Locomotoras de vapor traqueteando por las vías del tren. Barcos de vapor navegando por el Murray. Acorazados acorazados propulsados ​​por máquinas de vapor.

Muchos de nosotros pensamos que la era del vapor ha terminado. Pero si bien la máquina de vapor ha sido reemplazada por motores de combustión interna y ahora por motores eléctricos, el mundo moderno todavía depende del vapor. Casi todas las centrales térmicas, desde las de carbón hasta las nucleares, deben tener vapor para funcionar. (Las plantas de gas normalmente no lo hacen).

¿Pero por qué? Es por algo que descubrimos hace milenios. En el siglo I d.C., los antiguos griegos inventaron la eólípila, una turbina de vapor. El calor convirtió el agua en vapor, y el vapor tiene una propiedad muy útil: es un gas fácil de producir que puede empujar.

Este simple hecho significa que incluso cuando el sueño de la energía de fusión se acerca, todavía estaremos en la era del vapor. La primera planta de fusión comercial dependerá de tecnología de vanguardia capaz de contener plasma mucho más caliente que el núcleo del sol, pero aún así estará acoplado a una humilde turbina de vapor que convierte el calor en movimiento en electricidad.

¿Por qué seguimos dependiendo de Steam?

Hervir agua requiere una cantidad significativa de energía, la más alta con diferencia de los líquidos comunes que conocemos. El agua requiere aproximadamente 2.5 veces más energía para evaporarse que el etanol y un 60 por ciento más que los líquidos con amoníaco.

¿Por qué utilizamos vapor en lugar de otros gases? El agua es barata, no tóxica y fácil de transformar de líquido a gas energético antes de condensarse nuevamente a líquido para usarse una y otra vez.

El vapor ha durado tanto tiempo porque tenemos abundante agua, que cubre el 71 por ciento de la superficie de la Tierra, y el agua es una forma útil de convertir energía térmica (calor) en energía mecánica (movimiento) y luego en energía eléctrica (electricidad). Buscamos electricidad porque puede transmitirse fácilmente y usarse para trabajar en muchas áreas.

Cuando el agua se convierte en vapor dentro de un recipiente cerrado, se expande enormemente y aumenta la presión. El vapor a alta presión puede almacenar enormes cantidades de calor, al igual que cualquier gas. Si se le da una salida, el vapor fluirá a través de ella con altos caudales. Coloque una turbina en su trayectoria de salida y la fuerza del vapor que escapa hará girar las palas de la turbina. Los electroimanes convierten este movimiento mecánico en electricidad. El vapor se condensa nuevamente en agua y el proceso comienza de nuevo.

Las máquinas de vapor utilizaban carbón para calentar agua y crear vapor para impulsar el motor. La fisión nuclear divide los átomos para generar calor para hervir el agua. La fusión nuclear obligará a los isótopos pesados ​​de hidrógeno (deuterio y tritio) a fusionarse en átomos de helio-3 y crear aún más calor: hervir agua para producir vapor que impulse turbinas para producir electricidad.

Si nos fijamos únicamente en el proceso final en la mayoría de las centrales térmicas (carbón, diésel, fisión nuclear o incluso fusión nuclear), veríamos la antigua tecnología del vapor llevada tan lejos como se puede llevar.

Las turbinas de vapor que impulsan los grandes alternadores eléctricos que producen el 60 por ciento de la electricidad del mundo son cosas hermosas. Cientos de años de tecnología metalúrgica, diseño y fabricación compleja prácticamente han perfeccionado la turbina de vapor.

¿Seguiremos usando vapor? Las nuevas tecnologías producen electricidad sin utilizar vapor en absoluto. Paneles solares dependen de que los fotones entrantes golpeen los electrones en el silicio y creen una carga, mientras que aerogeneradores funcionan como turbinas de vapor, excepto que el viento sopla en la turbina, no el vapor. Algunas formas de almacenamiento de energía, como la hidráulica por bombeo, utilizan turbinas pero para agua líquida, no vapor, mientras que las baterías no utilizan vapor en absoluto.

Estas tecnologías se están convirtiendo rápidamente en importantes fuentes de energía y almacenamiento. Pero el vapor no desaparece. Si utilizamos centrales térmicas, probablemente seguiremos utilizando vapor.

¿Por qué no podemos simplemente convertir el calor en electricidad?

Quizás se pregunte por qué necesitamos tantos pasos. ¿Por qué no podemos convertir el calor directamente en electricidad?

Es posible. Ya se utilizan dispositivos termoeléctricos en satélites y sondas espaciales.

Construidos a partir de aleaciones especiales como plomo-teluro, estos dispositivos se basan en una brecha de temperatura entre las uniones frías y calientes entre estos materiales. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor voltaje pueden generar.

La razón por la que estos dispositivos no están en todas partes es que solo producen corriente continua (CC) a bajos voltajes y tienen una eficiencia de entre 16 y 22 por ciento para convertir calor en electricidad. Por el contrario, las centrales térmicas más modernas tienen una eficiencia de hasta el 46 por ciento.

Si quisiéramos dirigir una sociedad con estos motores de conversión de calor, necesitaríamos grandes conjuntos de estos dispositivos para producir corriente continua suficientemente alta y luego usar inversores y transformadores para convertirla a la corriente alterna a la que estamos acostumbrados. Entonces, si bien puedes evitar el vapor, terminas teniendo que agregar nuevas conversiones para que la electricidad sea útil.

Hay otras formas de convertir el calor en electricidad. Se están desarrollando pilas de combustible de óxido sólido de alta temperatura durante décadas. Estos se calientan (entre 500 y 1,000 grados centígrados) y pueden quemar hidrógeno o metanol (sin una llama real) para producir electricidad de CC.

Estas pilas de combustible tienen una eficiencia de hasta el 60 por ciento y potencialmente incluso más. Si bien son prometedoras, estas pilas de combustible aún no están listas para su estreno. Tienen catalizadores caros y una vida útil corta debido al intenso calor. Pero el progreso es siendo hecho.

Hasta que tecnologías como estas maduren, nos quedaremos atrapados con el vapor como forma de convertir el calor en electricidad. Eso no es tan malo: el vapor funciona.

Cuando ves pasar una locomotora de vapor, podrías pensar que es una tecnología curiosa del pasado. Pero nuestra civilización todavía depende en gran medida del vapor. Si el poder de la fusion Cuando llegue, el vapor también ayudará a impulsar el futuro. La era del vapor nunca terminó realmente.

Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.

Crédito de la imagen: Siemens Pressebild a través de Wikimedia Commons

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• Fuente: https://singularityhub.com/2024/03/19/even-as-the-fusion-era-comes-into-view-were-still-in-the-steam-age/