A veces me sorprendo

2007-01-02T13:29:00.000-08:00

Vergelización del desierto

El desarrollo humano se ha visto limitado varias veces en la historia, por diversos factores que se convierten en limitantes a medida que la población crece. La respuesta ha sido siempre (hasta ahora ha funcionado...) el laborioso e ingenioso desarrollo de tecnologías que superan dichas limitaciones. Por ejemplo, la crisis de pestes de la edad media se superó con el desarrollo de la ingeniería sanitaria (alcantarillados) y de la medicina; la crisis energética prevista en 1972 se superó mediante la optimización del rendimiento energético (automóviles pasaron de 4 Km/L a 22 Km/L); es decir, las limitaciones cinéticas del desarrollo humano tienen la virtud de elevar la factibilidad técnica y económica de las soluciones a la limitación.

Hoy en día aparecen dos elementos limitantes: energía y disponibilidad de agua dulce. En esta discusión se buscará aportar elementos de diseño de la ingeniería del segundo punto: disponibilidad de agua dulce, particularmente orientado al regadío de zonas desérticas del país, sin que la aplicación limite el diseño de obras futuras de mayor escala y para distintos propósitos.

Una breve mirada al problema de la disponibilidad de agua dulce muestra que el Planeta Tierra tiene un enorme contenido de agua (hay quienes sostienen que debiera llamarse “Planeta Agua” pues es mucho mayor la superficie oceánica que la superficie continental ) pero, como es sabido, sólo una pequeña parte es agua útil para consumo humano. En particular, las mejores estimaciones en orden de magnitud (ver figura 1) indican que hay unos 1365 millones de Km³ (MMK) de agua de mar y sólo 35 millones de Km³ (MMK) de agua dulce. De esta agua dulce, 24,12 MMK corresponden a glaciares y nieve constante; 10,78 MMK son aguas subterráneas y sólo 0,11 MMK corresponde a agua en lagos y ríos, es decir, en una mirada con beneficio de la cifra significativa, el agua dulce disponible en superficie no existe (ver figura 2). Podríamos decir que el agua directamente disponible ha sido una pequeñísima fracción del total de aguas (0,008% del total o 0,3% del total de agua dulce) y, sin embargo, es la que sirvió para sustentar la vida humana durante siglos (la extracción de agua subterránea pertenece recién al siglo 18).

La actividad industrial requiere también agua dulce, por diversas razones. Por ejemplo, en el año 1872 el ingeniero holandés Carlos Wilson necesitaba agua para las mulas de una obra minera en Las Salinas, en el Norte de Chile. Nació así la primera instalación industrial de destilación solar porque sólo encontró fuentes de agua salobre, inútil para la vida (Harding, J., 1883, Apparatus for solar distillation In: Proc. Inst. Civil Eng., Vol 73, pp.284-288). Vemos cómo de la necesidad nace la tecnología. Hoy, 138 años después, las actividades humanas vuelven a necesitar mas agua dulce de buena calidad que la disponible, de modo que es el momento de retomar los esfuerzos de Wilson, que estuvieron en operación hasta el año 1904.

La humanidad crece y se desarrolla. Su aumento en números requiere agua sanitaria directamente y requiere agua de regadío de su alimentación. Durante los años 1980 la humanidad se abocó seriamente al problema de la desalinización de agua de mar y se registraron muchas patentes que, en realidad, no llegaron a desarrollo industrial porque la temida crisis no tuvo lugar en realidad.

Hoy en día existen muchas alternativas para la desalinización de agua, sea ésta de mar o salobre. La destilación solar es sólo una de muchas, pero ofrece la posibilidad de aprovechar el escaso costo de las tierras desérticas. El demérito habitual de los diversos usos de calor solar es, precisamente, su alto consumo de terreno.

La destilación solar consiste en la evaporación de agua de mar y su condensación controlada. En la figura 3 se observa una especie de invernadero donde llega agua de mar que se evapora y el vapor se condensa en el techo de vidrio (a una o dos aguas) y el condensado se desliza gravitacionalmente hacia los bordes donde se recolecta en una canaleta. Este es un esquema básico, muy simple, y hoy en día una instalación consideraría destilación multietapa, mas bien. Existen variados diseños en la mismísima internet, además.

Los costos de producción a 15 años se reportan en el orden de los 8 centavos de dólar por metro cúbico considerando el terreno a costo nulo. La tasa de producción es del orden de 1 m³ de agua por año y por m² de terreno.

El problema del diseño ha sido abordado por muchos autores y se suele encontrar que los cálculos teóricos, en base a la radiación incidente y las temperaturas del mar no es suficientemente preciso y es necesario operar en la práctica una escala moderada antes de escalar a un tamaño industrialmente significativo.

Nos parece de la mayor pertinencia enfrentar el problema del diseño de destiladores solares en regiones desérticas del país, hincando el estudio en una escala suficiente para el desarrollo de vegetales de alto valor comercial, como tomates, cítricos u otras frutas que requieran alta radiación solar. Tan loable tarea servirá de base para la determinación de parámetros que permitan afinar un análisis de factibilidad para instalaciones mayores que permitan el desarrollo humano sostenidamente en regiones donde el agua dulce es escasa.

