Superman

Ya disponible: “Cinencia para todos”

Hola chic@s:

Aprovecho esta entrada para presentaros la charla que tuve la suerte de dar en la fundación Paurides el pasado 1 de diciembre de 2015.

La Asociación de Medios Audiovisuales del Vinalopó invitó a la Asociación de Divulgación Científica de Elche a dar una conferencia con motivo de la 15ª Muestra de Cortos de Aquí y de Allí, la idea era alargar un poco la muestra y realizar distintas actividades durante la semana de la muestra para ir calentando el ambiente. Como somos amigos desde hace tiempo, y tenemos la idea de colaborar, me ofrecí a añadir un poco de ciencia a la cultura del séptimo arte. 😉

La excusa era el cine y la idea contar algo de ciencia, así que preparé una charla con la intención de que fuese divertida y contar algunas de las cosas más esenciales, intenté utilizar películas actuales, Marte, Ant-Man, Gravity, InterStellar, son las actuales, pero también hay clásico como King-Kong, Godzilla o Superman, así que sin más os dejo con la charla, la imagen no es para tirar cohetes aunque creo que el audio es suficientemente bueno para que se pueda entender.

Espero vuestros comentarios más abajo.

¿Nos seguimos leyendo?

@guardiolajavi

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Superman ecológico y sostenible

Superman es uno de los Superhéroes más conocidos, y posiblemente sobre el que más se ha discutido el origen de sus superpoderes. Una de las hipótesis barajada es la baja gravedad de la Tierra comparada con la existente en Krypton, y la luz de nuestro amarillo-sol. Se supone que los kryptonianos no tienen poderes en su planeta natal porque éste orbita en torno a una estrella roja llamada Rao. En este post trataremos de ver la posibilidad de que Superman adquiera toda la energía necesaria de la radiación solar como si de una célula fotovoltaica se tratase.

Superman tomando el sol.

Superman tomando el sol.

El color de una estrella define la temperatura de su superficie, así cómo la cantidad de energía que emite. Gracias a la ley de Wien Planck sabemos que nuestro sol emitiría más energía que Rao. El color de nuestro astro nos dice que el máximo de emisión lo tiene en el rango del amarillo mientras que Rao está en el rojo, si nos fijamos en la siguiente gráfica podremos saber la temperatura de la superficie de ambas estrellas.

Ley de Planck para distintas temperaturas

Ley de Planck para distintas temperaturas

La gráfica anterior muestra los espectro de radiación del cuerpo negro para distintas temperaturas, espectro que se ajusta perfectamente a la emisión de las estrellas, así es cómo conocemos la temperatura de éstas. La energía irradiada por la estrella será el área por debajo de las distintas curvas, con lo que es fácil deducir que a mayor temperatura más energía emite el astro en cuestión. Queda claro que nuestro Sol emite mucha más energía que Rao.

Si realizamos algunas suposiciones como que la radiación que alcanza a Superman es la radiación que se recibe del Sol a unos 30.000 m de altitud, donde la absorción de la atmósfera influye muy poco; que el área de su “cuerpazo” es de unos 0.8 metros cuadrados; que la velocidad de vuelo normal es de unos 3.600 km/h (sí, una barbaridad, el payo se desplaza prácticamente a Mach 3); y que volará durante 8 horas, se puede calcular que la eficiencia con la que tendría que convertir la energía solar para realizar ese vuelo es de unos 656.000%. Lo que viene a ser un imposible, porque se puede ser de Krypton y todo lo que tú quieras, pero en este planeta respetamos las leyes de la termodinámica, y eso de sacar energía de la nada está mal visto.

Antes de ofrecerle una solución a Superman, me gustaría analizar las suposiciones que se han realizado.

La primera es que para calcular el tamaño de Superman han recogido los datos de las medidas típicas del humano medio, lo que se me antoja un poco pequeño para todo un Superheroe, pero no es una mala aproximación, lo mismo podría decir sobre la velocidad, la verdad es que para considerar una velocidad de vuelo es un poco alta, y digamos que nuestro amigo no es del todo aerodinámico, pero es Superman así que…

También es verdad que es capaz de volar bastante más deprisa, ya lo demostró cuando contrarrestó el momento angular de la tierra para que comenzase a girar en sentido contrario y poder resucitar a Lois Lane, con lo que nada que objetar, (bueno en realidad mucho, pero tengo debilidad por Superman, qué le vamos a hacer). Las objeciones las podéis leer en este post recuperado del antiguo blog de @pr3cog (Sergio Palacios).

