun en el post anterior. Von Braun era un aristócrata que colaboró con los nazis. Y con este pasado, qué mejor forma de redimirse que poner al hombre en la luna. Como muchos alemanes, ya al final de la guerra planeo ser capturado por EEUU. Empezó desarrollando varios ICBM's, y ya para 1955 tenía la nacionalidad americana. Pero por el cohete por el que más se le recuerda es el Saturno 5, voy simplemente a destacar los datos que me parece más interesante, más arriba tenéis el link a la wikipedia:
  • Una masa de 2900 toneladas, lo que le permitía colocar 118 toneladas en órbita LEO y 47 toneladas en órbita lunar.
  • Tres etapas. Dos etapas no era suficiente para alcanzar la órbita lunar.
  • Dos etapas con hidrógeno (en la primera etapa que no requiere ser tan ligera se utilizaba RP-1, combustible similar al queroseno que es mucho más barato y fácil de utilizar). El hidrógeno es el mejor combustible químico posible porque es una molécula muy ligera y con un poder calorífico enorme ( 120 MJ/kg, aproximadamente el triple que cualquier hidrocarburo). Pero por contra es un combustible caro, peligroso y muy difícil de manejar, porque la ligereza necesaria en cohete obliga a utilizarlo como líquido, y el hidrógeno líquido tiene una temperatura de ebullición extraordinariamente baja de 20K (lo que es poquísimo si comparamos por ejemplo con el oxígeno: 90K).
  • Unos motores cohetes enormes. En particular se diseñaron dos motores principales: el F-1 que impulsaba la primera etapa tenía un empuje al nivel del mar de casi 7MN y una presión en la cámara de combustión de aproximadamente 70 atmósferas. Y el J-2 que impulsaba la segunda y tercera etapa. El empuje específico de este motor era muy respetable para ser el primer motor de hidrógeno que se desarrollaba:  418 s (4099 m/s).
    NOTA: más adelante explicaré lo que es el empuje específico. Nos indica lo bueno que es el motor. Por ejemplo, para un motor químico es máximo cuando el combustible es hidrógeno, y puede ser a lo sumo de aproximadamente 450s, por lo que 418s es un valor muy próximo a la idealidad. Lo mejores motores actuales si consiguen impulsos del entorno de 450s.
Continuará...