I. SOBRE AIRE Y M�QUINAS
UNA persona adulta normalmente requiere de 14 kg de aire diarios para vivir, s�lo 1.4 de comida y unos 2 del agua. La vida, en t�rminos de estos par�metros, necesita del aire m�s que de cualquier otra sustancia. Dado que un ser humano inhala y exhala aire en forma involuntaria, es obvio que la contaminaci�n resulta ser un problema cr�tico que pone en peligro la vida. M�s a�n, se puede vivir sin comer unas cinco semanas, s�lo unos cinco d�as sin agua, pero sin aire no resistimos m�s de cinco minutos. El aire tambi�n desempe�a un papel importante sobre los sentidos de la visi�n, del olfato y del o�do, de ah� que aqu�l que est� contaminado tambi�n los afecta. Piense en estos datos: los gases da�inos 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 trav�s de la cavidad nasal, faringe, laringe, tr�quea y llega a los bronquios, se realiza el intercambio de gases que se difunden f�sicamente en los alv�olos. Dicho de otra manera, la sangre elimina el bi�xido de carbono en los alv�olos que est�n en los capilares. La sangre toma ah� el ox�geno que necesita y lo env�a al coraz�n. Este gas circula por el cuerpo a trav�s de la aorta y provee de ox�geno a los tejidos celulares. Esto en teor�a, ya que si alguna de las partes que hemos mencionado falla, por ejemplo por el da�o ocasionado por gases t�xicos, entonces el organismo sufre diversos padecimientos. Tambi�n podemos pensar de igual manera con las part�culas s�lidas diminutas que inhalamos, que pueden, por ejemplo, depositarse en los tejidos pulmonares y causar problemas que podemos imaginar sin ser m�dicos �De qu� 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 hablar� de la gasolina y los carburantes en general, tanto los que existen hoy en d�a como aquellos que en el futuro tendr�n un papel preponderante. Debe recordarse que los carburantes automotrices son, probablemente, los productos m�s importantes que se generan y posteriormente se venden manufacturados en las refiner�as dado que una gran proporci�n del petr�leo crudo (entre 30 y 70%) que llega a estos centros de conversi�n, es transformado en gasolina y diesel. Si mira uno las ventas de estos carburantes en todos los pa�ses industrializados y los en v�as de desarrollo, han aumentado continuamente en los �ltimos 20 a�os y la tendencia inevitable es que lo seguir�n haciendo hasta bien avanzado el pr�ximo siglo. Pero no hay que olvidar al fil�sofo S�neca, nacido en C�rdoba a principios de nuestra era, que dec�a 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 jur�dico formulado acerca del medio ambiente se dio en Espa�a por el juez, Soleiman Ben Asuad, que en 852 hablaba sobre "La colocaci�n 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 autom�viles de combusti�n interna, ni las refiner�as, se hubieran referido a ellos en sus escritos. No hay duda de que la gasolina y otros carburantes que se utilizan hoy en d�a 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 rom�ntica, formada por todo tipo de vapores nocivos. Tambi�n, punto importante, hablaremos de los autom�viles y otros medios de transporte tratando de mostrar la problem�tica que se genera por el uso y abuso de ambos ya que, qui�rase o no, y por m�s que tratemos de tener los carburantes "de la mejor calidad siempre terminaremos contaminando nuestro planeta.
�AH, LAS M�QUINAS, LAS M�QUINAS!
La historia de las invenciones es, en s�, 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 cient�ficos hab�an empezado a preguntarse por qu� no pod�an inventar una m�quina de movimiento perpetuo.
Descubrieron con exasperaci�n que cada vez que pon�an a funcionar una, parte de la energ�a que le inyectaban tomaba una forma que no se pod�a recuperar y utilizar de nuevo para hacer un trabajo. A fines del XIX se pensaba que conociendo las leyes aprender�amos con creciente destreza a predecir y controlar la entrop�a, t�rmino introducido por Claussius para expresar el desorden o falta de organizaci�n en un sistema. Entre m�s desordenado es un sistema, mayor su entrop�a. Recu�rdese que la primera ley de la termodin�mica nos informa que una cantidad de trabajo mec�nico siempre se puede convertir en una cantidad equivalente de calor. Esto es cierto para la mayor�a de las m�quinas pero no para las m�quinas t�rmicas. Por ejemplo: no se puede convertir una cantidad fija de calor en su equivalente de trabajo.
En t�rminos pr�cticos se pensaba que el caos entr�pico y pasivo se pod�a reducir o eludir mediante una comprensi�n cada vez m�s precisa del orden mec�nico del Universo (v�ase La ciencia del caos, La Ciencia para Todos, N�m. 142, FCE).
LAS FANTAS�AS DE LA TECNOLOG�A
Cuando se empieza analizar cu�l ha sido el desarrollo de la tecnolog�a, la indagaci�n comienza con la invocaci�n del homo faber (el hombre productor) y la forma con la satisfacci�n de las necesidades de la vida ha llevado inevitablemente a la diversidad de artefactos que empleamos. Parece interesante centrarse m�s bien en el homo ludens (el hombre jugador) al que toca presentar las cosas como novedad. Luego consideraremos c�mo el papel del juego sirve de fuente de innovaci�n tecnol�gica. As�, Her�n de Alejandr�a construy� un mecanismo que abr�a las puertas de un templo al encender una hoguera, empleando el principio por �l descubierto, de que el aire al calentarse aumenta de volumen. Este dise�o mec�nico, hecho tal vez por diversi�n, introduce avances notables en el conocimiento de los principios mec�nicos. El juego est� dominado por un elemento de simulaci�n, en el cual tiene un papel importante la fantas�a, tema tan amplio del cual nada m�s mencionaremos brevemente tres partes importantes: los sue�os tecnol�gicos, las m�quinas imposibles y la fantas�a popular.
Figura 1. Carruaje propulsado por el viento (ca. 1660).
Los producen las m�quinas, las propuestas y las visiones generadas por la comunidad
t�cnica en el Renacimiento y en el presente. Resumen la propensi�n de los tecn�logos
de ir m�s all� de lo t�cnicamente posible, Las fant�sticas creaciones de este
tipo dan acceso a la riqueza de la imaginaci�n y a la fuente de la novedad que
se encuentra en el coraz�n de la tecnolog�a occidental. El contenido de los
libros de m�quinas del Renacimiento proporcionan una excelente oportunidad para
examinar los sue�os de los primeros tecn�logos modernos. Entre 1400 y 1600 se
publicaron numerosos libros de este tipo —minuciosamente elaborados—
en Alemania, Francia e Italia. Conten�an centenares de im�genes de m�quinas
extrapoladas a partir de la tecnolog�a existente. Theatrum machinarum era
el t�tulo de estos libros que presentaban la tecnología como espect�culo
para el gozo e instrucci�n de los lectores. Uno de los m�s populares era Le
diverse et artificiose machine de Agostino Ramelli, ingeniero militar franc�s.
