El Coche Fantástico: reacciones nucleares

Hoy vamos a volver a la nueva serie de El Coche Fantástico. En uno de los episodios aparece algo que llaman «nanovirus». No explican muy bien qué es, pero por el nombre y su comportamiento a lo largo del episodio, uno puede deducir que se trataba de algún tipo de enjambre de nanomáquinas, capaces entre otras cosas, de construir copias de sí mismas. No, no vamos a hablar de nanotecnología, sino de algo muy diferente. Resulta que cuando los protas hablan con el creador del nanovirus, les dice que la programación original del mismo era el tratamiento de residuos, concretamente, convertir metales pesados en materia orgánica.

¿Qué es un metal pesado? Bueno, su definición es algo ambigua, pero normalmente se refiere a elementos metálicos, densos, y tóxicos, como por ejemplo, el mercurio o el plomo (auque a veces se incluyen elementos no metálicos, o metales algo más ligeros). Materia orgánica puede ser también un término algo ambiguo, pero al igual que antes, podemos simplificar diciendo que se trata de compuestos formados por cadenas de carbono, junto con otros elementos, como el hidrógeno o el oxígeno.

Lo importante es que los metales pesados son elementos químicos, y la materia orgánica son compuestos formados por elementos químicos completamente diferentes. Fijaos entonces que estamos hablando de un proceso que transforma unos elementos químicos (metales pesados) en otros (carbono, hidrógeno y más cosas). Es por tanto el viejo sueño de los alquimistas: la transmutación de la materia. Algo que sólo es posible mediante reacciones nucleares, donde los núcleos atómicos se dividen o se unen, de forma que obtenemos elementos diferentes a los que teníamos al principio (en el colegio nos enseñaron que el número de protones de un núcleo, determina el elemento químico).

Una reacción nuclear no se inicia así como así. Hay que hacer colisionar los núcleos atómicos entre sí, o bien bombardearlos con partículas. Para ello, o bien aportamos inicialmente determinada cantidad de energía inicial (nada despreciable), o bien utilizamos materiales radiactivos, que sufren procesos nucleares de forma natural, emitiendo partículas en el proceso. Parece difícil (por no decir imposible) que unas nanomáquinas puedan iniciar una reacción nuclear aportando energía, y desde luego, utilizar materiales radiactivos parece que va en contra de la filosofía inicial de estas maquinitas (deshacerse de productos nocivos).

Pero vamos a centrarnos en otra cosa. Cuando se menciona el término «reacción nuclear» uno suele pensar en algo que desprende una enorme cantidad de energía. Pero al igual que ocurre con las reacciones químicas, no sólo hay reacciones nucleares que desprenden energía (exotérmicas), sino que también las hay que absorben energía (endotérmicas), y por tanto, es necesario suministrar energía para que puedan ocurrir. La fusión del hidrógeno en helio, por ejemplo, desprende energía (y por eso las estrellas emiten luz y calor). Parece evidente que si queremos realizar el proceso contrario, y fisionar el helio, deberemos aportar energía.

¿Qué determina si una reacción nuclear desprende o absorbe energía? Bueno, vamos a ver primero un concepto curioso. En el colegio nos enseñaron que el número de protones y neutrones de un núcleo atómico, se denomina número másico, y corresponde a la masa del átomo (las masas de los electrones es muy pequeña, comparada con la del núcleo). Lo que no nos contaron es que esta correspondencia no es exacta. Resulta que si «pesamos» un núcleo atómico, y luego «pesamos» cada uno de sus componentes por separado, nos dará un valor distinto. Concretamente, el nucleo parece tener menos masa que la suma de las masas de sus componentes. Así, si medimos la masa de un núcleo de helio, que está formado por dos protones y dos neutrones, veremos que es menor que la suma de las masas de dos protones y dos neturones sueltos. A esta diferencia se le denomina defecto de masa.

¿Qué ocurre con esta masa que falta? Pues que se transforma en energía, según la famosa fórmula de Einstein que relaciona masa y energía: E=m·c². Por tanto, si tenemos protones y neutrones sueltos por ahí, y los juntamos para formar núcleos atómicos, siempre vamos a obtener energía. Lástima que no dispongamos de muchos de estas partículas así sueltas, sin más, sino que lo que tenemos son átomos con los que jugar.

