The Core: Unobtanium

Hace poco han vuelto a poner en la tele la película The Core, a la cual ya he dedicado varios envíos, y a la que podría dedicar muchos más. Supongo que no es necesario repetir otra vez el argumento, así que iré directamente al grano. Y hoy le toca a ese mágico material indestructuble que es el unobtanium, del cuál está hecho el casco de la nave.

El unobtanium es un material que convierte el calor en energía eléctrica, virtualmente indestructuble, ya que se vuelve más resistente cuanto mayor es la presión y la temperatura a la que es sometido. Aquí hay que reconocerle un mérito a los guionistas por el guiño, ya que el término unobtanium es utilizado en el mundillo de la ciencia ficción para nombrar cualquier material con propiedades practicamente imposibles, casi mágicas, pero necesario para la historia que se quiere contar. El nombre es un pequeño juego de palabras, ya que unobtanium viene de la palabra inglesa unobtainable, que significa algo así como inobtenible (aunque esta palabra no existe en el diccionario) o imposible de obtener, y además, comienza con el prefijo un, que corresponde al dígito 1, en las normas de la IUPAC para denominar nuevos elementos químicos (podéis leer una interesante historia al respecto en Historias de la Ciencia).

Bueno, como decía, el unobtanium se vuelve más resistente cuanto más calor hace, y además, transforma ese calor en energía eléctrica. Vale. Nos lo creemos. Pero aquí ya tenemos un problema con uno de los pilares de la física: la conservación de la energía. En la peli nos explican que la fuente de energía de la nave es un reactor nuclear. Es decir, no utilizan para nada el unobtanium. Entonces ¿dónde va toda la energía que genera el unobtanium a partir del calor exterior? Bueno, uno podría decir que se acumula en forma de energía potencial eléctrica, pero pensad en la gran candidad de energía que debe absorber en forma de calor durante horas. ¿No tiene límite el unobtanium?

Pero sigamos. Al final de la película, cuando la nave se ha quedado sin fuente de energía (algo también merecedor de un envío, ya que poner el plutonio del reactor de la nave en una cabeza nuclear, no serviría para aumentar su potencia) y nuestra pareja protagonista está aparentemente condenada, el prota recuerda que el unobtanium del casco transforma el enorme calor del exterior en energía eléctrica, así que le enchufan un par de cables, y voilà! ya pueden alimentar la nave. Mientras lo explica exclama ¡Es como un enorme panel solar!

Veamos, aquí hay dos errores importantes. Por un lado, la comparación con un panel solar es desacertada, ya que éste no obtiene electricidad a partir del calor, sino de la luz. Bueno, alguien puede decir que tal vez se refería a un colector solar, de esos que se utilizan para calentar el agua de la ducha, pero éstos no generan electricidad. Por otro lado, para obtener electricidad útil, es decir, una corriente eléctrica, necesitamos una diferencia de potencial eléctrico. ¿Cómo se distribuye esa diferencia de potencial eléctrico en el casco? ¿Cómo obtenemos una correinte de él?

Para entender mejor esta problemática, y por qué no es posible que lo que vemos en la pellícula funcione, vamos a ver cómo funciona un panel solar. Un panel solar se basa en el llamado efecto fotoeléctrico (no todo el mundo sabe que Einstein recibió el Nobel de Física por su explicación de este efecto, y no por su Teoría de la Relatividad). ¿En qué consiste eso? Para entenderlo hay que explicar un poco por encima las características de un semiconductor.

Un semiconductor es un material que puede comportarse como aislante o como conductor de la electricidad (de ahí su nombre). ¿Cómo? Imaginemos los átomos de un semiconductor cualquiera, con sus electrones dando vueltas por ahí. Los electrones están más o menos ligados al átomo, dependiendo de su energía. Un electron con poca energía, permanecerá alrededor de su átomo, y no se moverá de ahí. Un electron en estas condiciones se encuentra en la llamada banda de valencia. Pero si por algún motivo, un electrón adquiere suficiente energía como para liberarse de su átomo (se suele decir que se excita, y sí, se puede hacer un chiste fácil), puede moverse líbremente (valga la redundancia), y en presencia de una diferencia de potencial eléctrico, se dirigirá al polo positivo. Un electrón en estas condiciones se encuentra en la llamada banda de conducción. Parece claro que cuantos más electrones estén en la banda de valencia, más aislante será el material, y cuantos más electrones haya en la banda de conducción, más conductor será.

Hay otro detalle importante a tener en cuenta. Cuando un electron pasa de la banda de valencia a la de conducción, el átomo al que pertenecía tiene un electrón de menos (vaya perogrullada), lo que quiere decir que ya no es eléctricamente neutro, sino que tiene una carga positiva debido al hueco dejado por el electrón (ahora hay un protón de más). La diferencia de potencial no sólo afecta a los electrones de la banda de conducción, sino a esos huecos dejados en la banda de valencia, que se mueven en sentido contrario al de los electrones (hacia el polo negativo). Pensemos en el siguiente ejemplo: una fila de butacas en el cine, en las que todas están ocupadas menos una. El espectador a la izquierda de esa butaca, la ocupa dejando la suya libre. El de al lado, al ver que su compañero se ha cambiado, se sienta en esa nueva butaca libre, desocupando la suya, y así sucesivamente. La butaca vacía se va moviendo hacia la izquierda, aunque realmente son los espectadores los que se desplazan hacia la derecha. Con los huecos que dejan los electrones sucede lo mismo, y se comportan como si fueran partículas de carga positiva.