Publicado en 1588, fue reimpreso y traducido a varios idiomas, Ramelli respond�a
interrogantes nunca planteadas, resolv�a problemas que nadie, salvo �l, hab�a
propuesto. La necesidad econ�mica no era la fuerza motivadora pues eran producto
de una imaginaci�n f�rtil que se deleitaba recre�ndose y desplegando su capacidad
de operar dentro de los l�mites de lo posible, si no de lo �til. Las patentes
son el segundo tipo de sue�os tecnol�gicos. Su inclusi�n aqu� obedece al hecho
de que, vistas en conjunto, constituyen la representaci�n de la potencialidad
tecnol�gica m�s que de la realidad. Las visiones tecnol�gicas son la �ltima
categor�a de los sue�os, 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 describ�an m�quinas tan alejadas de las
posibilidades de la tecnolog�a del momento que no pod�an presentarse con todo
detalle mec�nico. Uno de los primeros libros de este tipo fue el Bellifortis
de Conrad Keyser (1405), notable por sus fant�sticas m�quinas de guerra. La
m�s famosa colecci�n de m�quinas 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 fant�sticos: hay esbozos de m�quinas voladoras,
paraca�das, carros blindados, catapultas gigantes, pistolas, m�quinas de vapor,
planos de vapores impulsados por palas, trajes de buzo, dragas, autom�viles.
Que sepamos, las fant�sticas 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 tecnol�gicas.
A pesar del fracaso de la tecnolog�a en plasmar la ut�pica sociedad prometida por sus defensores de los siglos XVIII y XIX, y a pesar de los graves problemas estrechamente identificados con la tecnolog�a del siglo XX, contaminaci�n, guerras, las visiones del futuro siguen produci�ndose y fascinando al p�blico.
Siempre existe la posibilidad de que un hito tecnol�gico futuro facilite la
realizaci�n de los sue�os tecnol�gicos. Sin embargo, la existencia y funcionamiento
de m�quinas imposibles no puede alterarse nunca por los desarrollos tecnol�gicos
futuros porque violan las leyes cient�ficas fundamentales. Las m�quinas de movimiento
perpetuo son quiz�s las m�quinas imposibles m�s conocidas. Durante m�s de 1500
a�os los ingenieros han ofrecido planes y construido en ocasiones m�quinas que
por su construcci�n, materiales y lubricaci�n, supuestamente hab�an de funcionar
eternamente. El Renacimiento fue una �poca en la que la invenci�n de m�quinas
de movimiento perpetuo se convirti� en asunto popular, usaban agua, aire o la
fuerza de gravedad. Todas ellas estaban pensadas para funcionar como un ciclo
cerrado; por ejemplo, la energ�a generada por una corriente continua de agua
fluyendo sobre una rueda de palas se utilizaba para bombear el agua que sub�a
hasta la rueda y as� ad infinitum. Junto al movimiento perpetuo, algunos
inventores tambi�n promet�an la producci�n de un excedente de energ�a que pod�a
utilizarse para mover la m�quina de un molino de trigo u otro fin �til. El inter�s
aument� en el siglo XVIII y alcanz� su cenit en el XIX
cuando muchas de las nuevas m�quinas, as� como las recientemente conocidas fuerzas,
electricidad y magnetismo, recibieron atenci�n generalizada y cuando se puso
en claro el decisivo papel de la energ�a del vapor en la industria y el transporte.
En 1855-1903 se concedieron en Inglaterra cerca de quinientas patentes de m�quinas
de movimiento perpetuo, y locura similar barri� EUA. Las m�quinas
liberar�an a las naciones de la necesidad de recursos naturales escasos como
el carb�n y el petr�leo. Resulta ir�nico que precisamente en la �poca en que
muchos inventores estaban convencidos de que pronto lograr�an conseguir energ�a
ilimitada para la sociedad, los f�sicos describ�an las leyes de la conservaci�n
de la energ�a. Si los partidarios del movimiento perpetuo hubiesen comprendido
estas leyes, hubieran sabido que era imposible que un aparato tuviese una producci�n
de energ�a superior a la consumida.
Las fant�sticas m�quinas creadas por la imaginaci�n literaria o popular no se originan en la mente de inventores e ingenieros, lo que revela que este est�mulo no se limita a los miembros de la comunidad t�cnica. Las fantas�as tecnol�gicas pueden rastrearse al menos hasta el siglo XIII cuando Francis Bacon (1561-1626), fil�sofo ingl�s, profetiz� que grandes barcos, sin velas ni remos, navegar�an por r�os y mares; veh�culos sin animales de tiro se mover�an por tierra; m�quinas voladoras, con alas batientes como las de un p�jaro, surcar�an los aires y que personas en trajes de buzo explorar�an las profundidades oce�nicas. Profec�as similares han gozado desde antiguo de gran popularidad. La industrializaci�n de los siglos XIX y XX aliment� la predilecci�n por las predicciones tecnol�gicas fant�sticas y la institucionaliz� en el arte. En la literatura, la ciencia ficci�n se convirti� en la fuente m�s importante de m�quinas fant�sticas: Julio Verne, H. G. Wells, Karel Capek y las naves espaciales y armas l�ser que asombran al amante del cine moderno. Pero hay que recordar a Galileo Galilei, el primero en hacer notar que las m�quinas no pod�an crear trabajo, que s�lo permit�an influir sobre la velocidad de su uso. Desde este punto de vista, con su tratado de mec�nica (ca. 1600) asegura que uno no puede recibir m�s de lo que da, la naturaleza no ofrece regalos, ve claramente que el inter�s por las fuentes naturales de la energ�a reside en su bajo precio: "La ca�da de un r�o cuesta poco", dice, "es menos costoso mantener un caballo que a ocho hombres."