Afortunadamente, ese defecto de masa no es el mismo para todos los átomos, o mejor dicho, la diferencia por nucleón (protón o neutrón) no es la misma. Si para un núcleo atómico calculamos su defecto de masa, lo dividimos entre el número de nucleones que lo forman (el número másico), y calculamos su equivalente en energía, tendremos lo que se denomina energía de enlace por nucleón. Si calculamos este valor para todos los isótopos de todos elementos conocidos, y hacemos una gráfica con estos valores, veremos que la energía por nucleón es muy baja en el hidrógeno, y sube muy bruscamente (con algún descenso ocasional) a medida que avanzamos por la tabla periódica, hasta llegar al hierro. A partir de ahí, la gráfica desciende de forma suave. Si queremos saber si una reacción nuclear de fusión o fisión es endotérmica o exotérmica, debemos comparar la energía por nucleón de los isótopos, antes y después de la reacción. Si es mayor, la reacción desprende energía. Si es menor, la absorbe. Así, podemos ver fácilmente que la energía por nucleón del helio es mucho mayor que la del hidrógeno, y que la del uranio es menor que la de elementos algo menos pesados que él. Por eso la fusión del hidrógeno y la fisión del uranio desprenden energía. Básicamente, la fusión de elementos ligeros o la fisión de elementos pesados, desprende energía. Como curiosidad, podéis ver en la gráfica que la fusión del hidrógeno produce mucha más energía que la fisión del uranio.

¿Por qué este comportamiento? Intentaré explicarlo de forma sencilla. Como sabéis, los protones tienen carga eléctrica positiva. En el colegio nos enseñaron que cargas opuestas se atraen y cargas iguales se repelen. También nos enseñaron que la fuerza de atracción o repulsión eléctrica es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Los protones de un núcleo, por tanto, están sometidos a una fuerza repulsiva enorme al estar tan cerca. ¿Por qué no salen despedidos? Por la interacción nuclear fuerte, una fuerza cuya disminución con la distancia es más brusca que la fuerza electromagnética. Esta fuerza atrae a todos los nucleones entre sí, y a esas distancias, es mayor que la repulsión electromagnética. Podemos pensar (y esto ya es una simplificación extrema, pero creo que nos vale) que cuantos más nucleones pongamos juntos, más estable será el nucleo, ya que hay más partículas atrayéndose entre sí. Pero llega un momento en el que el núcleo es tan grande, que si añadimos más nucleones, los de extremos opuestos estarán demasiado alejados entre sí, y la fuerza atractora entre ellos no será tan grande (insisto en que es una simplificación, no me peguéis los que sepáis del tema).

Sabiendo todo esto, volvamos al nanovirus de El Coche Fantástico. Se supone que originalmente transmutaba metales pesados en carbono, hidrógeno y algunos otro elementos. Los números másicos de los principales isótopos del plomo están entre 206 y 208. Los del mercurio entre 198 y 204. El del carbono, como todos sabemos, es 12 (el isótopo más abundante), y el del hidrógeno es 1 (o siendo generosos, entre 1 y 3, aunque el deuterio y el tritio son mucho menos abundantes que el hidrogeno-1). A primera vista se puede ver con facilidad que para obtener hidrógeno de una reacción nuclear, necesariamente tendremos que aportar energía, partamos de donde partamos.

Con el carbono es más difícil ver en la gráfica si su energía de enlace por nucleon es mayor o menor que las del plomo y mercurio, así que vamos a consultar en una tabla de masas atómicas proporcionada por el NIST, para buscar los elementos que nos interesan. No calcularemos la energía de enlace, sino que nos quedaremos en la masa media por nucleon. Para evitar confusiones, recordad que la gráfica representa la energía correspondiente al defecto de masa, y por tanto, cuanto mayor sea su valor, más estable será el elemento. Si calculamos simplemente la masa por nucleon, cuanto menor sea este valor, más estable será el elemento.

La masa atómica del carbono-12 es exactamente 12 u, igual que su número másico, lo que no debería sorprender a nadie ya que se define la unidad de masa atómica precisamente como la duodécima parte de la masa de un átomo de carbono-12. Por tanto, la masa por nucleon de un átomo de carbono-12 es 1 u. La masa atómica del plomo-208 (el más abundante en la naturaleza) es 207,976636, por lo que la masa por nucleon será menor que 1 u. En el caso del mercurio-202 (también el isótopo más abundante) la masa atómica es de 201,970626, por lo que volvemos a tener una masa por nucleon menor de 1 u. He elegido los isótopos más abundantes en ambos casos, pero si utilizáis el resto de isótopos, veréis que la masa por nucleon es menor que la del carbono. Eso quiere decir que en una reacción nuclear que convierta plomo o mercurio en carbono (y un resto de algún elemento más ligero, ya que el número másico no es múltiplo de 12), el conjunto final tendrá más masa que el inicial. Eso quiere decir que habrá que aportar energía.

Y claro, la gran pregunta es ¿de dónde sale esa energía? Teniendo en cuenta la gran cantidad de energía implicada en una reacción nuclear (pensad que es la diferencia de masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz; casi nada), no parece posible que las nanomáquinas pudieran aportarla, por muy buenas nanobaterías o nanopaneles solares, o cualquier medio de extraer energía de algún otro sitio, que pudieran tener.