Así que nos centraremos en la parte de la conversión de energía, que es lo bonito de tratar a Superman como una célula solar. En la simplificación se ha utilizado la radiación solar a 30.000 metros de altura donde la densidad de la atmósfera es el 1.5% de la densidad al nivel del mar, esto es algo que no se suele hacer cuando se estudia la eficiencia de las células solares en la superficie terrestre.

Espectro de radiación al nivel del mar.

Espectro de radiación al nivel del mar.

Cómo vemos en la figura anterior no nos llega toda la radiación emitida por el sol, en rojo vemos cómo queda el espectro después de que ciertas longitudes de onda hayan sido absorbidas por la atmósfera. Vemos como se reduce considerablemente la cantidad de energía total disponible del Sol. Es obvio que, al menos en el despegue, Superman no tiene toda la energía del sol disponible para poder usarla como a él le venga en gana.

La otra aproximación que en células solares tampoco está muy bien vista, es que toda la energía disponible se pueda usar, existe un límite que fue calculado teóricamente por Shockley en 1961. Las células solares no son más que una unión p-n. Como ya se vio en este blog, al unir dos semiconductores con distinta conductividad se crea una barrera que deben saltar los electrones, en el caso de las células solares la energía de los fotones incidentes son las que aportan esta energía para que los electrones salten de un semiconductor a otro y produzcan corriente eléctrica. Shockley demostró que la máxima eficiencia de una unión p-n utilizando los semiconductores típicos es del orden del 30%.

Amigos, sintiéndolo mucho, no toda la energía recibida del sol es aprovechable, pero bueno un 30% no está mal, además actualmente existen trucos para aumentar esta eficiencia, utilizando estructuras de fabricación diferentes, o concentradores de luz, para que se pueda aumentar esta eficiencia hasta el 44.7%, y seguro seguiremos mejorando.

Aún así, seguimos muy lejos de una eficiencia del 656.000%, la gran limitación viene de la superficie útil del cuerpo de Superman. Conociendo todos los datos que hemos mostrado podríamos solucionar el problema colocándole un panel solar a Superman, por supuesto uno de estos modernos con el 44.7% de rendimiento, que generase toda la energía necesaria para el vuelo de nuestro héroe.

El área del panel solar necesario sería de 11.737 metros cuadrados, si le suponemos una anchura de hombros de 0.5 metros, tendremos un panel solar de 0.5 metros de ancho y ¡23.5 km! de largo, y además rígido, vamos un poco incómodo a la hora de maniobrar por las calles de Manhattan. Tampoco estamos teniendo en cuenta el peso extra que este panel supondría. ¡Una locura!

Pero hay una solución, y seguro que le gusta a nuestro protagonista, ya que a Superman le gusta más una capa que a Newton un problema de plano inclinado. ¿Y si la capa fuera una célula solar en sí misma?, desde luego no debería ser rígida, así que tendremos que utilizar células solares orgánicas. Este tipo de células utilizan polímeros semiconductores y se pueden fabricar  sobre sustratos flexibles, como se ve en la siguiente imagen.

Célula solar flexible.

Célula solar flexible.

Ya tenemos resuelto el problemas de la rigidez de la capa, pero hay otros inconvenientes. Si bien las células solares orgánicas tienen el espectro de absorción más ajustado a la emisión solar, como se puede observar en la siguiente gráfica:

Absorción del P3HT y PCBM

Absorción del P3HT y PCBM

En la gráfica podemos ver como la curva de absorción del P3HT y PCBM combinados aumenta en la región de la radiación visible, lo que ayudará a que se generen más cargas libres. Pero, ¿qué es el P3HT y el PCBM?. Estos compuestos químicos son los que hacen la función de semiconductores de tipo p o tipo n en la unión de la célula solar. Normalmente se prepara una mezcla heterogénea de esos polímeros y se depositan en una capa muy fina encerrada entre dos electrodos.

Para los químicos el P3HT es el Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) y hace de donante de electrones:

P3HT

P3HT

Y el PCBM es el [6,6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester que hará la función de aceptor de electrones

PCBM

PCBM

Como se observa en la figura donde se muestra la estructura del PCBM, vemos que es una bolita de Fullereno donde se le ha añadido un radical para aumentar su solubilidad en Tolueno, algo necesario para realizar las mezclas y preparar las capas de la célula solar.