ANALOG�AS ENTRE LOS ORGANISMOS Y LAS M�QUINAS
Explicar la diversidad de los artefactos mediante una teor�a de la evoluci�n tecnol�gica exige comparar los organismos vivos y los instrumentos mec�nicos. El crecimiento industrial generalizado, la capacidad del ge�logo para determinar la edad de la Tierra y la teor�a de Darwin sobre la evoluci�n facilitaron la aplicaci�n de las analog�as org�nicas al �mbito tecnol�gico. Los usos literarios de la met�fora pueden verse en Erewhon (1872) de Samuel Butler donde se analiza la idea de que las m�quinas se desarrollaran de forma similar a los seres vivos. Sus ideas inspiraron las fantasiosas novelas de ciencia ficci�n de los siglos XIX y XX, en que las m�quinas en r�pida evoluci�n superan y sustituyen a los humanos, cuyo desarrollo evolutivo, seg�n �l, se hab�a estancado. Butler advirti� a sus contempor�neos, orgullosos de sus logros industriales, de la conveniencia de detenerse y contemplar las amplias implicaciones del cambio tecnol�gico. Las m�quinas, dec�a, han experimentado una serie de transformaciones muy r�pidas, desde el simple palo de nuestros antepasados a la m�quina de vapor de la actualidad. Este desarrollo en direcci�n de una mayor complejidad plantea la posibilidad de un reino mec�nico que se sume a los reinos animal y vegetal. Suger�a que considerar las m�quinas como una nueva clase de seres vivos permitir�a ordenarlas en g�neros, especies y variedades. Dec�a que la historia de la tecnolog�a muestra numerosos ejemplos de m�quinas que cambian con el tiempo y sustituyen a los antiguos modelos que subsisten como partes de mecanismos mucho despu�s de haber perdido sus funciones originales, y de m�quinas en lucha por la sobrevivencia, si bien con la ayuda de los humanos. El criador de plantas o animales que practica la selecci�n artificial, eligiendo ciertos espec�menes para su propagaci�n, est� haciendo precisamente lo que hacen el constructor de m�quinas y el industrial con la vida mec�nica cuando planean una nueva empresa tecnol�gica. Como las m�quinas son m�s potentes, precisas, seguras y vers�tiles que los humanos, y como las m�quinas cambian r�pidamente ante nuestros ojos, los humanos no pueden evitar pasar a un segundo plano en un mundo dominado por la tecnolog�a. Por supuesto podr�amos intentar poner freno a la evoluci�n mec�nica y destruirlas, como no podemos detener el progreso mec�nico hemos de resignarnos, advert�a, 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 tecnol�gica. Los seres humanos tienen necesidad de agua, y por tanto cavan pozos, encauzan r�os y corrientes y desarrollan la tecnolog�a hidr�ulica. Necesitan refugio y defensa y construyen casas, fortalezas, ciudades e ingenios militares. Los humanos, as�, utilizan la tecnolog�a para satisfacer una necesidad. Si la tecnolog�a existe para satisfacer a la humanidad en sus necesidades m�s b�sicas, �cu�les son estas necesidades y qu� complejidad tecnol�gica se precisa para satisfacerlas? �Necesitamos autom�viles? 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 combusti�n interna de cuatro tiempos. Investigar el origen del veh�culo propulsado con motor de gasolina revela que no fue la necesidad lo que impuls� a sus inventores. El auto no se desarroll� en respuesta a una crisis relacionada con la escasez de caballos. Los gobernantes y pensadores no ped�an la sustituci�n del caballo, ni los ciudadanos esperaban que los inventores llenaran la necesidad del transporte motorizado. De hecho, entre 1895 y 1905 el autom�vil fue un juguete para los que pod�an comprarlo; W. C. Durant, creador de la General Motors, dec�a que antes de 1902 los autom�viles "eran ruidosos, peligrosos, malolientes, perturbaban la tranquilidad y asustaban a los caballos". El cami�n fue aceptado m�s lentamente que el auto. El �xito del transporte militar en cami�n durante la primera Guerra Mundial, y la presi�n de los fabricantes y el ej�rcito despu�s de la guerra, determin� el desplazamiento del carro tirado por caballos y del ferrocarril. Pero el cami�n no fue creado para superar las obvias deficiencias del tiro por caballo y por m�quina de vapor. Como sucedi� con los autos, la necesidad de camiones surgi� despu�s. En otras palabras la invenci�n de los veh�culos dotados de combusti�n interna dio lugar a la necesidad de transporte motorizado.
Una �ltima reflexi�n antes de adentrarnos en los humos de la gasolina y los carburantes: en M�xico y Am�rica Central el transporte era desconocido hasta la llegada de los espa�oles pero los mesoamericanos, desde los siglos IV a XV fabricaron figuras de barro de animales dotados de ejes y ruedas para hacerlos m�viles, es decir se conoc�a el principio mec�nico de la rueda pero nunca lo pusieron en uso para el transporte de mercanc�as. Los historiadores aseguran que los mesoamericanos no utilizaron veh�culos con ruedas porque no eran factibles dadas las caracter�sticas topogr�ficas y la fuerza animal de que dispon�an. El transporte con ruedas depende de caminos adecuados y grandes animales de tiro capaces de arrastrar pesados veh�culos.
Figura 3. Figura de barro de un animal con aplicaci�n del principio de la rueda. Museo de Antropolog�a, M�xico.
�CU�NTOS ESCLAVOS TIENE USTED?
En la cadena agroalimenticia, la fotos�ntesis es la reacci�n por la cual a partir de la energ�a solar, el agua y el bi�xido de carbono, fabrican alimentos los vegetales. De �stos se nutren los animales, y es sabido que el hombre requiere consumir alimentos que le proporcionen entre 3 000 y 3 200 kilocalor�as diarias. A esta cantidad le corresponde una potencia energ�tica media de 150 vatios o si se quiere ver de otra manera diremos que el gasto energ�tico humano equivale a tener permanentemente prendido un foco de 150 vatios. Volviendo al asunto de los consumos, en realidad el metabolismo b�sico emplea aproximadamente la mitad de ese gasto energ�tico, 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 20�C. La otra mitad, 75 vatios, es la fracci�n que el ser humano convierte en trabajo muscular �til. Puede decirse entonces que el ser humano es una m�quina que consume una potencia m�nima de 150 vatios, con un rendimiento �til del orden de 50%. El hombre empez� a utilizar la energ�a solar f�sil: el carb�n, el petr�leo y el gas acumulados en el subsuelo durante millones de a�os; la importancia de esta mutaci�n 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 relaci�n de 13; puede decirse entonces de manera simb�lica que cada ser humano tiene 13 "esclavos mec�nicos" a su servicio. Enumere los suyos, pero podemos garantizarle que entre ellos se encuentra alg�n tipo de transporte.
Se acepta hoy en d�a que el petr�leo se gener� a partir de vegetales que poblaban el planeta hace unos 3 000 millones de a�os en el caso de los yacimientos m�s antiguos y entre 100 a 600 millones de a�os para los m�s recientes. �Por qu� la hip�tesis de un origen vegetal es la m�s aceptada? La respuesta se basa en la semejanza estructural de las mol�culas del petr�leo con las de plantas marinas y terrestres. La complejidad de las mol�culas de los hidrocarburos es tal que no se puede explicar su formaci�n por los procesos geol�gicos, dicho en otras palabras, los procesos geol�gicos per se no generan estructuras, desde el punto de vista qu�mico, sumamente complejas en su s�ntesis. Sin embargo hemos de mencionar que algunos autores afirman que toda la gama de hidrocarburos existentes en el petr�leo se form� en las entra�as de la Tierra a partir del metano, el hidrocarburo m�s sencillo de todos desde el punto de vista estructural, y hay quienes dan origen extraterrestre a estos carburantes f�siles.
�SE PUEDE SABER CU�NTO PETR�LEO NOS QUEDA?