Leandro Herrera
Fernando Puchi
Versión 1; Marzo 2006

.: ENERGÍA SOLAR: CÓMO LOS ESPEJOS PUEDEN ILUMINAR AL MUNDO

2007-01-02T13:00:00.000-08:00

En este link hay un artículo reciente, difundido por entidades públicas, respecto de
.: ENERGÍA SOLAR: CÓMO LOS ESPEJOS PUEDEN ILUMINAR AL MUNDO

Es penoso, y sorprendente, como podemos residir en Chile y discutir sobre los eventuales usos de los desiertos de áfrica por parte de europa (no por parte de los africanos, notablemente) sin conectarnos con nuestras propias fuentes. El artículo se lamenta en cuanto a la falta de interés por el tema siendo que los "científicos" tienen las cosas tan claras...

Al respecto, en primer lugar cabe destacar que una cosa es un "científico" y otra, muy distinta, un "tecnologo".
El primero concibe explicaciones de la realidad, utilizando sus competencias intelectuales para calcular, a veces muy erróneamente, hipótéticas situaciones. El segundo, en base al trabajo científico, da un paso mas, habitualmente muy difícil y utiliza sus competencias intelectuales para resolver problemas de la sociedad; en Chile tendemos a confundirlos porque hay una gran población de muy buenos y competentes "científicos" que simplemente no entineden, no ven, no quieren entender, ni quieren ver la competencia del tecnólogo como una actividad productiva (los científicos llaman "producto" a una publicación!!!), de origen intelectual, perfectamente equiparable a sus propias competencias. En esto hay grandes intereses económicos personales implicados, pero será materia para otra discusión futura.

Atengámonos ahora a la energía solar y el desierto árabe o en California de los EEUU.
¿Sabían uds. que Chile tiene los cielos mas transparentes del mundo? ¡Claro! Por eso es que los observatorios internacionales tienen sede en el desierto chileno. Además, cae de maduro que si los cielos transparentes permiten la mejor observación del espacio, también serán los cielos que menor radiación solar absorban durante el día... ¡Si pues! Los cielos del desierto chileno son tan transparentes que nuestro desierto recibe la mayor dósis de radiación solar de todo el planeta!!!! Y aquí estamos discutiendo sobre la energía solar en otros desiertos y por otros capitales. Es posible que en Chile sólo se hable de las granjas solares para licitarlas al capital financiero y que las bases de licitación sean tan inteligentes que signifiquen que los chilenos renunciamos al desierto y que debemos pagar la energía generada al doble que cualquier otro país del mundo... ¿verdad que sería una verguenza? Pero, bueno, no será la primera ves que me sorprenda.

Con mis colegas hemos trabajado seriamente durante un par de años para encontrar en Chile una forma de implementar la generación eléctrica termosolar. Hemos evaluado el uso de espejos parabólicos que siguen la trayectoria del sol para proveer un fluido térmico a suficiente temperatura como para optimizar la transferencia de energía (mientras mas alta sea la temperatura, mayor será la eficiencia; revise termodinámica, sobre todo Carnot). Algunas personas de clara inteligencia y corazón bien puesto han escuchado y se han entusiasmado... pero no es esa la gente que tiene los capitales necesarios.

Ojalá sea Chile el que coseche esa tremenda energía disponible en nuestro desierto; en realidad, cuesta entender por qué no lo hemos hecho desde hace unos 50 años, pues ya existían los elementos tecnológicos necesarios para su explotación.

Un dato muy interesante, en cuanto al uso de la Energía solar térmica, en su aspecto de desalinización (o potabilización de agua salada) es que la primera instalación conocida en el mundo fue realizada en Chile el año 1872 el ingeniero holandés Carlos Wilson necesitaba agua para las mulas de una obra minera en Las Salinas, en el Norte de Chile (ver: Harding, J., 1883, Apparatus for solar distillation In: Proc. Inst. Civil Eng., Vol 73, pp.284-288). Nació así la primera instalación industrial de destilación solar porque sólo encontró fuentes de agua salobre, inútil para la vida. Vemos cómo de la necesidad nace la tecnología, aún en ausencia de bases científicas formales. Hoy, 138 años después, las actividades humanas vuelven a necesitar mas agua dulce de buena calidad que la disponible, de modo que es el momento de retomar los esfuerzos de Wilson, que estuvieron en operación hasta el año 1904.

Quiero ser un ser humano

2006-12-20T11:42:00.000-08:00

Entre las cosas mas sorprendentes de estos tiempos figura con gran relevancia la necesidad de trabajo. Es sorprendente ver a tantos trabajadores pidiendo trabajo, a sabiendas que serán pobremente remunerados. Es como andar pidiendo que nos ocupen toda la energía y tiempo disponible, haciéndonos abandonar nuestras propias vidas... definitivamente SORPRENDENTE!