Si bien las células solares orgánicas son la gran esperanza blanca de la energía solar, hasta el momento las muestras con mayor eficiencia son las realizadas con estos compuestos o similares, pero no se han alcanzado eficiencias mayores del 10%, muy lejos aún de las células solares convencionales. Esto se debe a que adolecen de otros problemas cómo unas resistencias parásitas más elevadas, y que la formación de pares electrón-hueco sigue un proceso más complejo con la formación previa de excitones.

Pero como pueden ser flexibles, podremos incorporarlas a la capa de Superman, y que este se mueva con más soltura. Si calculamos la superficie necesaria con un rendimiento del 10%, en lugar del 44.7% usado anteriormente, obtenemos que la capa de Superman debería tener una superficie de 52.464 metros cuadrados. O lo que es lo mismo una ancho de 0.5 m y un largo de ¡105 km!.

Superman con una capa efectiva.

Superman con una capa efectiva.

Vamos, que Superman podría pillarse la capa con la puerta de su Fortaleza de la Soledad mientras vuela raudo a ver de qué color lleva las bragas Lois Lane. Esperemos que su supercuello aguante el tirón cuando se de cuenta a los 105 segundos :-).

Como últimamente estoy un poco negativo, este post podría llevar a pensar que el vuelo con energía solar no es posible, pero sí lo es. Ya existe un avión que vuela con energía solar, el Solar Impulse, pero claro no lo hace a Mach 3, además tiene una superficie alar considerable, y mejor aerodinámica que Superman.

¿Nos seguimos leyendo?

@guardiolajavi

Por cierto:

Este post participa en la XLVIII Edición del Carnaval de la Física, albergado en esta ocasión en el blog “La Aventura de la Ciencia

Y además se atreve a presentarse a la XXXI Edición del Carnaval de Química, cuyo blog anfitrión es ::ZTFNews. Se que no cumple con el tema pero cómo aparecen dos moléculas de esas que tanto gustan a los químicos ;P

Referencias:

Szczykulska, M.; Watson, J.; Garratt-Smithson, L.; Muir, A.. P4_4 The Solar Cell Efficiency of SupermanPhysics Special Topics, North America, 12 6 12 2013.

William Sockley. Hans J. QueisserDetailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells.  Journal of Applied Physics vol. 32, number 3 (1961)

La óptica de las bragas de Lois Lane, o: Superman, en serio. ¿Cómo lo has sabido?

En este post me gustaría hablar de la visión de rayos-X de Superman, está muy bien poder tener visión de rayos-X, pero ¿también ver los colores? … Eso ya es pasarse.

Todos recordaremos, y si no para eso está You-Tube, la escena donde Lois Lane entrevista por primera vez a Superman en la terraza de su apartamento. La escena es memorable porque parecen dos quinceañeros tirándose los trastos, pero también porque se comenta, y podemos ver la visión rayos-X de nuestro Superhéroe.

Veamos la escena:

En la escena vemos en el segundo 50 aproximadamente, como se ilumina la espalda de Lois Lane gracias a la mirada de Superman, que le hace un escaner en busca de algún nódulo que tuviese mala pinta en sus pulmones, nos alegra que no tenga ninguno, pero por favor Lois, deja de fumar.

Pero, ¿cómo es capaz de ver Superman en el espectro de los rayos-x?

Los rayos-X, es radiación electromágnetica de una longitud de onda muy corta, (o lo que es lo mismo de muy alta frecuencia) está muy por encima del espectro de la luz visible que es la que los seres humanos normalmente percibimos a través de nuestros ojos. Así que según parece Superman tiene unos conos en la retina que son sensibles a está radiación, mientras que los humanos normales solo tenemos conos que distinguen el rojo, el verde y el azul, y como mezcla de estos el cerebro interpreta el color.

Y, ¿de donde vienen los rayos-X que ve Superman?

Todo parece indicar que los rayos-X los genera nuestro querido héroe. Así que o tiene un sincrotrón en la cabeza con algunas de las líneas saliendo por sus ojos, o tiene un tubo de rayos catódicos como el de las televisiones antiguas cuyos electrones chocan con una pieza metálica que es la que al desacelerar los electrones produce la emisión de estos rayos-X. A mi me parece poco probable, pero vamos, es Superman.

Todo esto aunque posible, ya que este hombre viene del planeta Kriptón, y a saber que caminos ha seguido la evolución por aquellos lares, plantea una serie de problemas.