La incertidumbre siempre ha sido compa�era 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 quisi�ramos. Disponemos de nuestra experiencia pasada y del saber acumulado pero nunca estamos seguros de haber hecho el mejor diagn�stico. En el caso particular de la vida econ�mica, la incertidumbre es el factor predominante. �C�mo prever lo que una inversi�n redituar� en 20 a�os? El problema depende de par�metros muy diversos como la evoluci�n pol�tica o el progreso tecnol�gico, que salen del cuadro econ�mico. Kenneth Galbraith, connotado economista, sol�a 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 c�mo hacerlo." La pregunta que mucha gente se hace, al conocer la producci�n de barriles diarios de petr�leo en M�xico o en el resto del mundo es: �para cu�ntos a�os m�s alcanza el dichoso material? En la figura 4 mostramos en primer t�rmino las reservas mundiales de petr�leo en millones de barriles en funci�n del a�o, en segundo t�rmino para aquellos m�s exigentes, en la parte inferior se presentan las reservas de petr�leo por pa�s productor.
Estos datos se refieren a las reservas probadas, la cantidad de petr�leo que seg�n los datos geol�gicos y la informaci�n 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 econom�a y la tecnolog�a. La figura 5 nos muestra la producci�n mundial del petr�leo en miles de millones de barriles por d�a.
Figura 4. (a) Variaci�n de las reservas mundiales de petr�leo en miles de millones de barriles; (b) reservas por pa�s 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 producci�n anual (P) obtenemos el lapso de tiempo que esas reservas durar�n, que es lo que aparece en la figura 6. Hay que considerar que la econom�a 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 d�cada de los a�os 70 se dieron dos incrementos de precios del petr�leo, el primero en 1973-1974 y el segundo en 1979-1981. En 1985 el precio del crudo se desplom� 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 pron�sticos de las compa��as dedicadas a la predicci�n financiera de lo que costar�a el petr�leo en el a�o 2010 en los periodos de 1983 a 1995. En 1983 se pensaba que el barril de petr�leo costar�a tres veces m�s de lo que se pens� en 1995. Por supuesto el valor de las reservas lo dictamina la cantidad de dinero que se destina a la exploraci�n de yacimientos. Es l�gico pensar que en 1983, con la perspectiva de precios muy altos a futuro del petr�leo, el dinero destinado a su b�squeda y por lo tanto a incrementar el n�mero de reservas era mayor que un par de a�os despu�s cuando los precios ya no parec�an atractivos.
LA DEMANDA DE PETROL�FEROS HASTA 2020
La demanda de petrol�feros seguir� teniendo un crecimiento sostenido hasta el a�o 2020 y m�s. Varios factores intervienen para que las predicciones no sean extremadamente precisas: una de ellas es obviamente el crecimiento esperado de la poblaci�n mundial que tiene aproximadamente un ritmo anual de 1.4%. Ahora, �cu�nta energ�a ser� necesaria para esa �poca? Una primera respuesta es que la solidez econ�mica de un pa�s o regi�n conlleva a una reducci�n en la intensidad energ�tica. Tambi�n se espera que, durante los pr�ximos treinta a�os y a�n despu�s, aumenten en t�rminos reales los precios de la energ�a en el mundo, especialmente los del petr�leo y gas natural.
Figura 6. Relaci�n hist�rica entre las reservas y la producci�n mundial de petr�leo, R/P, en funci�n del tiempo.
Figura 7. Pron�stico del costo del barril de petr�leo para el a�o 2010 en funci�n del a�o en que se realiz� la estimaci�n, expresado en d�lares.
Hemos visto que la relaci�n entre reservas de petr�leo/producci�n es actualmente
del orden de 40 a�os. Veamos la relaci�n que existe con otros combustibles f�siles:
carb�n, 197 a�os, lignito 293 a�os y gas natural 56 a�os. Hay que recalcar que
existe una marcada dependencia con respecto a los combustibles f�siles hasta
que se encuentren fuentes de energ�a alternas y es ahora cuando hay que tomar
conciencia e iniciar las acciones necesarias por sustituirlos. Hasta entonces
habr� que afrontar los siguientes hechos:
| • los combustibles f�siles ser�n la base del suministro de energ�a durante muchas d�cadas |
| • la demanda de carb�n, petr�leo y gas natural crecer� posiblemente durante algunas d�cadas |
| • el carb�n es el �nico combustible f�sil con reservas suficientes para continuar emple�ndose mucho m�s all� de mediados del pr�ximo siglo. |
De la lectura de este libro quedar� en claro que los combustibles f�siles, al ser quemados, contribuyen al cambio climatol�gico en marcha. En consecuencia, se podr�a llegar a exigir la sustituci�n del carb�n y probablemente del petr�leo, en cuyo caso, para los que opinen as�, las reservas recuperables de combustibles f�siles dejar� de tener importancia. Por lo tanto el suministro de energ�a de otro origen debe adelantarse y difundirse a escala mucho mayor que la actual.
Veamos los datos energ�ticos que se tienen para M�xico: a fines de 1995 las reservas probadas son de 63 220 millones de barriles de los cuales 43 127 son crudo, 6 648 l�quidos del gas y 13 445 gas seco, calculado como petr�leo equivalente.
A los ritmos actuales de producci�n y consumo, la vida media de estas reservas oscila entre 41 y 48 a�os. En la regi�n marina se localiza 47% de las reservas de hidrocarburos que concentran 55% de las de petr�leo. En esta regi�n se encuentran los yacimientos m�s importantes del pa�s. La regi�n sur acumula 30% de las reservas de gas y 17% de las de petr�leo. 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 geogr�ficos hemos de decir que las cabeceras regionales se ubican a lo largo de la costa del Golfo de M�xico: Poza Rica,Veracruz (Regi�n Norte), Villahermosa, Tabasco (Regi�n Sur) y Ciudad del Carmen, Campeche (Regi�n Marina).
En la figura 8 se pueden apreciar los valores de reservas de hidrocarburos para las diferentes zonas geogr�ficas de M�xico.
La producci�n 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 c�bicos diarios. M�s a�n, 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 c�bicos de gas natural.
LOS TIPOS DE MOL�CULAS EN LOS CRUDOS
El petr�leo o aceite crudo se describe as�: "material que ocurre naturalmente en la tierra y que est� predominantemente compuesto de una mezcla de compuestos qu�micos a base de carb�n e hidr�geno con o sin otros elementos no met�licos como el azufre, el ox�geno, nitr�geno, etc. El petr�leo puede contener, o estar compuesto de esas sustancias en el estado gaseoso, l�quido o s�lido, dependiendo de la naturaleza de estos compuestos y de las condiciones existentes de temperatura y presi�n." 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 regi�n de donde provienen o por su contenido de azufre o, como veremos m�s adelante cuando hablemos del tipo de mol�culas, se les denomina de tipo paraf�nico, naft�nico o intermedio entre ambos tipos de mol�culas. Primero demos un vistazo a la manera de unirse de las mol�culas de hidrocarburos para luego con esas armas tratar de clasificar los crudos. La manera como se unen los �tomos de carbono e hidr�geno determina familias de hidrocarburos; la regla de uni�n es sencilla de entender y consiste en que el �tomo de carbono tiene cuatro manos, ligaduras dir�amos en qu�mica, para asirse del hidr�geno que s�lo cuenta con una para el mismo prop�sito. Por ello la mol�cula m�s simple de hidrocarburo que podemos encontrar es la del metano, CH4.
