I. SOBRE AIRE Y MÁQUINAS
UNA persona adulta normalmente requiere de 14 kg de aire diarios para vivir, sólo 1.4 de comida y unos 2 del agua. La vida, en términos de estos parámetros, necesita del aire más que de cualquier otra sustancia. Dado que un ser humano inhala y exhala aire en forma involuntaria, es obvio que la contaminación resulta ser un problema crítico que pone en peligro la vida. Más aún, se puede vivir sin comer unas cinco semanas, sólo unos cinco días sin agua, pero sin aire no resistimos más de cinco minutos. El aire también desempeña un papel importante sobre los sentidos de la visión, del olfato y del oído, de ahí que aquél que está contaminado también los afecta. Piense en estos datos: los gases dañinos entran en nuestro cuerpo por varios caminos y sus efectos son variados en cada uno de ellos. En particular, los que ocurren en el sistema respiratorio son muy serios. Respiramos unas 20 000 veces diarias y usamos unos 10 000 litros de aire. El aire pasa a través de la cavidad nasal, faringe, laringe, tráquea y llega a los bronquios, se realiza el intercambio de gases que se difunden físicamente en los alvéolos. Dicho de otra manera, la sangre elimina el bióxido de carbono en los alvéolos que están en los capilares. La sangre toma ahí el oxígeno que necesita y lo envía al corazón. Este gas circula por el cuerpo a través de la aorta y provee de oxígeno a los tejidos celulares. Esto en teoría, ya que si alguna de las partes que hemos mencionado falla, por ejemplo por el daño ocasionado por gases tóxicos, entonces el organismo sufre diversos padecimientos. También podemos pensar de igual manera con las partículas sólidas diminutas que inhalamos, que pueden, por ejemplo, depositarse en los tejidos pulmonares y causar problemas que podemos imaginar sin ser médicos ¿De qué trata este libro se pregunta el lector que empieza a impacientarse?, ¿no era el asunto relacionado con la gasolina y otros carburantes?
En efecto, se hablará de la gasolina y los carburantes en general, tanto los que existen hoy en día como aquellos que en el futuro tendrán un papel preponderante. Debe recordarse que los carburantes automotrices son, probablemente, los productos más importantes que se generan y posteriormente se venden manufacturados en las refinerías dado que una gran proporción del petróleo crudo (entre 30 y 70%) que llega a estos centros de conversión, es transformado en gasolina y diesel. Si mira uno las ventas de estos carburantes en todos los países industrializados y los en vías de desarrollo, han aumentado continuamente en los últimos 20 años y la tendencia inevitable es que lo seguirán haciendo hasta bien avanzado el próximo siglo. Pero no hay que olvidar al filósofo Séneca, nacido en Córdoba a principios de nuestra era, que decía en sus Naturales Quaestiones: "La providencia, la divinidad que dispone del mundo, ha encargado a los vientos remover el aire y esparcirlo por todas partes, para que nada de suciedad nos ataque." Tal vez el primer dictamen jurídico formulado acerca del medio ambiente se dio en España por el juez, Soleiman Ben Asuad, que en 852 hablaba sobre "La colocación de tubos en la parte superior de cada horno, de manera que los humos salieran a cierta altura y no perjudicaran a los vecinos". Si bien estos dos antecesores no conocieron los automóviles de combustión interna, ni las refinerías, se hubieran referido a ellos en sus escritos. No hay duda de que la gasolina y otros carburantes que se utilizan hoy en día son los causantes de muchos de los males que aquejan nuestra sociedad, en particular si vemos muchas de nuestras ciudades envueltas de una nube, nada romántica, formada por todo tipo de vapores nocivos. También, punto importante, hablaremos de los automóviles y otros medios de transporte tratando de mostrar la problemática que se genera por el uso y abuso de ambos ya que, quiérase o no, y por más que tratemos de tener los carburantes "de la mejor calidad siempre terminaremos contaminando nuestro planeta.
ñAH, LAS MÁQUINAS, LAS MÁQUINAS!
La historia de las invenciones es, en sí, el estudio de las circunstancias que convirtieron un mecanismo simple e ineficaz de los primeros periodos de la humanidad en lo que hoy consideramos como mecanismos complejos y eficientes, al menos eso pensamos. En el siglo XVIII los científicos habían empezado a preguntarse por qué no podían inventar una máquina de movimiento perpetuo.
Descubrieron con exasperación que cada vez que ponían a funcionar una, parte de la energía que le inyectaban tomaba una forma que no se podía recuperar y utilizar de nuevo para hacer un trabajo. A fines del XIX se pensaba que conociendo las leyes aprenderíamos con creciente destreza a predecir y controlar la entropía, término introducido por Claussius para expresar el desorden o falta de organización en un sistema. Entre más desordenado es un sistema, mayor su entropía. Recuérdese que la primera ley de la termodinámica nos informa que una cantidad de trabajo mecánico siempre se puede convertir en una cantidad equivalente de calor. Esto es cierto para la mayoría de las máquinas pero no para las máquinas térmicas. Por ejemplo: no se puede convertir una cantidad fija de calor en su equivalente de trabajo.
En términos prácticos se pensaba que el caos entrópico y pasivo se podía reducir o eludir mediante una comprensión cada vez más precisa del orden mecánico del Universo (véase La ciencia del caos, La Ciencia para Todos, Núm. 142, FCE).
LAS FANTASÍAS DE LA TECNOLOGÍA
Cuando se empieza analizar cuál ha sido el desarrollo de la tecnología, la indagación comienza con la invocación del homo faber (el hombre productor) y la forma con la satisfacción de las necesidades de la vida ha llevado inevitablemente a la diversidad de artefactos que empleamos. Parece interesante centrarse más bien en el homo ludens (el hombre jugador) al que toca presentar las cosas como novedad. Luego consideraremos cómo el papel del juego sirve de fuente de innovación tecnológica. Así, Herón de Alejandría construyó un mecanismo que abría las puertas de un templo al encender una hoguera, empleando el principio por él descubierto, de que el aire al calentarse aumenta de volumen. Este diseño mecánico, hecho tal vez por diversión, introduce avances notables en el conocimiento de los principios mecánicos. El juego está dominado por un elemento de simulación, en el cual tiene un papel importante la fantasía, tema tan amplio del cual nada más mencionaremos brevemente tres partes importantes: los sueños tecnológicos, las máquinas imposibles y la fantasía popular.
Figura 1. Carruaje propulsado por el viento (ca. 1660).
Los producen las máquinas, las propuestas y las visiones generadas por la comunidad
técnica en el Renacimiento y en el presente. Resumen la propensión de los tecnólogos
de ir más allá de lo técnicamente posible, Las fantásticas creaciones de este
tipo dan acceso a la riqueza de la imaginación y a la fuente de la novedad que
se encuentra en el corazón de la tecnología occidental. El contenido de los
libros de máquinas del Renacimiento proporcionan una excelente oportunidad para
examinar los sueños de los primeros tecnólogos modernos. Entre 1400 y 1600 se
publicaron numerosos libros de este tipo —minuciosamente elaborados—
en Alemania, Francia e Italia. Contenían centenares de imágenes de máquinas
extrapoladas a partir de la tecnología existente. Theatrum machinarum era
el título de estos libros que presentaban la tecnología como espectáculo
para el gozo e instrucción de los lectores. Uno de los más populares era Le
diverse et artificiose machine de Agostino Ramelli, ingeniero militar francés.
