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No, el agua nunca puede ser un combustible, porque ya está quemada

Hace unos días aparecía un titular sorprendente en algún medio: una sonda espacial japonesa utiliza agua como combustible. Lo cual invitaría a cualquiera a preguntarse por qué los humanos hemos sido tan imbéciles hasta ahora de no aprovechar este combustible casi infinito e inocuo para todos nuestros transportes y necesidades energéticas, y en su lugar se ha perforado el suelo para sacar petróleo, carbón y gas. ¿O es que los ingenieros japoneses son tan listos que han conseguido triunfar allí donde hasta ahora todos los demás habían fracasado?

Es más, corren por ahí viejas teorías de la conspiración según las cuales sería posible fabricar coches que funcionaran con agua, pero las grandes compañías lo han impedido e incluso han asesinado a quienes se han atrevido a desarrollar tales tecnologías.

Ilustración de la sonda japonesa EQUULEUS. Imagen de ISAS/JAXA.

Pero, por desgracia, nada de esto es cierto. Resulta que el agua como combustible es uno de los eternos y más viejos fraudes de la (pseudo)ciencia, como la máquina de movimiento perpetuo o la curación por agua (homeopatía).

No, el agua no es un combustible. Nunca podrá ser un combustible. Es imposible. No es una cuestión de ingeniería, sino de leyes fundamentales de la naturaleza, de cómo funciona el universo.

Un combustible es algo que puede quemarse, es decir, sufrir combustión. La combustión es una reacción química de oxidación, en la que una energía de activación (calor) facilita que el combustible reaccione con el oxígeno para desprender más calor y generar productos oxidados, quemados. Por lo tanto, toda combustión necesita tres cosas, combustible, calor y oxígeno, y genera dos cosas, calor y productos oxidados.

Pensemos, en concreto, en los hidrocarburos. Por convención, se llaman así solo los compuestos formados exclusivamente por carbono e hidrógeno, como la gasolina o el gas natural. Pero todos los seres vivos de este planeta estamos formados por carbono, hidrógeno y algunas cosas más. Es decir, en cierto modo toda materia orgánica es un hidrocarburo ampliado. Y también lo son todos los materiales orgánicos que se obtienen a partir de los seres vivos: el papel (celulosa), el algodón (también celulosa), el azúcar (sacarosa), la lana (queratina y lípidos), el aceite (lípidos)…

Todos los compuestos orgánicos tienen una reacción de combustión básicamente común. El más sencillo de ellos es el metano, componente fundamental del gas natural, que contiene cuatro átomos de hidrógeno y uno de carbono por cada molécula, es decir, CH4. Esta es la reacción de combustión del metano:

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

Es decir, una molécula de metano se quema con dos moléculas de oxígeno para producir una molécula de CO2 y dos moléculas de agua.

Un ejemplo algo más complejo es la glucosa, el combustible básico del metabolismo de los seres vivos. La glucosa es C6H12O6. Su combustión produce seis moléculas de CO2 y otras seis de agua:

C6H12O6 + 6 O2 →  6 CO2 + 6 H2O

O, por ejemplo, el octano de la gasolina:

2 C8H18 + 25 O2 → 16 CO2 + 18 H2O

En resumen, toda reacción de combustión de materia orgánica genera los mismos productos, CO2 y agua, a lo que se añade alguno más si dicha molécula tiene además otros elementos como nitrógeno, fósforo, azufre… El agua no es un combustible como tampoco lo es el CO2; ambos son productos de la combustión. Ya están quemados. El agua no puede quemarse, del mismo modo que no se puede hacer fuego con cenizas, porque las cenizas ya están quemadas.

La razón física fundamental que está detrás de la imposibilidad de quemar agua es la termodinámica, las leyes de la naturaleza que gobiernan el funcionamiento de la energía. Todas las cosas del universo tienden de forma espontánea a perder energía. Esa liberación de energía es la que aprovechamos para nuestras necesidades. Para que se inicie la combustión necesitamos aportar algo de energía para activar la reacción (la llama de un mechero, la chispa de las bujías), pero la energía que se obtiene de ella es mayor que la necesaria para activarla, y por eso podemos calentarnos con el fuego o mover un coche con gasolina. Los combustibles tienen la energía almacenada en sus moléculas, en forma de energía química.

Por ejemplo, una pelota cae al suelo desde un mueble porque tiene una energía potencial que pierde al caer. Pero la pelota que ya está en el suelo no puede caer al suelo. Energéticamente hablando, el agua ya está en el suelo de su energía química, y por eso no puede quemarse.

Ahora bien, siendo esto así, ¿por qué a veces se habla del agua como combustible? Algo que sí puede hacerse es desquemar el agua, separándola primero en sus elementos, oxígeno e hidrógeno, para de nuevo quemar el hidrógeno y obtener energía de esta combustión que vuelve a producir agua. Pero para que esto sea una fuente de energía, haría falta que la que se obtiene de la combustión fuera mayor que la que es necesario invertir en romperla en hidrógeno y oxígeno.

En el ejemplo de la pelota, podemos subirla de nuevo al mueble para que vuelva a caer. Pero para subirla necesitamos aportar energía a la pelota, y este es el motivo por el que no podemos obtener energía del ciclo de subir una pelota y dejarla caer, porque la energía que se obtiene de ella al caer hay que invertirla en el proceso de subirla de nuevo. Este es el motivo por el que no existe una máquina de movimiento perpetuo. En la Edad Media hubo mucha especulación sobre la construcción de una máquina que pudiera ponerse en marcha y que entonces se moviera sola eternamente. Todos los intentos fracasaron, y el descubrimiento de las leyes de la termodinámica explicó por qué esto es imposible: toda máquina pierde energía en su movimiento (fricción, calor…), y por ello es necesario aportar más energía para que siga moviéndose.