Figura 8. Reservas de hidrocarburos en M�xico por regiones, millones de barriles.
Hidrocarburos saturados, tambi�n llamados parafinas
normales = en este caso se trata de cadenas continuas de carbonos. A manera de ilustraci�n 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 s�lo existen dos maneras en que los �tomos de carbono se unen entre s�; se dice que el butano y el isobutano —los dos contienen cuatro carbonos— son is�meros. Aunque tienen el mismo n�mero de �tomos de carbono e hidr�geno, su estructura y propiedades f�sicas y qu�micas son diferentes. Al aumentar el n�mero de �tomos de carbono lo hace tambi�n el de is�meros, as� un compuesto con 9 carbones tiene 35 is�meros, pero uno de 25 tiene �36 797 588!
c�clicos = los hidrocarburos de este tipo, tambi�n 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 tambi�n olefinas
alquinos = en estos compuestos la ligadura del carbono con el que le sigue es triple
La figura del acetileno
arenos = tambi�n conocidos como arom�ticos; veamos tres ejemplos que ilustran su estructura, la del benceno, la del tolueno y la de un xileno.
Existen tambi�n arom�ticos polic�clicos en los que uno o varios anillos arom�ticos se unen entre s�, el m�s sencillo lo representa el naftaleno en el cual dos anillos de benceno se fusionan
NAFTALENO
Todo lo que hemos descrito tiene como funci�n 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 qu�micos presentes se les puede agrupar
en:
| • paraf�nicos |
| • intermedios |
| • naft�nicos |
seg�n la predominancia de algunos de estos tipos de compuestos en el crudo.
La clasificaci�n tal vez m�s empleada y conocida es la que se basa en su densidad,
de acuerdo con la definici�n de una instituci�n dedicada durante muchos a�os
a su investigaci�n y caracterizaci�n profunda. Hela aqu�:
• 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 clasificaci�n 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 m�s 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 par�metros de medici�n que no vale la pena adentrar aqu�. 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 m�s 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 m�s viscoso es el crudo, su proceso de refinaci�n y transformaci�n de mol�culas requiere de procedimientos cada vez m�s costosos y complejos, de ah� que su precio sea menor que el del crudo ligero que proveer� gran proporci�n de carburantes con menor inversi�n en su refinaci�n. Una vez extra�do, el crudo se lleva a una refiner�a donde se le calienta para destilarlo. En funci�n de las propiedades, las mol�culas pasan a la etapa de vapor separ�ndose del l�quido a diferentes temperaturas. En los procesos de destilaci�n que se realizan en la refiner�a todav�a no hay transformaci�n qu�mica, el objetivo es separar al menor costo los distintos cortes intermedios para su procesamiento posterior. La gasolina natural que se obtiene directamente de la destilaci�n, tambi�n conocida como "gasolina ligera" se us� de 1900 a 1915. En la figura 9 se esquematiza cu�les son los principales productos de la destilaci�n de un crudo y el destino de los diferentes cortes que se le hacen.
La mejor�a en los motores de combusti�n requiri� m�quinas de mayor compresi�n y se cre� una demanda de productos con mayor �ndice de octano, par�metro del que hablaremos m�s adelante. La �nica forma de aumentar el octano en la gasolina era a�adir aditivos especiales o desarrollar una tecnolog�a de procesamiento del petr�leo. 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 m�s dif�ciles de refinar que los crudos ligeros. Un crudo contiene hidrocarburos que van de uno a sesenta �tomos de carbono, los veh�culos requieren productos cuyos �tomos de carbono van desde uno, que ser�a el caso del gas metano, de tres si usa propano para moverse y un conjunto de mol�culas que van desde los seis a los doce �tomos de carbono, con estructuras particulares, si hablamos de la gasolina. La com�n y corriente contiene unos 500 hidrocarburos y como no se encuentran presentes en los crudos pesados es necesario realizar procesos de transformaci�n en las refiner�as para producir la mezcla apropiada. Todos ellos emplean cortes de crudo obtenidos en la destilaci�n.
Figura 9. Productos de la destilaci�n y sus diferentes usos.
Datos adicionales de los crudos mexicanos (Istmo y Maya) comparados con los
de otros pa�ses 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 m�s comunes a que se fraccionan
las diferentes corrientes de crudo destinadas a ser transformadas qu�micamente
para obtener entre otros productos la gasolina:
| Corte | Temperatura de ebullici�n |
| Gasolina ligera de torre atmosf�rica | 85 �C |
| Gasolina pesada o nafta | 104 �C |
| Querosina | 271 �C |
| Gas�leo atmosf�rico | 321 - 430 �C |
| Gas�leo de vac�o | 510 - 565 �C |
Figura 10. Caracter�sticas 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 petr�leo pasaron a ser de uso general por primera vez
en el siglo XIX, aunque eran conocidos desde mucho antes. Ambos
son compuestos qu�micos que tienen el carbono y el hidr�geno como principales
componentes. El gas de hulla es rico en un hidrocarburo, el metano y el petr�leo
son una compleja mezcla de hidrocarburos. En 1900, cuando la industria del autom�vil
a�n no sal�a de su infancia, el papel desempe�ado por el petr�leo era insignificante.
El gas, por el contrario, alcanzar�a en el curso del siglo un completo desarrollo
tecnol�gico como fuente de luz y de calor as� como de energ�a para el motor
de gas.
El uso del gas en la iluminaci�n tuvo muchas contribuciones, una de las primeras e importantes es la de Philippe Lebon, ingeniero franc�s que estudi� la combusti�n del carb�n vegetal. En 1791 comenz� a analizar el gas que produce la combusti�n de la madera y concluy� que pod�a obtenerse en una retorta de hierro, enfriado y utilizado posteriormente para el alumbrado, la calefacci�n o para globos, resultados que patent� en 1700. Lebon no s�lo demostr� la utilidad pr�ctica sino que su vehemente imaginaci�n se adelant� a casi todas sus posteriores aplicaciones: la suave luz ardiendo en un globo de cristal y la conveniencia de distribuci�n por el interior de la casa por medio de peque�as ca�er�as. Poca atenci�n le prestaron los franceses enfrascados en las guerras napole�nicas. William Murdock, joven mec�nico escoc�s, us� en 1798 retortas de hierro colado, puestas al rojo, para generar el gas, e ilumin� el edificio principal de la f�brica donde trabajaba durante muchas noches sucesivas seg�n cuentan los escritos de la �poca. En 1804 empezaron a producir l�mparas. Algunos de los quemadores eran del tipo Argand, adaptaci�n de un dise�o original de Amado Argand, f�sico, matem�tico y qu�mico italiano. El aparato ten�a una mecha cil�ndrica y por su centro circulaba aire. Una chimenea de cristal la proteg�a. Ten�a la desventaja de producir mucho humo, lo que no impidi� que en los primeros a�os del siglo un tal Andrew Ure sostuviera que la luz del gas podr�a reemplazar la del Sol, de modo que no ser�a una aberraci�n moral obligar a los ni�os a laborar doce horas diarias en las f�bricas. Pasamos a 1823, cuando 52 ciudades inglesas ten�an iluminaci�n por gas. En 1816 Baltimore, EUA, era tambi�n alumbrada con gas, seguida por Boston y Nueva York. Par�s empez� 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 ofreci� una cena con alimentos preparados en una cocina de gas en un comedor con calefacci�n de gas. Esta cocina pronto se hizo popular en el decenio 1870-1880.