Publicado en 1588, fue reimpreso y traducido a varios idiomas, Ramelli respondía
interrogantes nunca planteadas, resolvía problemas que nadie, salvo él, había
propuesto. La necesidad económica no era la fuerza motivadora pues eran producto
de una imaginación fértil que se deleitaba recreándose y desplegando su capacidad
de operar dentro de los límites de lo posible, si no de lo útil. Las patentes
son el segundo tipo de sueños tecnológicos. Su inclusión aquí obedece al hecho
de que, vistas en conjunto, constituyen la representación de la potencialidad
tecnológica más que de la realidad. Las visiones tecnológicas son la última
categoría de los sueños, esquemas audaces y fantasiosos que van desde lo improbable
al filo de lo imposible. Las primeras datan del siglo XV, cuando
aparecen por primera vez tratados que describían máquinas tan alejadas de las
posibilidades de la tecnología del momento que no podían presentarse con todo
detalle mecánico. Uno de los primeros libros de este tipo fue el Bellifortis
de Conrad Keyser (1405), notable por sus fantásticas máquinas de guerra. La
más famosa colección de máquinas visionarias del Renacimiento no fue revelada
sino hasta finales del siglo XIX. Estuvo oculta entre los cuadernos
personales no publicados de Leonardo da Vinci. Sus dibujos muestran algunos
de los mejores ejemplos de aparatos fantásticos: hay esbozos de máquinas voladoras,
paracaídas, carros blindados, catapultas gigantes, pistolas, máquinas de vapor,
planos de vapores impulsados por palas, trajes de buzo, dragas, automóviles.
Que sepamos, las fantásticas creaciones de Da Vinci fueron las primeras de este
alcance y poder de inventiva. No hay evidencias de que haya disminuido el vigor
y la popularidad de las visiones tecnológicas.
A pesar del fracaso de la tecnología en plasmar la utópica sociedad prometida por sus defensores de los siglos XVIII y XIX, y a pesar de los graves problemas estrechamente identificados con la tecnología del siglo XX, contaminación, guerras, las visiones del futuro siguen produciéndose y fascinando al público.
Siempre existe la posibilidad de que un hito tecnológico futuro facilite la
realización de los sueños tecnológicos. Sin embargo, la existencia y funcionamiento
de máquinas imposibles no puede alterarse nunca por los desarrollos tecnológicos
futuros porque violan las leyes científicas fundamentales. Las máquinas de movimiento
perpetuo son quizás las máquinas imposibles más conocidas. Durante más de 1500
años los ingenieros han ofrecido planes y construido en ocasiones máquinas que
por su construcción, materiales y lubricación, supuestamente habían de funcionar
eternamente. El Renacimiento fue una época en la que la invención de máquinas
de movimiento perpetuo se convirtió en asunto popular, usaban agua, aire o la
fuerza de gravedad. Todas ellas estaban pensadas para funcionar como un ciclo
cerrado; por ejemplo, la energía generada por una corriente continua de agua
fluyendo sobre una rueda de palas se utilizaba para bombear el agua que subía
hasta la rueda y así ad infinitum. Junto al movimiento perpetuo, algunos
inventores también prometían la producción de un excedente de energía que podía
utilizarse para mover la máquina de un molino de trigo u otro fin útil. El interés
aumentó en el siglo XVIII y alcanzó su cenit en el XIX
cuando muchas de las nuevas máquinas, así como las recientemente conocidas fuerzas,
electricidad y magnetismo, recibieron atención generalizada y cuando se puso
en claro el decisivo papel de la energía del vapor en la industria y el transporte.
En 1855-1903 se concedieron en Inglaterra cerca de quinientas patentes de máquinas
de movimiento perpetuo, y locura similar barrió EUA. Las máquinas
liberarían a las naciones de la necesidad de recursos naturales escasos como
el carbón y el petróleo. Resulta irónico que precisamente en la época en que
muchos inventores estaban convencidos de que pronto lograrían conseguir energía
ilimitada para la sociedad, los físicos describían las leyes de la conservación
de la energía. Si los partidarios del movimiento perpetuo hubiesen comprendido
estas leyes, hubieran sabido que era imposible que un aparato tuviese una producción
de energía superior a la consumida.
Las fantásticas máquinas creadas por la imaginación literaria o popular no se originan en la mente de inventores e ingenieros, lo que revela que este estímulo no se limita a los miembros de la comunidad técnica. Las fantasías tecnológicas pueden rastrearse al menos hasta el siglo XIII cuando Francis Bacon (1561-1626), filósofo inglés, profetizó que grandes barcos, sin velas ni remos, navegarían por ríos y mares; vehículos sin animales de tiro se moverían por tierra; máquinas voladoras, con alas batientes como las de un pájaro, surcarían los aires y que personas en trajes de buzo explorarían las profundidades oceánicas. Profecías similares han gozado desde antiguo de gran popularidad. La industrialización de los siglos XIX y XX alimentó la predilección por las predicciones tecnológicas fantásticas y la institucionalizó en el arte. En la literatura, la ciencia ficción se convirtió en la fuente más importante de máquinas fantásticas: Julio Verne, H. G. Wells, Karel Capek y las naves espaciales y armas láser que asombran al amante del cine moderno. Pero hay que recordar a Galileo Galilei, el primero en hacer notar que las máquinas no podían crear trabajo, que sólo permitían influir sobre la velocidad de su uso. Desde este punto de vista, con su tratado de mecánica (ca. 1600) asegura que uno no puede recibir más de lo que da, la naturaleza no ofrece regalos, ve claramente que el interés por las fuentes naturales de la energía reside en su bajo precio: "La caída de un río cuesta poco", dice, "es menos costoso mantener un caballo que a ocho hombres."
ANALOGÍAS ENTRE LOS ORGANISMOS Y LAS MÁQUINAS
Explicar la diversidad de los artefactos mediante una teoría de la evolución tecnológica exige comparar los organismos vivos y los instrumentos mecánicos. El crecimiento industrial generalizado, la capacidad del geólogo para determinar la edad de la Tierra y la teoría de Darwin sobre la evolución facilitaron la aplicación de las analogías orgánicas al ámbito tecnológico. Los usos literarios de la metáfora pueden verse en Erewhon (1872) de Samuel Butler donde se analiza la idea de que las máquinas se desarrollaran de forma similar a los seres vivos. Sus ideas inspiraron las fantasiosas novelas de ciencia ficción de los siglos XIX y XX, en que las máquinas en rápida evolución superan y sustituyen a los humanos, cuyo desarrollo evolutivo, según él, se había estancado. Butler advirtió a sus contemporáneos, orgullosos de sus logros industriales, de la conveniencia de detenerse y contemplar las amplias implicaciones del cambio tecnológico. Las máquinas, decía, han experimentado una serie de transformaciones muy rápidas, desde el simple palo de nuestros antepasados a la máquina de vapor de la actualidad. Este desarrollo en dirección de una mayor complejidad plantea la posibilidad de un reino mecánico que se sume a los reinos animal y vegetal. Sugería que considerar las máquinas como una nueva clase de seres vivos permitiría ordenarlas en géneros, especies y variedades. Decía que la historia de la tecnología muestra numerosos ejemplos de máquinas que cambian con el tiempo y sustituyen a los antiguos modelos que subsisten como partes de mecanismos mucho después de haber perdido sus funciones originales, y de máquinas en lucha por la sobrevivencia, si bien con la ayuda de los humanos. El criador de plantas o animales que practica la selección artificial, eligiendo ciertos especímenes para su propagación, está haciendo precisamente lo que hacen el constructor de máquinas y el industrial con la vida mecánica cuando planean una nueva empresa tecnológica. Como las máquinas son más potentes, precisas, seguras y versátiles que los humanos, y como las máquinas cambian rápidamente ante nuestros ojos, los humanos no pueden evitar pasar a un segundo plano en un mundo dominado por la tecnología. Por supuesto podríamos intentar poner freno a la evolución mecánica y destruirlas, como no podemos detener el progreso mecánico hemos de resignarnos, advertía, a aceptar el status de siervos de nuestros superiores.