Es sorprendente porque... después de todo.. supongo que esta necesidad resulta de una cadena de inferencia mas bien extensa, que sería aceptable si fuese algo como:

Lo que mas quiero en esta vida es crecer, espiritual e intelectualmente;
Para crecer necesito sentir un grado importante de tranquilidad;
Si estoy intranquilo, mis reflejos primitivos funcionan para resolver lo que me intranquiliza (cuando era un cavernícola y enfrentaba una fiera, no podía pensar en los niños, ni en la luna, ni en nada sino en cómo salir del aprieto);
Para estar tranquilo necesito que mis necesidades mas elementales estén establemente resueltas (comida, descanso, abrigo, techo, los hijos, etc... ver pirámide de Marlow en http://www.ship.edu/~cgboeree/maslowesp.html);
Recién entonces podría uno decir: ¡Necesito trabajo!

Pero, es un error ¿verdad? Lo que necesitamos es ser felices.

El sueño del pibe de los humanos desde siempre ha sido disponer de tiempo para la autorealización. Disponer de tiempo libre HOY ES POSIBLE.

La humanidad ha avanzado enormemente la tecnología, al punto que podríamos vivir todos cómodamente con unas 5 o 6 horas de trabajo...

¿Por qué no es así?

La clásica relación C:N:P=100:10:1

2006-12-19T14:41:00.000-08:00

Relación de Carbono, Nitrógeno y Fósforo en plantas de tratamiento de aguas servidas

Leandro Herrera, Ph.D.

2006

La relación de “nutrientes” en las operaciones de tratamiento de aguas servidas suele considerarse como

regla del tipo “dedos oscilantes”, nacida de la empírica, pero que tiene un fundamento que debe ser entendido desde la biología de estos sistemas. Sólo en la medida en que las empíricas sean sujetas a la luz de los fundamentos será posible mejorar los diseños de planta y de su operación.

Tómese, por ejemplo, el trabajo de Buchanan y Seabloom (2005)^¹, donde se determinó la composición elemental del material celular del sistema. La fórmula estequiométrica equivalente de las células (se trata de un cultivo mixto, agrupado en flóculos) resultó ser:

de modo que la relación molar debiera ser

Si bien no es posible determinar cuántas de estas “moléculas” constituyen una célula, se puede decir que el eventual “Peso Molecular” de una fórmula celular es 1375,39 g/mol.

(Incidentalmente, tal cual apuntan los autores, esta relación se reduce aproximadamente a la clásica aproximación estequiométrica si no se considera el fósforo como constituyente de la fórmula estequiométrica).

Dada la composición celular de Buchanan y Seabloom, es posible verificar cuan cierta es la relación 100:10:1. En primer lugar, se debe considerar que en esta regla, C representa el carbono oxidable del sistema, pero medido como DQO. En cambio, N y P son medidos como concentración másica del propio elemento (independientemente de que el nitrógeno sea medido con el método de Kjeldahl u otro procedimiento). Al especificar el C en términos de su demanda de oxígeno, se requiere contemplar que la demanda de oxígeno es, molarmente, el doble que el carbono ya que la molécula producida es el CO₂. Es decir:de modo que el C de la relación en comento corresponde molarmente a la demanda de O₂, es decir, corresponde a la DQO dividida por el peso molecular del O₂ (31,9988) y multiplicada por el peso molecular del C (12,0110). De otra óptica, la oxidación química de una fórmula de célula requerirá 60 moles de O₂; es decir, las células tienen una DQO de 1919,9 gr de oxígeno por cada mol de células (este cálculo puede seguir adelante y decir que la DQO es de 1919,9 gr de oxígeno por cada 1375,39 g de células, o 1,39 g oxígeno/g de célula).

Al tomar la DQO en razón al nitrógeno y el fósforo de la fórmula estequiométrica celular se obtiene la razón

¡¡¡en lugar de la regla empírica 100:10:1!!!

Si bien la regla empírica está en el orden de magnitud de la composición celular, agregando que se debe considerar que alguna parte del carbono se utiliza como energía (lo que hará aumentar su valor mas arriba de 61,98), inescapablemente, al considerar 100:10:1 sobrará nitrógeno, pues estará en exceso (al doble), comparado con el cálculo estequiométrico en que sólo se requieren 5 y no 10 masas de nitrógeno.

Actualmente, el nitrógeno (y el fósforo) se debe abatir específicamente, ya que la composición de las aguas de alcantarillado lo aportan, efectivamente, en exceso.

La relación de nutrientes debe, por lo tanto, establecerse desde la constitutción de la biomasa real de los sistemas de tratamiento de aguas servidas al diseñar la operación de tales sistemas. A mayor detalle, se debe considerar que la fórmla estequiométrica de la biomasa depende, también, de cual sea la especie limitante del desarrollo celular, de modo que la relación es específica a cada diseño, según sean las características de las aguas a tratar y de la tecnología a utilizar.

1 Seabloom, R.W. and J.R Buchanan. 2005. Aerobic Treatment of Wastewater and Aerobic Treatment Units Text. in (M.A. Gross and N.E. Deal, eds.) University Curriculum Development for Decentralized Wastewater Management. National Decentralized Water Resources Capacity Development Project. University of Arkansas, Fayetteville, AR. También accesible en línea http://onsite.tennessee.edu/Aerobic%20Treatment%20&%20ATUs.pdf