El uso de los derivados del petr�leo es muy anterior al del gas de hulla. Entre
el Nilo y el Indo hay al menos treinta sitios donde aparecen yacimientos superficiales
de petr�leo, estas concentraciones son m�s numerosas en la regi�n mesopot�mica.
Para los asirios del siglo IX a.C. los escapes de gas marcaban
"el sitio donde sal�a de las rocas la voz de los dioses". El l�quido inflamable,
misterioso y sin utilidad pr�ctica a ojos de los antiguos fue llamado nafta
por los babilonios que quiere decir "la cosa que arde"; y s�lo la roca asf�ltica
s�lida y las filtraciones m�s espesas eran consideradas �tiles para la preparaci�n
del bet�n. El famoso "fuego griego" que desempe�� un papel tan importante en
la defensa del Imperio bizantino a partir del siglo VII no ten�a
una f�rmula concreta, pero su ingrediente secreto esencial parece haber sido
la nafta. Aunque los gases inflamables y los afloramientos de Bak� hab�an
sido descritos por Marco Polo, despertaron mayor inter�s los informes procedentes
del Nuevo Mundo durante el siglo XVI, relativos a los afloramientos
cercanos a La Habana y que se pod�an utilizar para calafatear barcos. A una
materia bituminosa con la que los aztecas hac�an una especie de chicle y al
lago de asfalto de 5 km de circunferencia en la isla Trinidad.
La moderna industria del petr�leo surgi� de la necesidad de mejorar el alumbrado de casas, f�bricas y calles, al incrementarse la actividad humana a finales del siglo XVIII como resultado de la Revoluci�n Industrial. La perforaci�n de pozos muy profundos no era una novedad, aunque se viese limitada por la falta de taladros lo suficientemente potentes, de energ�a mec�nica para taladrar y la incertidumbre del resultado. La apertura de los yacimientos fue favorecida por la b�squeda de sal o aguas salinas. Las torres de perforaci�n y la aplicaci�n de la m�quina de vapor ayudaron en esta tarea. Entre los pozos perforados en b�squeda de agua se encontraron algunos que conten�an petr�leo lo que llev� al industrial estadunidense George H. Bissell a buscar petr�leo en Estados Unidos, pero antes envi� una muestra a Benjamin Silliman, catedr�tico de qu�mica de Yale. De ella se obtuvieron, al calentarla en condiciones controladas, diversos productos aparte del gas de alumbrado, lo que luego se llamar�a gasolina y que por a�os se consider� in�til y peligrosa, ceras, lubricantes y combustible para l�mparas que al arder no dejaba residuo ni se inflamaba al contacto de un cerillo encendido sino �nicamente si hab�a una mecha impregnada del l�quido. El residuo que quedaba despu�s de obtener los productos anteriores sustituy� con ventaja al carb�n en las calderas de las locomotoras y a fines del siglo XIX se empleaba como �nico combustible en la mayor�a de los ferrocarriles de EUA.
La primera Guerra Mundial cambi� notablemente la demanda y calidad requerida de la gasolina. Las m�quinas de combusti�n interna necesitaban de un cociente de alta potencia en relaci�n al peso de los artefactos, en especial luego que los hermanos Wright realizaron el primer vuelo en una nave m�s pesada que el aire en 1903. El uso de bajos cocientes de compresi�n se pod�a evitar si la calidad del combustible mejoraba y en aquella �poca la �nica manera de resolver el problema era emplear gasolina con componentes de hidrocarburos m�s pesados como los que se obten�an en Borneo en lugar de los crudos ligeros de Pennsylvania y Oklahoma.
En M�xico, durante la �poca precortesiana, se emple� el petr�leo como material de construcci�n, medicina, pegamento, impermeabilizante y para limpiar y blanquear la dentadura. En la iluminaci�n se emple� hacia 1862 en una mina cerca del cerro del Tepeyac. En 1901, en la hacienda "El Tulillo" del municipio El �bano, San Luis Potos�, el 14 de mayo a una profundidad de 165 m brot� petr�leo con tal fuerza que expuls� la herramienta de fondo. El pozo produjo unos 500 barriles de petr�leo diarios; recu�rdese que un barril equivale a 0.159 m� y tambi�n aproximadamente es algo as� como 0.136 toneladas. Como dato anecd�tico mencionaremos que el famoso pozo Cerro Azul n�mero 4, en 1916, al llegarse a los 410 m de profundidad, como un volc�n que despierta de su letargo lanz� las piezas de perforaci�n a 33 m del lugar por la fuerza del gas que brotaba y siete horas despu�s apareci� el petr�leo en una columna que alcanz� 180 m de altura. Se calcul� en aquella �poca que el pozo produc�a 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 destilaci�n del crudo no provee la cantidad suficiente y adem�s, podemos decirlo, la que se obtiene del crudo directamente no sirve de mucho en los autom�viles modernos. La manera de resolver el problema consiste en transformar de diversas maneras los cortes del crudo, es decir reestructurando las mol�culas originales en estructuras m�s �tiles para ser quemadas en un autom�vil. Al final de la primera Guerra Mundial era claro que la composici�n de la gasolina desempe�aba un papel vital en el buen funcionamiento de los autos, sobre todo cuando se decidi� que era necesario mejorar la eficiencia mec�nica de los aparatos incrementando la relaci�n de compresi�n. En los laboratorios de la General Motors se inici� una campa�a de investigaci�n para determinar c�mo los hidrocarburos se quemaran sin producir detonaciones indeseables en el motor. Se estableci� que los hidrocarburos arom�ticos eran los m�s resistentes y las parafinas los menos. Los alcoholes, como carburantes, se vio, que preven�an la detonaci�n. Era necesario fortalecer la industria de la transformaci�n qu�mica 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.
Desintegraci�n catal�tica: como su nombre lo indica, en el proceso se rompen los hidrocarburos de cadena larga que componen el gas�leo pesado, gener�ndose gasolina que contiene 30% de arom�ticos y de 20 a 30% de olefinas, adem�s de compuestos m�s ligeros. De todos los procesos de conversi�n que existen la desintegraci�n representa 57% de la capacidad total a nivel mundial.