La creencia en que la necesidad desencadena el esfuerzo inventivo es invocada para explicar la mayor parte de actividad tecnológica. Los seres humanos tienen necesidad de agua, y por tanto cavan pozos, encauzan ríos y corrientes y desarrollan la tecnología hidráulica. Necesitan refugio y defensa y construyen casas, fortalezas, ciudades e ingenios militares. Los humanos, así, utilizan la tecnología para satisfacer una necesidad. Si la tecnología existe para satisfacer a la humanidad en sus necesidades más básicas, ¿cuáles son estas necesidades y qué complejidad tecnológica se precisa para satisfacerlas? ¿Necesitamos automóviles? A veces se nos dice que son esenciales, pero apenas tienen un siglo de historia, Los hombres y mujeres llevaban una vida plena y feliz antes de que Nikolauss August Otto (1832-1891) inventara en 1876 su motor de combustión interna de cuatro tiempos. Investigar el origen del vehículo propulsado con motor de gasolina revela que no fue la necesidad lo que impulsó a sus inventores. El auto no se desarrolló en respuesta a una crisis relacionada con la escasez de caballos. Los gobernantes y pensadores no pedían la sustitución del caballo, ni los ciudadanos esperaban que los inventores llenaran la necesidad del transporte motorizado. De hecho, entre 1895 y 1905 el automóvil fue un juguete para los que podían comprarlo; W. C. Durant, creador de la General Motors, decía que antes de 1902 los automóviles "eran ruidosos, peligrosos, malolientes, perturbaban la tranquilidad y asustaban a los caballos". El camión fue aceptado más lentamente que el auto. El éxito del transporte militar en camión durante la primera Guerra Mundial, y la presión de los fabricantes y el ejército después de la guerra, determinó el desplazamiento del carro tirado por caballos y del ferrocarril. Pero el camión no fue creado para superar las obvias deficiencias del tiro por caballo y por máquina de vapor. Como sucedió con los autos, la necesidad de camiones surgió después. En otras palabras la invención de los vehículos dotados de combustión interna dio lugar a la necesidad de transporte motorizado.
Una última reflexión antes de adentrarnos en los humos de la gasolina y los carburantes: en México y América Central el transporte era desconocido hasta la llegada de los españoles pero los mesoamericanos, desde los siglos IV a XV fabricaron figuras de barro de animales dotados de ejes y ruedas para hacerlos móviles, es decir se conocía el principio mecánico de la rueda pero nunca lo pusieron en uso para el transporte de mercancías. Los historiadores aseguran que los mesoamericanos no utilizaron vehículos con ruedas porque no eran factibles dadas las características topográficas y la fuerza animal de que disponían. El transporte con ruedas depende de caminos adecuados y grandes animales de tiro capaces de arrastrar pesados vehículos.
Figura 3. Figura de barro de un animal con aplicación del principio de la rueda. Museo de Antropología, México.
¿CUÁNTOS ESCLAVOS TIENE USTED?
En la cadena agroalimenticia, la fotosíntesis es la reacción por la cual a partir de la energía solar, el agua y el bióxido de carbono, fabrican alimentos los vegetales. De éstos se nutren los animales, y es sabido que el hombre requiere consumir alimentos que le proporcionen entre 3 000 y 3 200 kilocalorías diarias. A esta cantidad le corresponde una potencia energética media de 150 vatios o si se quiere ver de otra manera diremos que el gasto energético humano equivale a tener permanentemente prendido un foco de 150 vatios. Volviendo al asunto de los consumos, en realidad el metabolismo básico emplea aproximadamente la mitad de ese gasto energético, ya que es la cantidad necesaria para mantener vivo a un organismo, digamos a una persona de 65 kg de peso, en reposo y a una temperatura de 20ñC. La otra mitad, 75 vatios, es la fracción que el ser humano convierte en trabajo muscular útil. Puede decirse entonces que el ser humano es una máquina que consume una potencia mínima de 150 vatios, con un rendimiento útil del orden de 50%. El hombre empezó a utilizar la energía solar fósil: el carbón, el petróleo y el gas acumulados en el subsuelo durante millones de años; la importancia de esta mutación puede apreciarse mediante los siguientes datos: la potencia media suministrada por el conjunto de todas las industrias para satisfacer las necesidades de los seres humanos es del orden de 2 kilovatios por habitante. Si dividimos estos 2 kilovatios por los 150 vatios que requiere un ser humano para mantenerse con vida, se obtiene una relación de 13; puede decirse entonces de manera simbólica que cada ser humano tiene 13 "esclavos mecánicos" a su servicio. Enumere los suyos, pero podemos garantizarle que entre ellos se encuentra algún tipo de transporte.
Se acepta hoy en día que el petróleo se generó a partir de vegetales que poblaban el planeta hace unos 3 000 millones de años en el caso de los yacimientos más antiguos y entre 100 a 600 millones de años para los más recientes. ¿Por qué la hipótesis de un origen vegetal es la más aceptada? La respuesta se basa en la semejanza estructural de las moléculas del petróleo con las de plantas marinas y terrestres. La complejidad de las moléculas de los hidrocarburos es tal que no se puede explicar su formación por los procesos geológicos, dicho en otras palabras, los procesos geológicos per se no generan estructuras, desde el punto de vista químico, sumamente complejas en su síntesis. Sin embargo hemos de mencionar que algunos autores afirman que toda la gama de hidrocarburos existentes en el petróleo se formó en las entrañas de la Tierra a partir del metano, el hidrocarburo más sencillo de todos desde el punto de vista estructural, y hay quienes dan origen extraterrestre a estos carburantes fósiles.
¿SE PUEDE SABER CUÁNTO PETRÓLEO NOS QUEDA?
La incertidumbre siempre ha sido compañera de la historia de la humanidad y de nuestra vida cotidiana. Permanentemente debemos tomar decisiones en un contexto en el que nuestras apreciaciones no son lo claras que quisiéramos. Disponemos de nuestra experiencia pasada y del saber acumulado pero nunca estamos seguros de haber hecho el mejor diagnóstico. En el caso particular de la vida económica, la incertidumbre es el factor predominante. ¿Cómo prever lo que una inversión redituará en 20 años? El problema depende de parámetros muy diversos como la evolución política o el progreso tecnológico, que salen del cuadro económico. Kenneth Galbraith, connotado economista, solía decir con respecto a quienes hacen predicciones: "los hay quienes no saben lo que va a suceder y los que tampoco saben predecir porque no tienen idea de cómo hacerlo." La pregunta que mucha gente se hace, al conocer la producción de barriles diarios de petróleo en México o en el resto del mundo es: ¿para cuántos años más alcanza el dichoso material? En la figura 4 mostramos en primer término las reservas mundiales de petróleo en millones de barriles en función del año, en segundo término para aquellos más exigentes, en la parte inferior se presentan las reservas de petróleo por país productor.