Sigamos. Al incidir luz sobre un material, un fotón puede transferir su energía a un electrón. Si la nueva energía del electrón es suficiente, pasará a la banda de conducción y dejará un hueco en la de valencia. Cuantos más fotones (con la suficiente energía) se absorban, más parejas electrón-hueco se formarán. Esto es el efecto fotoeléctrico. Fijáos en algo muy importante. Lo único que hace el efecto fotoeléctrico es crear portadores de carga, haciendo más conductor el material. Pero este fenómeno no crea una corriente eléctrica por sí mismo.

¿Cómo se crea entonces la corriente? Una corriente eléctrica no es más que cargas eléctricas desplazándose en una dirección preferente (es decir, que no vale con que las cargas se muevan aleatoriamente, tienen que hacerlo más o menos juntas en la misma dirección). Así que necesitamos mover esas cargas. ¿Cómo? Bien, hemos visto que en un semiconductor, si parte de sus electrones se excitan lo suficiente, se crean parejas electrón-hueco, y por tanto, existe el mísmo número de cargas positivas que negativas, y el material sigue siendo eléctricamente neutro. A un semiconductor se le pueden añadir impurezas, utilizando elementos cuyos átomos tengan un electrón más o un electrón menos de valencia. Estos átomos de impurezas, sustituyen a los átomos del semiconductor en la estructura cristalina, y se dice que el semiconductor está dopado. Si se utilizan átomos cuya valencia es inferior en uno, es decir, tienen un electrón de menos, resulta que tenemos un semiconductor con huecos de más, al que se llama semiconductor tipo P (de positivo). Si por el contrario utilizamos átomos con valencia superior en uno, es decir, con un electrón de más, pues obtenemos un semiconductor con exceso de electrones, al que se llama semiconductor tipo N (de negativo). En el caso concreto del silicio (semiconductor por excelencia), dado que tiene una valencia de 4, se utilizan elementos de valencia 3 (como el boro o el aluminio) para fabricar semiconductores P, y elementos de valencia 5 (como el fósforo) para fabricar semiconductores N. Fijaos que el semiconductor resultante sigue siendo eléctricamente neutro, ya que sigue habíendo el mismo número de electrones que de protones. Sin embargo, un semiconductor dopado tiene más (o menos) electrones en la banda de conducción, que huecos en la de valencia. Y eso es lo que nos importa.

Una vez entendido esto, imaginemos que cogemos un semiconductor P y otro N, y los unimos por un lado (en el mundo real esto se hace de otra manera, pero de momento no importa). Hemos formado lo que se conoce como una unión P-N (sí, también se puede hacer un chiste fácil; luego la gente se extraña de los telecos estemos algo salidos). En la zona de unión, los electrones de más del lado N, se recombinan con los huecos de más del lado P, formando lo que se llama la zona de deplexión, en la que ya no hay huecos ni electrones libres, por lo que esa zona se comporta como un aislante. Acordaos que el semiconductor seguía siendo eléctricamente neutro, aunque fuera P o N. En la zona de deplexión, tenemos electrones de más en el lado P, y electrones de menos en el lado N (debido a la recombinación), por lo que tenemos una carga neta positiva en el lado N, y una carga neta negativa en el P. Esta diferencia de potencial eléctrico hace que los electrones del lado N tiendan a ir al lado P, y los huecos del lado P al N, pero la zona de deplexión lo impide, ya que es un aislante. Estas uniones se suelen utilizar sobre todo como diodos (dispositivos que sólo dejan pasar corriente eléctrica en unsentido), pero en esta ocasión nos importan otras propiedades.

¿Qué ocurre si a cada extremo (P y N) de este invento le conectamos un conductor, y cerramos un circuito? Pues que los electrones del lado N ya pueden ir al lado P siguiendo ese circuito, al igual que los huecos del lado P, formando una corriente eléctrica. Los electrones y huecos que llegan al otro lado de esta manera, se recombinan en su destino. Esto haría que el número de portadores de carga libres disminuyera, pero si el dispositivo está siendo iluminado (y tiene una geometría óptima para ello), y constantemente nuevos fotones son absorbidos y crean nuevas parejas electrón-hueco, pues ya tenemos una corriente de forma indefinida.

¿Alguien se ha perdido? No pasa nada. Recapitulemos lo importante. El efecto fotoeléctrico transforma la energía luminosa en energía potencial eléctrica. Pero por sí mismo, lo único que hace es generar portadores de carga libres. Necesitamos dar al material semiconductor un tratamiento especial, para crear diferencias en ese potencial eléctrico a nuestra conveniencia, y que esas cargas se muevan, creando una corriente eléctrica.

Así que apliquemos esto mismo al unobtanium. No se explica cómo se transforma el calor en energía eléctrica, pero realmente no es necesario saberlo. De alguna manera, el calor exterior es absorbido y utilizado para crear cargas eléctricas. En la película, la fuente de energía de la nave es el reactor nuclear, y no el unobtanium. Es decir, el casco de la nave no ha sufrido ningún tipo de tratamiento para favorecer el exceso de cargas negativas o positivas en determinadas zonas, por lo que es de sentido común suponer que estas cargas están repartidas por igual por el casco de la nave. Otro hecho que apoya esta suposición es que los tripulantes no se electrocutan cuando tocan el casco, o algún objeto metálico apoyado en él. Así que no hay diferencia de potencial eléctrico (o al menos apreciable) entre las distintas zonas del casco. Y sin diferencia de potencial, pues no hay corriente. Ni un mísero miliamperio.