Ya en 1861 se sab�a que calentando las fracciones pesadas del crudo, se generaban las llamadas "reacciones de desintegraci�n" que conduc�an a la formaci�n de fracciones de hidrocarburos m�s ligeros. El desarrollo fundamental del proceso se debe a Eugene Houdry (1892), ingeniero franc�s quien se inici� en la fabricaci�n de acero, y que gustaba de competir en carreras de autos, pero pronto aprendi� que las limitaciones de la m�quina eran resultado de la calidad del carburante. Sus experimentos con gas�leos de Venezuela y catalizadores de tipo arcilloso condujeron a la primera planta de procesamiento en EUA a mediados de los a�os 30. En la figura 11 se esquematizan las propiedades y destino de los productos de la desintegraci�n catal�tica. Las reacciones principales que se llevan a cabo durante el proceso se indican en la figura 12. Se concluye que la desintegraci�n es un proceso de conversi�n de los productos pesados, llamados residuales, en otros m�s ligeros y de mayor valor. La alimentaci�n a esta unidad viene directamente de la torre de la destilaci�n y sus productos, entre ellos la gasolina, que tienen diversos destinos en la refiner�a.
Isomerizaci�n: convierte las mol�culas de cadena lineal en hidrocarburos is�meros 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 destilaci�n. En la figura 13 se dan algunos de los objetivos que tiene el proceso.
La reacci�n para el caso de la transformaci�n del butano normal en isobutano fue descubierta por Herman Pines y Vladimir Ipattieff, �ste, un emigrado ruso, fue inventor de numerosos procesos catal�ticos para la transformaci�n de hidrocarburos. Se cuenta que al cumplir 70 a�os recibi� un telegrama de felicitaci�n de su amigo Nobel, su comentario fue: "De Nobel recibo alabanzas pero no el premio".
Reformaci�n: convierte los hidrocarburos saturados en arom�ticos, entre otras cosas, el producto final puede tener 60% de ellos, adem�s de generar tambi�n isoparafinas. Este proceso naci� en los a�os 30 y la primera planta fue construida en 1940. Inicialmente el proceso no se concibi� para obtener gasolina sino para producir tolueno, con el cual se genera el trinitrotolueno, el explosivo TNT. En la figura 14 damos algunas reacciones t�picas que se suceden en el proceso as� como los porcentajes en volumen de componentes alimentados y productos obtenidos.
Figura 11. Desintegraci�n catal�tica: propiedades de los productos y destino de los mismos
Figura 12. Algunas reacciones t�picas del proceso de desintegraci�n catal�tica.
Figura 13. Objetivos del proceso de isomerizaci�n.
La reformaci�n 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 �xido de aluminio. Vladimir Haensel sent� los principios b�sicos de este proceso.
Figura 14. Reformaci�n catal�tica: reacciones t�picas.
Alquilaci�n: en �sta se hacen reaccionar olefinas con isoparafinas para hacer crecer la cadena de hidrocarburos y ramificarla. Generalmente el producto que se obtiene est� dentro del rango de las gasolinas y contribuye en forma importante al volumen de �sta. En la figura 15 se muestran algunas reacciones qu�micas que se llevan a cabo durante la alquilaci�n.
El proceso se desarroll� durante la segunda Guerra Mundial y provey� un componente esencial de la gasolina necesario para los aviones, el cumeno. La reacci�n fue tambi�n descubierta por V. Ipatieff. Mediante un proceso catal�tico se hace reaccionar benceno con propileno. Terminada la guerra el proceso se orient� a producir reacciones de alquilaci�n pero esta vez empleando otros componentes, as� como para producir una fracci�n que se incorporaba a la gasolina, figura 16.
Para los interesados en conocer la ubicaci�n, capacidad de procesamiento en millones de barriles por d�a (MBD), a�o de su construcci�n y principales puntos de abastecimiento de la Rep�blica Mexicana, la figura 17 presenta los centros de procesamiento del pa�s.
Figura 17. Principales refiner�as mexicanas. Capacidad de producci�n en millones de barriles diarios (MBD).
De acuerdo con Francis Bacon, la ciencia deber�a dividirse en dos: aquella cuyos experimentos proveen luz y los que dan frutos. La primera ser�a una necesidad fundamental de la ciencia pues la b�squeda de la Luz da a los estudiosos el conocimiento de los principios necesarios y de las leyes que rigen la naturaleza. Pero el cient�fico debe buscar con tenacidad la forma de que su trabajo d� 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 conexi�n entre ciencia y tecnolog�a es mucho m�s compleja y nunca s�lo jer�rquica. En segundo, el conocimiento cient�fico que estimula la innovaci�n tecnol�gica no tiene que ser el �ltimo ni presentarse en forma pura; concepciones de adelantos cient�ficos de segunda o tercera mano sirven adecuadamente a la tecnolog�a. En tercer lugar, la ciencia dicta los l�mites de las posibilidades f�sicas de un artefacto, pero no determina su forma final. La afirmaci�n de Arist�teles de que no exist�a el vac�o 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 neum�tica y probaron que la atm�sfera de la Tierra ejerce una presi�n; construyeron bombas capaces de evacuar el aire de contenedores peque�os y estudiaron el vac�o generado en laboratorios r�sticos. En 1680, Christian Huygens ide� una m�quina en que se hac�a explotar p�lvora en un cilindro cerrado por un pist�n. Cuando se encend�a la p�lvora, la mayor parte de los gases calientes en que se convert�a, junto con parte del aire que estaba en el interior del cilindro, dilatado por el calor, eran expulsados a trav�s de v�lvulas de escape. Al enfriarse, las v�lvulas se cerraban y se creaba un vac�o parcial en el interior del cilindro. Una vez fr�o, el gas ocupaba un espacio mucho menor que cuando estaba caliente y en consecuencia la presi�n atmosf�rica llevaba al pist�n hacia el fondo del cilindro. Dos desventajas ten�a este aparato: el vac�o s�lo era parcial pues se formaban residuos de la combusti�n, y hab�a que usar p�lvora para el cilindro, asunto bastante peligroso. Entre los que investigaron tambi�n los usos pr�cticos del vac�o se encuentra el franc�s Denis Papin (1647-1712) quien realiz� experimentos con el vapor de agua. En 1690 expuso sus ideas en las que describe el modo de actuar de las primeras m�quinas de vapor:
puesto que el agua goza de la propiedad de que una peque�a cantidad de ella transformada en vapor por medio del calor tiene una fuerza similar a la del aire, y de que por medio del fr�o se transforma de nuevo en agua, de manera que no queda ni rastro de aquella fuerza el�stica, he llegado a la conclusi�n de que se pueden construir m�quinas en cuyo interior se puede producir el vac�o perfecto
Papin hab�a descubierto el principio clave del motor atmosf�rico y comprobado que con cilindros y pistones de adecuado tama�o ser�a posible realizar un trabajo �til, figura 18. En un art�culo en que describ�a estos experimentos suger�a que pod�a utilizarse la energ�a atmosf�rica para elevar el agua y minerales de minas profundas, impulsar balas y mover barcos.