Estos datos se refieren a las reservas probadas, la cantidad de petróleo que según los datos geológicos y la información de los ingenieros indican que son recuperables con base en el conocimiento de yacimientos bien localizados y de acuerdo con las condiciones actuales de la economía y la tecnología. La figura 5 nos muestra la producción mundial del petróleo en miles de millones de barriles por día.
Figura 4. (a) Variación de las reservas mundiales de petróleo en miles de millones de barriles; (b) reservas por país en millones de barriles.
Si se divide las reservas probadas (R) por el ritmo de la demanda actual, que no es otra cosa que la producción anual (P) obtenemos el lapso de tiempo que esas reservas durarán, que es lo que aparece en la figura 6. Hay que considerar que la economía dicta en buena medida el dato de las reservas probadas pues basta que aumente el precio del crudo para que ciertos yacimientos que no eran considerados rentables se sumen a las reservas probadas. Durante la década de los años 70 se dieron dos incrementos de precios del petróleo, el primero en 1973-1974 y el segundo en 1979-1981. En 1985 el precio del crudo se desplomó y desde entonces se ha mantenido en niveles bajos.
Algo que resulta interesante se muestra en la figura 7 en la que se dan los pronósticos de las compañías dedicadas a la predicción financiera de lo que costaría el petróleo en el año 2010 en los periodos de 1983 a 1995. En 1983 se pensaba que el barril de petróleo costaría tres veces más de lo que se pensó en 1995. Por supuesto el valor de las reservas lo dictamina la cantidad de dinero que se destina a la exploración de yacimientos. Es lógico pensar que en 1983, con la perspectiva de precios muy altos a futuro del petróleo, el dinero destinado a su búsqueda y por lo tanto a incrementar el número de reservas era mayor que un par de años después cuando los precios ya no parecían atractivos.
LA DEMANDA DE PETROLÍFEROS HASTA 2020
La demanda de petrolíferos seguirá teniendo un crecimiento sostenido hasta el año 2020 y más. Varios factores intervienen para que las predicciones no sean extremadamente precisas: una de ellas es obviamente el crecimiento esperado de la población mundial que tiene aproximadamente un ritmo anual de 1.4%. Ahora, ¿cuánta energía será necesaria para esa época? Una primera respuesta es que la solidez económica de un país o región conlleva a una reducción en la intensidad energética. También se espera que, durante los próximos treinta años y aún después, aumenten en términos reales los precios de la energía en el mundo, especialmente los del petróleo y gas natural.
Figura 6. Relación histórica entre las reservas y la producción mundial de petróleo, R/P, en función del tiempo.
Figura 7. Pronóstico del costo del barril de petróleo para el año 2010 en función del año en que se realizó la estimación, expresado en dólares.
Hemos visto que la relación entre reservas de petróleo/producción es actualmente
del orden de 40 años. Veamos la relación que existe con otros combustibles fósiles:
carbón, 197 años, lignito 293 años y gas natural 56 años. Hay que recalcar que
existe una marcada dependencia con respecto a los combustibles fósiles hasta
que se encuentren fuentes de energía alternas y es ahora cuando hay que tomar
conciencia e iniciar las acciones necesarias por sustituirlos. Hasta entonces
habrá que afrontar los siguientes hechos:
| • los combustibles fósiles serán la base del suministro de energía durante muchas décadas |
| • la demanda de carbón, petróleo y gas natural crecerá posiblemente durante algunas décadas |
| • el carbón es el único combustible fósil con reservas suficientes para continuar empleándose mucho más allá de mediados del próximo siglo. |
De la lectura de este libro quedará en claro que los combustibles fósiles, al ser quemados, contribuyen al cambio climatológico en marcha. En consecuencia, se podría llegar a exigir la sustitución del carbón y probablemente del petróleo, en cuyo caso, para los que opinen así, las reservas recuperables de combustibles fósiles dejará de tener importancia. Por lo tanto el suministro de energía de otro origen debe adelantarse y difundirse a escala mucho mayor que la actual.
Veamos los datos energéticos que se tienen para México: a fines de 1995 las reservas probadas son de 63 220 millones de barriles de los cuales 43 127 son crudo, 6 648 líquidos del gas y 13 445 gas seco, calculado como petróleo equivalente.
A los ritmos actuales de producción y consumo, la vida media de estas reservas oscila entre 41 y 48 años. En la región marina se localiza 47% de las reservas de hidrocarburos que concentran 55% de las de petróleo. En esta región se encuentran los yacimientos más importantes del país. La región sur acumula 30% de las reservas de gas y 17% de las de petróleo. En la norte se ubica la tercera parte de los hidrocarburos y se concentra 53% de las reservas totales de gas. Para los que se muestran atentos a los datos geográficos hemos de decir que las cabeceras regionales se ubican a lo largo de la costa del Golfo de México: Poza Rica,Veracruz (Región Norte), Villahermosa, Tabasco (Región Sur) y Ciudad del Carmen, Campeche (Región Marina).
En la figura 8 se pueden apreciar los valores de reservas de hidrocarburos para las diferentes zonas geográficas de México.
La producción promedio de crudo en 1996 es de 2.85 millones de barriles diarios y para los adoradores de las cifras diremos que paralelamente se extraen unos 1 295 millones de metros cúbicos diarios. Más aún, del crudo producido diariamente 1 336 000 barriles son de tipo pesado y la Sonda de Campeche contribuye con 74% del total, al mismo tiempo que produce aproximadamente 11 600 millones de metros cúbicos de gas natural.
LOS TIPOS DE MOLÉCULAS EN LOS CRUDOS
El petróleo o aceite crudo se describe así: "material que ocurre naturalmente en la tierra y que está predominantemente compuesto de una mezcla de compuestos químicos a base de carbón e hidrógeno con o sin otros elementos no metálicos como el azufre, el oxígeno, nitrógeno, etc. El petróleo puede contener, o estar compuesto de esas sustancias en el estado gaseoso, líquido o sólido, dependiendo de la naturaleza de estos compuestos y de las condiciones existentes de temperatura y presión." Hay muchas maneras de clasificar los crudos, quien no es experto en la materia puede confundirse con tanto nombre. Hay quien los diferencia en "ligeros" y "pesados", bien por la región de donde provienen o por su contenido de azufre o, como veremos más adelante cuando hablemos del tipo de moléculas, se les denomina de tipo parafínico, nafténico o intermedio entre ambos tipos de moléculas. Primero demos un vistazo a la manera de unirse de las moléculas de hidrocarburos para luego con esas armas tratar de clasificar los crudos. La manera como se unen los átomos de carbono e hidrógeno determina familias de hidrocarburos; la regla de unión es sencilla de entender y consiste en que el átomo de carbono tiene cuatro manos, ligaduras diríamos en química, para asirse del hidrógeno que sólo cuenta con una para el mismo propósito. Por ello la molécula más simple de hidrocarburo que podemos encontrar es la del metano, CH4.
Figura 8. Reservas de hidrocarburos en México por regiones, millones de barriles.
