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Ha nacido una estrella

Aprovechando la feria del libro de Madrid, y que un amigo iba para allá (al que también le agradezco el apoyo, gracias Mastroiani) le pedí que me comprara el libro de Stephen W. Hawking titulado: “Historia del Tiempo: Del Big Bang a los agujeros negros”, de Alianza Editorial. Libro de divulgación que recomiendo a todos los amantes del tema espacio/tiempo.

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Empecemos por el principio, ¿cómo se forman las estrellas?.

Una estrella nace cuando una nube llamada “nebulosa” formada por partículas de polvo y gran cantidad de gas relativamente frío, principalmente hidrógeno (H), comienza a colapsar (es decir, contraerse o disminuir intensamente) sobre sí mismo debido a la atracción gravitatoria. Conforme se contrae, sus átomos empiezan a colisionar entre sí, cada vez con mayor frecuencias y a mayores velocidades: el gas se calienta y con el tiempo estará tan caliente(1.000.000C) que cuando los átomos de hidrógeno choquen ya no saldrán rebotados, sino que se fundirán formando helio (He). Estas reacciones nucleares junto con otras menos importantes, es lo que se conoce como nucleosíntesis estelar.

El calor desprendido por la reacción, que es como una explosión controlada de una bomba de hidrógeno, hace que la estrella brille. Este calor adicional también aumenta la presión del gas hasta que ésta es suficiente para equilibrar la atracción gravitatoria, y el gas deja de contraerse.

Ciclo de vida de una estrella

Ciclo de vida de una estrella

La estrella se convierte en una gigante roja y alcanza su mayor tamaño cuando todo su hidrógeno central se ha convertido en helio. Si sigue brillando, la temperatura del núcleo debe subir lo suficiente como para producir la fusión de los núcleos de helio. Durante este proceso es probable que la estrella se haga mucho más pequeña y, por tanto, más densa.

Gigante roja

WOH G64 es una estrella Super-Gigante roja en la Gran Nube de Magallanes

Las estrellas permanecerán estables en esta forma por un largo periodo, con el calor de las reacciones nucleares equilibrando la atracción gravitatorias. Finalmente, sin embargo, la estrella consumirá todo el hidrógeno y los otros combustibles nucleares(Litio (Li) y otros materiales ligeros que forman el cuerpo de la estrella.

Paradójicamente, cuanto más combustible posee una estrella, más pronto se le acaba. Esto se debe a que cuanto más masiva es la estrella, más caliente tiene que estar para contrarrestar la atracción gravitatoria, y, cuanto más caliente está, más rápidamente utiliza su combustible. Nuestro Sol, por ejemplo, ha vivido ya unos 5.000 millones de años y tiene probablemente suficiente combustible para otros tantos más aproximadamente. Entonces crecerá para hacerse una estrella del tipo gigante roja. Más tarde, en la una etapa avanzada de la vida del sol, echará sus capas exteriores. El núcleo restante se colapsará para hacerse un objeto llamado enana blanca que lentamente se difuminará. El sol se convertirá en su última fase, en un objeto débil y frío a veces llamado enana negra.

Las estrellas más masivas pueden gastar todo su combustible en tan sólo 100 millones de años, mucho menos que la edad del Universo. Cuando una estrella se queda sin combustible, -¡¡ningún combustible dura para siempre!!- empieza a enfriase y por lo tanto a contraerse, debido a la atracción gravitatoria. Cuando las estrellas están a punto de morir, cambian mucho y de forma espectacular.

La desaparición estelar más extravagante de todas es la supernova por colapso de núcleo, uno de los fenómenos más energéticos del universo. La mayoría de las estrellas, las verdaderamente masivas, empiezan consumiendo hidrógeno y creando helio. Se alimentan con energía nuclear, pero no fisión, sino, fusión. cuatro núcleos de hidrógeno (protones) se funden en un núcleo de helio a temperaturas extraordinariamente altas y esto genera calor. Cuando las estrellas se quedan sin hidrógeno sus núcleos se contraen, lo que eleva la temperatura lo suficiente para que puedan empezar a fusionar helio en carbono(C). Las estrellas que son más de diez veces mayores que la del Sol tras consumir carbono pasan al oxígeno(O), luego al neón(Ne), al silicio(Si) y finalmente forman un núcleo de hierro(Fe).

Supernova

Supernova Real. NASA.

Se llega al final del camino cuando la fusión del silicio produce hierro, cuyo núcleo es el más estable de todos los elementos de la tabla periódica. La fusión del hierro para producir núcleos todavía más pesados no genera energía, sino que la consume, por lo que el horno de producción de energia se detiene aquí. El núcleo crece rápidamente a medida que la estrella produce cada vez más hierro.

Cuando el núcleo alcanza aproximadamente 1.44 masas solares, llega a una especie de límite mágico, conocido como límite de Chandrasekhar. El límite de Chandrasekhar es la máxima masa posible de una estrella fría estable. Estas estrellas frías estables son las denominadas enanas blancas. El 90% de las estrellas son enanas blancas o rojas.

Enana blanca

Enana blanca

Si se supera ese límite, la presión en el núcleo no puede contrarrestar la que ejerce la gravedad y el núcleo se colapsa en sí mismo, provocando la explosión de una supernova.

El núcleo se colapsa en milisegundos y la materia que cae sobre él -a velocidades de casi un cuarto de la velocidad de la luz- hace que la temperatura en su interior aumente hasta unos 100.000 millones de grados Kelvin, unas diez mil veces más que el núcleo del Sol.