Del mismo modo, en el caso del agua, para romperla en hidrógeno y oxígeno es necesario invertir toda la energía que produce la oxidación del hidrógeno para producir agua; incluso más, ya que en ambos procesos se pierde algo de energía en forma de calor desprendido. La historia cuenta varios casos de inventores que decían haber conseguido motores de agua, pero en todos los casos eran errores o fraudes. Un ejemplo sonado fue el estadounidense Stanley Meyer, que en 1975 afirmó haber conseguido una «célula de combustible de agua» que rompía el agua por electrolisis en hidrógeno y oxígeno para después quemar el hidrógeno con el oxígeno y obtener de nuevo agua, de forma que la energía producida en la combustión alimentaba la electrolisis, de forma cíclica continua. Meyer consiguió embaucar a dos inversores que posteriormente le denunciaron, y fue condenado por fraude en 1996.

En resumen, el único modo de obtener energía del agua como combustible es aportarle energía antes para romperla en hidrógeno y oxígeno. Esto puede hacerse o bien a) directamente inyectando electricidad (electrolisis), o bien b) aportando energía química por parte de ciertos compuestos que reaccionan con el agua para liberar hidrógeno, o bien c) por fotolisis del agua, como hacen las plantas con su maquinaria fotosintética. En todos los casos es necesario aportar otra fuente de energía externa para invertir más de lo que se genera.

En el caso a) no es necesario explicar que la electricidad hay que producirla. Y siendo así, no tiene sentido utilizarla para romper el agua en lugar de usarla directamente para mover un coche. Pero ¿qué hay del b)? Si hay compuestos que espontáneamente reaccionan con el agua para producir hidrógeno, ¿no podrían usarse en un motor de agua?

La respuesta es que sí, podrían. Por ejemplo, el sodio reacciona con el agua para producir hidróxido sódico (NaOH) e hidrógeno. Conviene aclarar que este no sería un buen modo de producir combustible, ya que la reacción es explosiva. Pero nos sirve como ejemplo: el problema es que devolver el NaOH al estado de sodio metálico requiere más energía de la producida en la reacción de este con el agua. Es decir, en todos los casos, fabricar los compuestos que reaccionan con el agua para producir hidrógeno consume más energía de la que produce el hidrógeno desprendido.

Esto se aplica, en general, a todo uso del hidrógeno como combustible. Por ello un coche no puede alimentarse con agua para producir hidrógeno y quemarlo para moverse, ya que el balance energético es negativo. Los coches tienen dos posibles modos de utilizar hidrógeno, o bien quemándolo directamente en un motor de combustión o bien utilizándolo para producir electricidad en una célula de combustible. Pero en los dos casos el balance energético total de la producción de hidrógeno y de su combustión es negativo. Por eso una compañía produce el hidrógeno, y nosotros se lo compramos, pagamos ese gasto energético.

Pero vayamos al caso c), que parece especialmente interesante: si el agua puede romperse por fotolisis, ¿no sería posible emplear de este modo la energía solar para producir hidrógeno libre como combustible? Al fin y al cabo, el sol es gratis; y aunque también se agota, como toda fuente de energía, aún tardará miles de millones de años, por lo que para nosotros es virtualmente inagotable.

Malas noticias: la fotosíntesis rompe el agua y produce oxígeno libre, pero en cambio no produce hidrógeno libre, sino hidrógeno en forma de otros compuestos. Pero sí es posible conseguir una fotolisis del agua de modo que se produzca hidrógeno libre. Hoy muchas investigaciones experimentan distintos modos. Pero aunque haya algunos más prometedores que otros, todos los que han existido, existen y existirán tienen algo en común: siempre tendrán un balance energético negativo. Por desgracia, la termodinámica es físicamente inviolable.

Pero volvamos a la sonda japonesa: ¿por qué entonces se ha dicho que utiliza agua como combustible, si no es cierto? La explicación es curiosa; es un problema de comprensión, de interpretación o de traducción. Lo que decía la nota de prensa de la agencia espacial japonesa JAXA es que la sonda utiliza agua como propelente, no como combustible.

Aunque a veces los dos términos se usen como intercambiables, en realidad son dos cosas muy distintas: un combustible es algo que se quema, mientras que un propelente es algo que se expulsa hacia atrás para impulsarse hacia delante, según la vieja acción-reacción de Newton; en otras palabras, propulsión a chorro. Si han visto la película Marte (The Martian), recordarán cómo el personaje de Matt Damon se agujereaba el guante del traje espacial para que el aire que escapaba le sirviera para impulsarse hacia la nave que debía rescatarlo, al estilo Iron Man, como decía él. Aunque los expertos han criticado mucho esta escena juzgando que sería impracticable, el principio físico sí es válido.

La sonda japonesa, llamada EQUULEUS, utiliza un sistema de propulsión llamado AQUARIUS, consistente en un depósito de agua que se calienta para expulsarse en forma de vapor, y este chorro impulsa su movimiento a través del espacio. Es decir, es una máquina de vapor espacial. Lo cual no deja de ser cool. De hecho, hay un interés creciente en el agua como propelente en las sondas espaciales y como materia prima de hidrógeno combustible y oxígeno respirable en las futuras misiones tripuladas, ya que el agua es un recurso que puede cosecharse en la Luna, en Marte o en asteroides; allí donde lo crítico no es el balance energético, sino obtener materiales esenciales que no pueden llevarse en abundancia desde la Tierra. Bienvenidos al futuro steampunk.