Hidrocarburos saturados, también llamados parafinas
normales = en este caso se trata de cadenas continuas de carbonos. A manera de ilustración representamos al butano, alcano de cuatro carbonos lineales.
isoparafinas = las cadenas de hidrocarburos son ramificadas como se muestra a manera de ejemplo para el isobutano.
Si se observan las estructuras del isobutano y la del butano, se puede afirmar que sólo existen dos maneras en que los átomos de carbono se unen entre sí; se dice que el butano y el isobutano —los dos contienen cuatro carbonos— son isómeros. Aunque tienen el mismo número de átomos de carbono e hidrógeno, su estructura y propiedades físicas y químicas son diferentes. Al aumentar el número de átomos de carbono lo hace también el de isómeros, así un compuesto con 9 carbones tiene 35 isómeros, pero uno de 25 tiene ñ36 797 588!
cíclicos = los hidrocarburos de este tipo, también llamados naftenos, son ciclos de carbonos como se pueden observar en el caso del ciclohexano.
alquenos = contienen ligaduras carbono= carbono dobles. Obviamente los hay formados de cadenas continuas o ramificadas. Se les llama también olefinas
alquinos = en estos compuestos la ligadura del carbono con el que le sigue es triple
La figura del acetileno
arenos = también conocidos como aromáticos; veamos tres ejemplos que ilustran su estructura, la del benceno, la del tolueno y la de un xileno.
Existen también aromáticos policíclicos en los que uno o varios anillos aromáticos se unen entre sí, el más sencillo lo representa el naftaleno en el cual dos anillos de benceno se fusionan
NAFTALENO
Todo lo que hemos descrito tiene como función hacer ver que los crudos contienen
inmensas variedades de compuestos, y con base en el mayor o menor contenido
de alguna de las familias de productos químicos presentes se les puede agrupar
en:
| • parafínicos |
| • intermedios |
| • nafténicos |
según la predominancia de algunos de estos tipos de compuestos en el crudo.
La clasificación tal vez más empleada y conocida es la que se basa en su densidad,
de acuerdo con la definición de una institución dedicada durante muchos años
a su investigación y caracterización profunda. Hela aquí:
• ligeros Densidad API mayor de 30 grados |
• intermedios Densidad API entre 20 y 30 grados
|
• pesados Densidad API entre 10 y 20 grados
|
La densidad API (definida por el American Petroleum Institute) es una clasificación en la que se basan muchos petroleros para definir el tipo de crudo. Puede parecer confusa al principio, veamos si podemos aclarar este asunto. Como sabemos, la densidad en el sentido del API no es más que el cociente del peso de un cierto volumen de una sustancia a una cierta temperatura, relacionada al mismo volumen de agua a la misma temperatura determinada y corregida por ciertos parámetros de medición que no vale la pena adentrar aquí. Aclaremos, un crudo de 40 API (densidad igual a 0.825) tiene por lo general, un valor mayor que un crudo de 20 API (densidad 0.934) debido a que contiene más fracciones ligeras (por ejemplo gasolina) y menor cantidad de constituyentes pesados tales como residuos de asfalto. Cuanto menor es el valor de la densidad API más viscoso es el crudo, su proceso de refinación y transformación de moléculas requiere de procedimientos cada vez más costosos y complejos, de ahí que su precio sea menor que el del crudo ligero que proveerá gran proporción de carburantes con menor inversión en su refinación. Una vez extraído, el crudo se lleva a una refinería donde se le calienta para destilarlo. En función de las propiedades, las moléculas pasan a la etapa de vapor separándose del líquido a diferentes temperaturas. En los procesos de destilación que se realizan en la refinería todavía no hay transformación química, el objetivo es separar al menor costo los distintos cortes intermedios para su procesamiento posterior. La gasolina natural que se obtiene directamente de la destilación, también conocida como "gasolina ligera" se usó de 1900 a 1915. En la figura 9 se esquematiza cuáles son los principales productos de la destilación de un crudo y el destino de los diferentes cortes que se le hacen.
La mejoría en los motores de combustión requirió máquinas de mayor compresión y se creó una demanda de productos con mayor índice de octano, parámetro del que hablaremos más adelante. La única forma de aumentar el octano en la gasolina era añadir aditivos especiales o desarrollar una tecnología de procesamiento del petróleo. Cada crudo genera fracciones que tienen propiedades diferentes a medida que se calientan y es bien conocido que los crudos pesados una vez destilados dejan mayor cantidad de productos que son más difíciles de refinar que los crudos ligeros. Un crudo contiene hidrocarburos que van de uno a sesenta átomos de carbono, los vehículos requieren productos cuyos átomos de carbono van desde uno, que sería el caso del gas metano, de tres si usa propano para moverse y un conjunto de moléculas que van desde los seis a los doce átomos de carbono, con estructuras particulares, si hablamos de la gasolina. La común y corriente contiene unos 500 hidrocarburos y como no se encuentran presentes en los crudos pesados es necesario realizar procesos de transformación en las refinerías para producir la mezcla apropiada. Todos ellos emplean cortes de crudo obtenidos en la destilación.
Figura 9. Productos de la destilación y sus diferentes usos.
Datos adicionales de los crudos mexicanos (Istmo y Maya) comparados con los
de otros países se pueden observar en la figura 10 que muestra los grados API
de crudos ligeros y pesados, asociados al porcentaje de azufre que, como
veremos, es necesario eliminar de los crudos por su toxicidad sobre el medio
ambiente.
Veamos en la siguiente Tabla las temperaturas más comunes a que se fraccionan
las diferentes corrientes de crudo destinadas a ser transformadas químicamente
para obtener entre otros productos la gasolina:
| Corte | Temperatura de ebullición |
| Gasolina ligera de torre atmosférica | 85 ñC |
| Gasolina pesada o nafta | 104 ñC |
| Querosina | 271 ñC |
| Gasóleo atmosférico | 321 - 430 ñC |
| Gasóleo de vacío | 510 - 565 ñC |
Figura 10. Características de crudos ligeros y pesados. Grado API y porcentaje de azufre en peso. El Olmeca, Istmo y Maya son mexicanos.
LOS INICIOS DEL USO DE LOS CARBURANTES
El gas de hulla y el petróleo pasaron a ser de uso general por primera vez
en el siglo XIX, aunque eran conocidos desde mucho antes. Ambos
son compuestos químicos que tienen el carbono y el hidrógeno como principales
componentes. El gas de hulla es rico en un hidrocarburo, el metano y el petróleo
son una compleja mezcla de hidrocarburos. En 1900, cuando la industria del automóvil
aún no salía de su infancia, el papel desempeñado por el petróleo era insignificante.
El gas, por el contrario, alcanzaría en el curso del siglo un completo desarrollo
tecnológico como fuente de luz y de calor así como de energía para el motor
de gas.