Lo primero es que los ojos de Superman serían de otra forma, para poder focalizar los rayos-X, se suelen utilizar espejos en incidencia rasante como los utilizados en el telescopio Chandra, algo más de información sobre esto se puede encontrar en el post “Los Rayos-X, mejor mirarlos de lado” en Cuentos-Cuánticos.

Así que en los ojos de Superman tendrían una forma como la siguiente:

Circulos concéntricos que formarían el sistema focal de un ojo de Rayos-X

Circulos concéntricos que formarían el sistema focal de un ojo de Rayos-X

Hipnóticos ¿verdad? igual es una de las claves del éxito con las periodistas de nuestro amigo.

A parte de esto, y dado que la capacidad para deflectar los rayos-X para que focalicen en la retina es limitada, está tendría que estar lo más atrasada posible. Es muy posible que los ojos de Superman tengan forma de tubo que llegue desde la parte de la cornea hasta el cogote. 😉

Si todo esto te parece intrigante, a mi me intriga más lo que sucede a partir del minuto 2 y 36 segundos. Donde Lois le pregunta ¿Usted puede ver a través de cualquier cosa? ¿no?, y para comprobarlo le pregunta ¿de qué color es mi ropa interior?. Y no, no lo solo me intriga que haya tema entre ellos, que eso se ve ;). Si no la respuesta.

Superman primero se queja de que le cuesta ver a través del plomo, así que el vaporoso conjunto que luce Lois no debe ser tan ligero como parece, y esto es cierto, los rayos-X son absorbidos por el plomo y por cualquier metal pesado, (el oro también lo bloquearía, pero claro el conjunto sería más caro). Podemos darnos por satisfechos, al menos Superman tiene la intención de cumplir alguna ley física.

Pero después Lois se da la vuelta, y una mirada penetrante de nuestro Superheroe le lleva a conocer la respuesta. ¡Rosa! llevas ropa interior rosa, sorprendiendo a la periodista, bueno no la sorprende mucho, en realidad ella tiene una estrategia de apareamiento bien definida. Esto nos lleva a un par de preguntas.

1. ¿Cómo ha podido evitar el plomo Superman?

Según parece la espalda de la prenda tiene distinto tejido por delante que por detrás, cosa que es muy extraña ¿no?, debe ser incómodo llevar una prenda que pesa más por delante que por detrás.

Ya no me gusta el conjunto.

(Disclaimer: Cómo me apuntan en los comentarios, es cierto que lo que le impide la visión es la jardinera que se interpone entre Superman y Lois Lane. Lo que añade una pregunta más al tema. ¿Lois no lleva sujetador? o ¿No lleva el sujetador a juego? porque a esa parte si tiene acceso visual nuestro héroe 😉 )

2. ¿Cómo ha adivinado el color?

El color como hemos indicado viene determinado por una percepción de las distintas longitudes de onda reflejadas por un material en concreto. En concreto para que una cosa se vea rosa, el material debe reflejar las longitudes de onda cercanas al rojo y al azul, absorbiendo las demás. Pero claro la luz blanca procedente de la iluminación de la terraza, no llega a la ropa interior de Lois Lane. Con lo que para ver a través de la ropa Superman ha tenido que utilizar su visión por rayos-X. Para poder ver a través de la ropa se utilizan rayos-X de baja energía, como en los escaneres de los aeropuertos y se mide la radiación que se ve reflejada (backscattering) por los tejidos blandos. Así que es muy difícil ver la ropa, pero aunque Superman hubiese podido ver la ropa, los fotones que han alcanzado sus retinas, después de “rebotar” en Lois, son de la misma longitud de onda que los que salieron de sus ojos, así que … amigo, el color no se ve en los rayos-X, podemos formar una imagen, pero esos matices no están al alcance de la visión de Superman.

Pero como es Superman, igual además de todas las peculiaridades que tiene en el ojo, también sufre un proceso no-lineal que transforma las longitudes de onda de rayos-X a longitudes del visible, que como es Superman yo me lo creo ;).

Además para ver si alguien lleva ropa interior o no, sería mejor utilizar una cámara de infrarrojos, que si permiten adivinar la forma de la ropa interior, ya que esta obstruye el camino del calor generado por nuestro cuerpo. Siempre y cuando lleve poca ropa como es el caso de nuestra periodista en la escena. Pero seguiríamos sin saber el color.

Imagen térmica.

¿Nos seguimos leyendo?

@guardiolajavi

Esta entrada participa en el XLIV Carnaval de la Física alojado en esta ocasión por ZTFNews.