El principio del m�todo fue llevado r�pidamente a la pr�ctica por Savery, Newcomen y Smeaton quienes dise�aron las m�quinas 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 construcci�n del primer veh�culo accionado por una m�quina de combusti�n interna basada en su dise�o de 1813 de una m�quina de gas que se encend�a con una chispa. En 1860 Etienne Lenoir, ingeniero franc�s, construy� una m�quina a base de un motor de gas cuyos requerimientos de potencia no exced�an tres caballos de fuerza y, a pesar del enorme consumo de gas que necesitaba, la m�quina fue empleada en amplia variedad de usos. La causa de su falta de econom�a al principio no fue entendida, pero la pol�mica cient�fica que se prolong� durante los siguientes dos a�os condujo a notables recomendaciones de los requisitos primarios que desencadenaron m�quinas como la de Schmidt (1861) y la de Alphonse Beau de Rochas (1862). El primero hizo hincapi� en la importancia que ten�a la compresi�n de la mezcla explosiva; el segundo sugiri� que las varias operaciones que se llevaban a cabo en el cilindro se redujeran a un ciclo que requiriera cuatro golpes de pist�n, anticip�ndose al famoso sistema de Nikolaus August Otto (1832-1891), quien en 1861 concibi� la idea de construir una m�quina de compresi�n con ignici�n controlada que trabajaba basada en un ciclo de cuatro tiempos y controlado por v�lvulas que regulan la entrada de combustible y la expulsi�n de los productos de la combusti�n. En el primero, la mezcla explosiva se introduce al cilindro, �sta es comprimida por el �mbolo y luego encendida por una flama, un tubo caliente o una chispa el�ctrica; en el tercero, la fuerza de la explosi�n lleva al �mbolo a su posici�n de partida y, durante el cuarto, el �mbolo en su recorrido de vuelta expulsa los productos gaseosos de la combusti�n, quedando todo dispuesto para la repetici�n del ciclo. El concepto revolucionario de operaci�n del "ciclo Otto" fue aplicado con �xito en 1876. Los motores de Otto llegaron al m�ximo de popularidad en 1917 culminando as� su asociaci�n con Eugen Langen con quien fund� la primera f�brica en el mundo (Alemania, 1864) para producir autos. La dificultad entonces era la falta de carburante, si bien los combustibles derivados del petr�leo empezaban a ganar la batalla al gas de la hulla. Las razones eran entre otras la disponibilidad de gas, restringido por falta de gasoductos, adem�s era m�s atractivo pensar en un combustible l�quido que se pudiera transportar y almacenar f�cilmente y fuese introducido en el interior del motor por la simple fuerza de gravedad y que diera m�s calor por unidad de peso que el carb�n. Los primeros combustibles l�quidos que se usaron eran del tipo queroseno, que al ser comprimidos se encienden espont�neamente y por tanto se prescinde de una ignici�n externa. Un importante tipo de m�quina de combusti�n interna fue llevada a escala industrial por Rudolf Diesel en 1895. El principio del m�todo hab�a 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 ten�an una c�mara de ignici�n separada conectada con el cilindro, Diesel (1858-1913) busc� alcanzar la eficiencia t�rmica m�s elevada impidiendo las p�rdidas de calor. Nacido en Par�s de padres alemanes, estudi� ingenier�a en Munich. Despu�s de su doctorado, estudi� termodin�mica en Suiza con Sadi Carnot y ah� desarroll� sus teor�as para aumentar la eficiencia de las m�quinas de combusti�n interna. Ya exist�an varias patentes entre 1890 y 1892 referentes a la introducci�n gradual de carburante en aire que hab�a sido altamente comprimido de manera tal que su temperatura era lo suficientemente alta para encender, espont�neamente al ponerse en contacto. Un art�culo de las teor�as de Diesel publicado en 1893 fue recibido con entusiasmo por los ingenieros alemanes que dedicaron esfuerzos a ponerlos en pr�ctica. Diesel experiment� con gasolina: la ignici�n fue tan violenta que el aparato que marcaba la presi�n del cilindro sali� disparado pasando a pocos cent�metros del inventor.
La primera m�quina ten�a una eficiencia mec�nica de 34.2% superior a lo que hab�a en el mercado. Los primeros usos industriales de los motores diesel fueron las �reas industrial, marina y el ferrocarril con muy pocos en las carreteras y el transporte a�reo. Sin embargo, la falta de gasolina en Alemania despu�s de 1918 estimul� el desarrollo de las m�quinas diesel, particularmente por la firma Daimler-Benz. Despu�s de la segunda Guerra Mundial se increment� notablemente el desarrollo de los motores en todos los pa�ses europeos. Los resultados de la investigaci�n condujeron a producir m�quinas de alta velocidad que compiten con los motores a gasolina. La velocidad de estas m�quinas se increment� a 1000 revoluciones por minuto de las 250-350 iniciales y m�s adelante se alcanzaron 3 000 revoluciones por minuto; otro punto importante fue que el peso de los autom�viles oscilaban entre 9 y 15 libras por caballo de fuerza. Todo esto condujo a ampliar el transporte a�reo y terrestre con equipo de alta velocidad.
Los principios b�sicos de las m�quinas de combusti�n 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 inyecci�n e ignici�n del combustible. El primer motor a gasolina del alem�n Gottlieb Daimler fue patentado en 1885 y consist�a en una m�quina de un solo cilindro vertical, refrigerada por aire y que funcionaba seg�n el ciclo Otto. La mezcla explosiva se preparaba haciendo pasar aire a trav�s de la gasolina dentro de una cuba de nivel constante y se encend�a 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 construcci�n de motores pensados especialmente para autom�viles. El motor construido en 1885, con un solo cilindro, difer�a del anterior en que estaba situado en posici�n horizontal, dispon�a de un sistema el�ctrico de ignici�n y era capaz de moverse a velocidades relativamente reducidas, luego el sistema de ignici�n se provoca por medio de una bobina el�ctrica de inducci�n, alimentada por un acumuladon. La chispa era producida por medio de una buj�a desmontable. M�s 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 v�lvula de aguja. La cuba de nivel constante comunica, a trav�s de un surtidor muy fino, con el orificio de admisi�n del cilindro: la succi�n 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 combusti�n interna que es discontinua y generalmente incompleta, de la mezcla aire-combustible. Funcionaba a base de un fluido, que pod�a ser un gas como el helio, el hidr�geno 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 presi�n que son las causantes del movimiento de los pistones. Del tiempo en que imperaba la unidad de un solo pist�n con un carburador rudimentario y su mecanismo de inyecci�n, pasamos a las actuales m�quinas multicil�ndricas y turbocargadas con complejos sistemas manejados por computadoras que controlan la inyecci�n de carburante, el tiempo de ignici�n y con aditamentos que limitan las emisiones nocivas de residuos a la atm�sfera.
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