El uso del gas en la iluminación tuvo muchas contribuciones, una de las primeras e importantes es la de Philippe Lebon, ingeniero francés que estudió la combustión del carbón vegetal. En 1791 comenzó a analizar el gas que produce la combustión de la madera y concluyó que podía obtenerse en una retorta de hierro, enfriado y utilizado posteriormente para el alumbrado, la calefacción o para globos, resultados que patentó en 1700. Lebon no sólo demostró la utilidad práctica sino que su vehemente imaginación se adelantó a casi todas sus posteriores aplicaciones: la suave luz ardiendo en un globo de cristal y la conveniencia de distribución por el interior de la casa por medio de pequeñas cañerías. Poca atención le prestaron los franceses enfrascados en las guerras napoleónicas. William Murdock, joven mecánico escocés, usó en 1798 retortas de hierro colado, puestas al rojo, para generar el gas, e iluminó el edificio principal de la fábrica donde trabajaba durante muchas noches sucesivas según cuentan los escritos de la época. En 1804 empezaron a producir lámparas. Algunos de los quemadores eran del tipo Argand, adaptación de un diseño original de Amado Argand, físico, matemático y químico italiano. El aparato tenía una mecha cilíndrica y por su centro circulaba aire. Una chimenea de cristal la protegía. Tenía la desventaja de producir mucho humo, lo que no impidió que en los primeros años del siglo un tal Andrew Ure sostuviera que la luz del gas podría reemplazar la del Sol, de modo que no sería una aberración moral obligar a los niños a laborar doce horas diarias en las fábricas. Pasamos a 1823, cuando 52 ciudades inglesas tenían iluminación por gas. En 1816 Baltimore, EUA, era también alumbrada con gas, seguida por Boston y Nueva York. París empezó en 1819 con el Palacio Real. En lo que se refiere a otros usos del gas, las ideas de Lebon inspiraron a Z. A. Winzler quien en diciembre de 1802 ofreció una cena con alimentos preparados en una cocina de gas en un comedor con calefacción de gas. Esta cocina pronto se hizo popular en el decenio 1870-1880.
El uso de los derivados del petróleo es muy anterior al del gas de hulla. Entre
el Nilo y el Indo hay al menos treinta sitios donde aparecen yacimientos superficiales
de petróleo, estas concentraciones son más numerosas en la región mesopotámica.
Para los asirios del siglo IX a.C. los escapes de gas marcaban
"el sitio donde salía de las rocas la voz de los dioses". El líquido inflamable,
misterioso y sin utilidad práctica a ojos de los antiguos fue llamado nafta
por los babilonios que quiere decir "la cosa que arde"; y sólo la roca asfáltica
sólida y las filtraciones más espesas eran consideradas útiles para la preparación
del betún. El famoso "fuego griego" que desempeñó un papel tan importante en
la defensa del Imperio bizantino a partir del siglo VII no tenía
una fórmula concreta, pero su ingrediente secreto esencial parece haber sido
la nafta. Aunque los gases inflamables y los afloramientos de Bakú habían
sido descritos por Marco Polo, despertaron mayor interés los informes procedentes
del Nuevo Mundo durante el siglo XVI, relativos a los afloramientos
cercanos a La Habana y que se podían utilizar para calafatear barcos. A una
materia bituminosa con la que los aztecas hacían una especie de chicle y al
lago de asfalto de 5 km de circunferencia en la isla Trinidad.
La moderna industria del petróleo surgió de la necesidad de mejorar el alumbrado de casas, fábricas y calles, al incrementarse la actividad humana a finales del siglo XVIII como resultado de la Revolución Industrial. La perforación de pozos muy profundos no era una novedad, aunque se viese limitada por la falta de taladros lo suficientemente potentes, de energía mecánica para taladrar y la incertidumbre del resultado. La apertura de los yacimientos fue favorecida por la búsqueda de sal o aguas salinas. Las torres de perforación y la aplicación de la máquina de vapor ayudaron en esta tarea. Entre los pozos perforados en búsqueda de agua se encontraron algunos que contenían petróleo lo que llevó al industrial estadunidense George H. Bissell a buscar petróleo en Estados Unidos, pero antes envió una muestra a Benjamin Silliman, catedrático de química de Yale. De ella se obtuvieron, al calentarla en condiciones controladas, diversos productos aparte del gas de alumbrado, lo que luego se llamaría gasolina y que por años se consideró inútil y peligrosa, ceras, lubricantes y combustible para lámparas que al arder no dejaba residuo ni se inflamaba al contacto de un cerillo encendido sino únicamente si había una mecha impregnada del líquido. El residuo que quedaba después de obtener los productos anteriores sustituyó con ventaja al carbón en las calderas de las locomotoras y a fines del siglo XIX se empleaba como único combustible en la mayoría de los ferrocarriles de EUA.
La primera Guerra Mundial cambió notablemente la demanda y calidad requerida de la gasolina. Las máquinas de combustión interna necesitaban de un cociente de alta potencia en relación al peso de los artefactos, en especial luego que los hermanos Wright realizaron el primer vuelo en una nave más pesada que el aire en 1903. El uso de bajos cocientes de compresión se podía evitar si la calidad del combustible mejoraba y en aquella época la única manera de resolver el problema era emplear gasolina con componentes de hidrocarburos más pesados como los que se obtenían en Borneo en lugar de los crudos ligeros de Pennsylvania y Oklahoma.
En México, durante la época precortesiana, se empleó el petróleo como material de construcción, medicina, pegamento, impermeabilizante y para limpiar y blanquear la dentadura. En la iluminación se empleó hacia 1862 en una mina cerca del cerro del Tepeyac. En 1901, en la hacienda "El Tulillo" del municipio El Ébano, San Luis Potosí, el 14 de mayo a una profundidad de 165 m brotó petróleo con tal fuerza que expulsó la herramienta de fondo. El pozo produjo unos 500 barriles de petróleo diarios; recuérdese que un barril equivale a 0.159 mñ y también aproximadamente es algo así como 0.136 toneladas. Como dato anecdótico mencionaremos que el famoso pozo Cerro Azul número 4, en 1916, al llegarse a los 410 m de profundidad, como un volcán que despierta de su letargo lanzó las piezas de perforación a 33 m del lugar por la fuerza del gas que brotaba y siete horas después apareció el petróleo en una columna que alcanzó 180 m de altura. Se calculó en aquella época que el pozo producía alrededor de 260 000 barriles diarios.
PROCESOS INDUSTRIALES PARA OBTENER GASOLINA
Al mencionar que existen procesos industriales para obtener el preciado carburante, se concluye que la destilación del crudo no provee la cantidad suficiente y además, podemos decirlo, la que se obtiene del crudo directamente no sirve de mucho en los automóviles modernos. La manera de resolver el problema consiste en transformar de diversas maneras los cortes del crudo, es decir reestructurando las moléculas originales en estructuras más útiles para ser quemadas en un automóvil. Al final de la primera Guerra Mundial era claro que la composición de la gasolina desempeñaba un papel vital en el buen funcionamiento de los autos, sobre todo cuando se decidió que era necesario mejorar la eficiencia mecánica de los aparatos incrementando la relación de compresión. En los laboratorios de la General Motors se inició una campaña de investigación para determinar cómo los hidrocarburos se quemaran sin producir detonaciones indeseables en el motor. Se estableció que los hidrocarburos aromáticos eran los más resistentes y las parafinas los menos. Los alcoholes, como carburantes, se vio, que prevenían la detonación. Era necesario fortalecer la industria de la transformación química para obtener los productos deseados, los grandes laboratorios se pusieron a trabajar y surgieron los procesos necesarios para aumentar la calidad y cantidad de productos deseables como componentes en la gasolina.
Desintegración catalítica: como su nombre lo indica, en el proceso se rompen los hidrocarburos de cadena larga que componen el gasóleo pesado, generándose gasolina que contiene 30% de aromáticos y de 20 a 30% de olefinas, además de compuestos más ligeros. De todos los procesos de conversión que existen la desintegración representa 57% de la capacidad total a nivel mundial.
Ya en 1861 se sabía que calentando las fracciones pesadas del crudo, se generaban las llamadas "reacciones de desintegración" que conducían a la formación de fracciones de hidrocarburos más ligeros. El desarrollo fundamental del proceso se debe a Eugene Houdry (1892), ingeniero francés quien se inició en la fabricación de acero, y que gustaba de competir en carreras de autos, pero pronto aprendió que las limitaciones de la máquina eran resultado de la calidad del carburante. Sus experimentos con gasóleos de Venezuela y catalizadores de tipo arcilloso condujeron a la primera planta de procesamiento en EUA a mediados de los años 30. En la figura 11 se esquematizan las propiedades y destino de los productos de la desintegración catalítica. Las reacciones principales que se llevan a cabo durante el proceso se indican en la figura 12. Se concluye que la desintegración es un proceso de conversión de los productos pesados, llamados residuales, en otros más ligeros y de mayor valor. La alimentación a esta unidad viene directamente de la torre de la destilación y sus productos, entre ellos la gasolina, que tienen diversos destinos en la refinería.
Isomerización: convierte las moléculas de cadena lineal en hidrocarburos isómeros de cadenas ramificadas. El proceso es una fuente alterna para incrementar el octanaje de la gasolina y generalmente su materia prima es la gasolina natural que se separa del crudo por destilación. En la figura 13 se dan algunos de los objetivos que tiene el proceso.
La reacción para el caso de la transformación del butano normal en isobutano fue descubierta por Herman Pines y Vladimir Ipattieff, éste, un emigrado ruso, fue inventor de numerosos procesos catalíticos para la transformación de hidrocarburos. Se cuenta que al cumplir 70 años recibió un telegrama de felicitación de su amigo Nobel, su comentario fue: "De Nobel recibo alabanzas pero no el premio".
Reformación: convierte los hidrocarburos saturados en aromáticos, entre otras cosas, el producto final puede tener 60% de ellos, además de generar también isoparafinas. Este proceso nació en los años 30 y la primera planta fue construida en 1940. Inicialmente el proceso no se concibió para obtener gasolina sino para producir tolueno, con el cual se genera el trinitrotolueno, el explosivo TNT. En la figura 14 damos algunas reacciones típicas que se suceden en el proceso así como los porcentajes en volumen de componentes alimentados y productos obtenidos.
Figura 11. Desintegración catalítica: propiedades de los productos y destino de los mismos
Figura 12. Algunas reacciones típicas del proceso de desintegración catalítica.
Figura 13. Objetivos del proceso de isomerización.
La reformación es un proceso que aumenta el octanaje de una corriente y su destino es formar parte de la gasolina. A nivel industrial se lleva a cabo en presencia de un catalizador de platino incorporado a un óxido de aluminio. Vladimir Haensel sentó los principios básicos de este proceso.
Figura 14. Reformación catalítica: reacciones típicas.
Alquilación: en ésta se hacen reaccionar olefinas con isoparafinas para hacer crecer la cadena de hidrocarburos y ramificarla. Generalmente el producto que se obtiene está dentro del rango de las gasolinas y contribuye en forma importante al volumen de ésta. En la figura 15 se muestran algunas reacciones químicas que se llevan a cabo durante la alquilación.
El proceso se desarrolló durante la segunda Guerra Mundial y proveyó un componente esencial de la gasolina necesario para los aviones, el cumeno. La reacción fue también descubierta por V. Ipatieff. Mediante un proceso catalítico se hace reaccionar benceno con propileno. Terminada la guerra el proceso se orientó a producir reacciones de alquilación pero esta vez empleando otros componentes, así como para producir una fracción que se incorporaba a la gasolina, figura 16.
Para los interesados en conocer la ubicación, capacidad de procesamiento en millones de barriles por día (MBD), año de su construcción y principales puntos de abastecimiento de la República Mexicana, la figura 17 presenta los centros de procesamiento del país.
Figura 17. Principales refinerías mexicanas. Capacidad de producción en millones de barriles diarios (MBD).
De acuerdo con Francis Bacon, la ciencia debería dividirse en dos: aquella cuyos experimentos proveen luz y los que dan frutos. La primera sería una necesidad fundamental de la ciencia pues la búsqueda de la Luz da a los estudiosos el conocimiento de los principios necesarios y de las leyes que rigen la naturaleza. Pero el científico debe buscar con tenacidad la forma de que su trabajo dé frutos, lo cual es el objetivo final de la ciencia, en la medida que los frutos benefician la vida de los hombres. Sin embargo la conexión entre ciencia y tecnología es mucho más compleja y nunca sólo jerárquica. En segundo, el conocimiento científico que estimula la innovación tecnológica no tiene que ser el último ni presentarse en forma pura; concepciones de adelantos científicos de segunda o tercera mano sirven adecuadamente a la tecnología. En tercer lugar, la ciencia dicta los límites de las posibilidades físicas de un artefacto, pero no determina su forma final. La afirmación de Aristóteles de que no existía el vacío en la naturaleza fue combatida en el siglo XVII por Galileo, Torricelli, Pascal, Otto von Guericke y otros autores que contribuyeron al desarrollo de la neumática y probaron que la atmósfera de la Tierra ejerce una presión; construyeron bombas capaces de evacuar el aire de contenedores pequeños y estudiaron el vacío generado en laboratorios rústicos. En 1680, Christian Huygens ideó una máquina en que se hacía explotar pólvora en un cilindro cerrado por un pistón. Cuando se encendía la pólvora, la mayor parte de los gases calientes en que se convertía, junto con parte del aire que estaba en el interior del cilindro, dilatado por el calor, eran expulsados a través de válvulas de escape. Al enfriarse, las válvulas se cerraban y se creaba un vacío parcial en el interior del cilindro. Una vez frío, el gas ocupaba un espacio mucho menor que cuando estaba caliente y en consecuencia la presión atmosférica llevaba al pistón hacia el fondo del cilindro. Dos desventajas tenía este aparato: el vacío sólo era parcial pues se formaban residuos de la combustión, y había que usar pólvora para el cilindro, asunto bastante peligroso. Entre los que investigaron también los usos prácticos del vacío se encuentra el francés Denis Papin (1647-1712) quien realizó experimentos con el vapor de agua. En 1690 expuso sus ideas en las que describe el modo de actuar de las primeras máquinas de vapor:
puesto que el agua goza de la propiedad de que una pequeña cantidad de ella transformada en vapor por medio del calor tiene una fuerza similar a la del aire, y de que por medio del frío se transforma de nuevo en agua, de manera que no queda ni rastro de aquella fuerza elástica, he llegado a la conclusión de que se pueden construir máquinas en cuyo interior se puede producir el vacío perfecto
Papin había descubierto el principio clave del motor atmosférico y comprobado que con cilindros y pistones de adecuado tamaño sería posible realizar un trabajo útil, figura 18. En un artículo en que describía estos experimentos sugería que podía utilizarse la energía atmosférica para elevar el agua y minerales de minas profundas, impulsar balas y mover barcos.
El principio del método fue llevado rápidamente a la práctica por Savery, Newcomen y Smeaton quienes diseñaron las máquinas de vapor. En Inglaterra, la patente de Robert Street (1791) de un motor que funcionaba con gas y en Francia la de Lebon (1799) marcan el inicio de una larga serie de esfuerzos que no dieron grandes resultados sino por 1860. La patente de Street es la primera que considera el uso de gas proveniente de la hulla como carburante. Pero es al ingeniero suizo lsaac de Rivaz (1752-1828) a quien se acredita la construcción del primer vehículo accionado por una máquina de combustión interna basada en su diseño de 1813 de una máquina de gas que se encendía con una chispa. En 1860 Etienne Lenoir, ingeniero francés, construyó una máquina a base de un motor de gas cuyos requerimientos de potencia no excedían tres caballos de fuerza y, a pesar del enorme consumo de gas que necesitaba, la máquina fue empleada en amplia variedad de usos. La causa de su falta de economía al principio no fue entendida, pero la polémica científica que se prolongó durante los siguientes dos años condujo a notables recomendaciones de los requisitos primarios que desencadenaron máquinas como la de Schmidt (1861) y la de Alphonse Beau de Rochas (1862). El primero hizo hincapié en la importancia que tenía la compresión de la mezcla explosiva; el segundo sugirió que las varias operaciones que se llevaban a cabo en el cilindro se redujeran a un ciclo que requiriera cuatro golpes de pistón, anticipándose al famoso sistema de Nikolaus August Otto (1832-1891), quien en 1861 concibió la idea de construir una máquina de compresión con ignición controlada que trabajaba basada en un ciclo de cuatro tiempos y controlado por válvulas que regulan la entrada de combustible y la expulsión de los productos de la combustión. En el primero, la mezcla explosiva se introduce al cilindro, ésta es comprimida por el émbolo y luego encendida por una flama, un tubo caliente o una chispa eléctrica; en el tercero, la fuerza de la explosión lleva al émbolo a su posición de partida y, durante el cuarto, el émbolo en su recorrido de vuelta expulsa los productos gaseosos de la combustión, quedando todo dispuesto para la repetición del ciclo. El concepto revolucionario de operación del "ciclo Otto" fue aplicado con éxito en 1876. Los motores de Otto llegaron al máximo de popularidad en 1917 culminando así su asociación con Eugen Langen con quien fundó la primera fábrica en el mundo (Alemania, 1864) para producir autos. La dificultad entonces era la falta de carburante, si bien los combustibles derivados del petróleo empezaban a ganar la batalla al gas de la hulla. Las razones eran entre otras la disponibilidad de gas, restringido por falta de gasoductos, además era más atractivo pensar en un combustible líquido que se pudiera transportar y almacenar fácilmente y fuese introducido en el interior del motor por la simple fuerza de gravedad y que diera más calor por unidad de peso que el carbón. Los primeros combustibles líquidos que se usaron eran del tipo queroseno, que al ser comprimidos se encienden espontáneamente y por tanto se prescinde de una ignición externa. Un importante tipo de máquina de combustión interna fue llevada a escala industrial por Rudolf Diesel en 1895. El principio del método había sido sugerido por De Rochas en 1860.
Este motor se basa en el principio de emplear la elevada temperatura que alcanza el aire comprimido como medio para encender una carga de vapor de aceite o gas. Los motores tenían una cámara de ignición separada conectada con el cilindro, Diesel (1858-1913) buscó alcanzar la eficiencia térmica más elevada impidiendo las pérdidas de calor. Nacido en París de padres alemanes, estudió ingeniería en Munich. Después de su doctorado, estudió termodinámica en Suiza con Sadi Carnot y ahí desarrolló sus teorías para aumentar la eficiencia de las máquinas de combustión interna. Ya existían varias patentes entre 1890 y 1892 referentes a la introducción gradual de carburante en aire que había sido altamente comprimido de manera tal que su temperatura era lo suficientemente alta para encender, espontáneamente al ponerse en contacto. Un artículo de las teorías de Diesel publicado en 1893 fue recibido con entusiasmo por los ingenieros alemanes que dedicaron esfuerzos a ponerlos en práctica. Diesel experimentó con gasolina: la ignición fue tan violenta que el aparato que marcaba la presión del cilindro salió disparado pasando a pocos centímetros del inventor.
La primera máquina tenía una eficiencia mecánica de 34.2% superior a lo que había en el mercado. Los primeros usos industriales de los motores diesel fueron las áreas industrial, marina y el ferrocarril con muy pocos en las carreteras y el transporte aéreo. Sin embargo, la falta de gasolina en Alemania después de 1918 estimuló el desarrollo de las máquinas diesel, particularmente por la firma Daimler-Benz. Después de la segunda Guerra Mundial se incrementó notablemente el desarrollo de los motores en todos los países europeos. Los resultados de la investigación condujeron a producir máquinas de alta velocidad que compiten con los motores a gasolina. La velocidad de estas máquinas se incrementó a 1000 revoluciones por minuto de las 250-350 iniciales y más adelante se alcanzaron 3 000 revoluciones por minuto; otro punto importante fue que el peso de los automóviles oscilaban entre 9 y 15 libras por caballo de fuerza. Todo esto condujo a ampliar el transporte aéreo y terrestre con equipo de alta velocidad.
Los principios básicos de las máquinas de combustión interna a gasolina son los mismos que los de los motores a gas y de aceite pesado que hemos descrito. Las diferencias importantes estriban en los sistemas de inyección e ignición del combustible. El primer motor a gasolina del alemán Gottlieb Daimler fue patentado en 1885 y consistía en una máquina de un solo cilindro vertical, refrigerada por aire y que funcionaba según el ciclo Otto. La mezcla explosiva se preparaba haciendo pasar aire a través de la gasolina dentro de una cuba de nivel constante y se encendía por medio de un tubo calentado desde el exterior e inserto en la culata del cilindro. Al mismo tiempo, Karl Benz se dedicaba a la construcción de motores pensados especialmente para automóviles. El motor construido en 1885, con un solo cilindro, difería del anterior en que estaba situado en posición horizontal, disponía de un sistema eléctrico de ignición y era capaz de moverse a velocidades relativamente reducidas, luego el sistema de ignición se provoca por medio de una bobina eléctrica de inducción, alimentada por un acumuladon. La chispa era producida por medio de una bujía desmontable. Más adelante aparece el carburador de flotador, inventado por W. Maybach en el cual el nivel de gasolina en la cuba se mantiene constante por medio de un flotador que mueve una válvula de aguja. La cuba de nivel constante comunica, a través de un surtidor muy fino, con el orificio de admisión del cilindro: la succión del cilindro hace que se inyecte en la toma de aire una lluvia extremadamente fina de gasolina, y la historia continua hasta el coche moderno no sin antes hablar brevemente de un motor concebido en 1816 por Robert Stirling. En su motor, el movimiento de los pistones no se debe a la combustión interna que es discontinua y generalmente incompleta, de la mezcla aire-combustible. Funcionaba a base de un fluido, que podía ser un gas como el helio, el hidrógeno o el aire, que se calienta mediante una fuente de calor externa al conjunto. Los cambios en la temperatura del gas activo generan variaciones en la presión que son las causantes del movimiento de los pistones. Del tiempo en que imperaba la unidad de un solo pistón con un carburador rudimentario y su mecanismo de inyección, pasamos a las actuales máquinas multicilíndricas y turbocargadas con complejos sistemas manejados por computadoras que controlan la inyección de carburante, el tiempo de ignición y con aditamentos que limitan las emisiones nocivas de residuos a la atmósfera.
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