Si una estrella solitaria tiene entre diez y veinticinco veces la masa del Sol (estrellas supermasivas), el colapso crea en su centro un nuevo tipo de objeto: una estrella de neutrones o púlsar. Las estrellas cuya masa está entre ocho y diez veces las del Sol también acaban convertidas en estrellas de neutrones, pero la evolución nuclear de su centro no es tan rápido como el anterior.

A la elevada densidad del núcleo en colapso, los electrones y los protones se fusionan. La carga negativa de un electrón individual anula con la carga positiva de un protón y se unen para dar lugar a un neutrón y un neutrino. Dejan de existir núcleos individuales, que desaparecen en una masa de lo que se conoce como materia degenerada de neutrones. Si este embrión de estrella de neutrones acumula más de unas tres veces la masa del Sol, lo que sucede si la masa de la estrella solitaria (llamada progenitora) supera unas veinticinco veces la masa del Sol, la gravedad se impone sobre la presión de de degeneración de los neutrones y se genera un Agujero Negro.

En un agujero negro, la gravedad es tan fuerte que ninguna radiación es capaz de escapar: ni la luz, ni los Rayos X, ni los rayos gamma, ni los neutrinos, nada de nada…La linea divisoria entre las “progenitoras” que forman estrellas de neutrones y las que dan lugar a agujeros negros no está muy definida; depende de muchas otras variables, no sólo de la masa, como por ejemplo, la rotación estelar. Pero bueno,..esto de los agujeros negros da para mucho,..así que para otro día haré otra entrada sobre ello.

Y ya termino, recomendando una aplicación de móvil llamada “Google Sky Map” que también me descubrió Maribel y que creo que es muy interesante si queréis saber en todo momento la localización de alguna estrella o constelación:

https://play.google.com/store/apps/details?id=com.google.android.stardroid&hl=es

¡¡¡Espero que os guste!!!.

Referencias:

* “Por amor a la física”, Walter Lewing con Warren Goldstein. De Bolsillo.

* “Historia del Tiempo: Del Big Bang a los agujeros negros”, Stephen W. Hawking. Alianza Editorial.

* http://www.astromia.com/universo/evolestrellas.htm

* http://es.slideshare.net/bioblogg/ciclo-de-vida-de-una-estrella

* http://www.geologia.unam.mx/igl/index.php/difusion-y-divulgacion/temas-selectos/573-la-nucleosintesis

* http://www.iem.csic.es/semanaciencia/semanaciencia11/semciencia11-Herrero.pdf

* http://www.nationalgeographic.es/ciencia/espacio/enanas-blancas

* http://principiatechnologica.com/2013/03/26/la-formacion-estelar-y-el-limite-de-colapso-limite-de-chandrasekhar/

* http://www.taringa.net/zGamer/mi/bC0RK

 
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Publicado por en 27/06/2015 en Ciencia

 

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El pájaro termodinámico

Hace unos años, estando en clase de Termodinámica, el profesor de dicha asignatura (uno de los mejores profesores de la carrera, en mi opinión), nos trajo un  jueguete para explicarnos el 2º Principio de la Termodinámica. Dicho juguete se llama “Drinking bird” (o “Pájaro bebedor” si lo traducimos al castellano).

A mi aquella clase me pareció muy instructiva y de hecho estuve algún tiempo buscando aquel curioso “pájaro”, descubriendo que su venta en España estaba prohibida por las autoridades ya que algunos contenían cloruro de metileno (CH2Cl2) que es un líquido inflamable y sofocante pudiendo ser “peligroso” para los niños, lo mismo que el vidrio en caso de romperse.

Posteriormente, me volvió a picar el gusanillo, tras verlo en un episodio de los Simpsons.

Y hace unos meses, descubrí que en una de estas famosas páginas chinas de venta por internet, lo tenían por un más que módico precio, y junto, con otro par de compañeros de mi empresa, encargamos unos cuantos de estos artilugios.

No nos tardaron en llegar. Pero vayamos al tema del apotema:

FUNCIONAMIENTO:

El “artilugio” consiste en dos esferas de vidrio (una sería “la cabeza” del pájaro y otra “el cuerpo”) comunicadas por un tubo hueco también de vidrio. En el interior de las esferas se introduce un líquido volátil cuyo punto de ebullición está próximo a la temperatura ambiente 28C para que evapore fácilmente. Normalmente este líquido de color rojo suele ser Trifloruro dicloroetano (CF3CHCl2) también conocido como “Halotrón” o en otros casos, el ya mencionado, Cloruro de Metileno (CH2Cl2 y Pe = 34C).

La “cabeza” se recubre con fieltro y se le añade un pico del mismo material poroso. En la mitad del tubo, se encuentra una pieza metálica que actuará de eje y como apoyo para el soporte que permitirá la oscilación. Ya tenemos la estructura del pájaro. Ahora sólo falta aproximarlo a un vaso lleno de agua (y suficientemente alto para que el pico del pájaro llegue cuando está inclinado).

Se introduce el pico en el agua para que “beba” y se suelta para que recupere la verticalidad,..a partir de ahí, el pájaro repite dicho proceso el sólo “indefinidamente”.

 

FUNDAMENTO FÍSICO

En principio, este aparato puede parecer lo que en Termodinámica se denomina “Móvil Perpetúo de Segunda Especie” (MPSE), es decir, que sería capaz de transformar la energía interna (en forma de calor) en energía mecánica sin que haya gasto de entropía, por lo que se cumpliría el Principio de Conservación de la Energía (cosa que incumplen los Móviles Perpetuos de Primera Especie que crean energía de la nada), pero no el Principio de Aumento de la Entropía.

Parte del agua que se encuentra en el pico después de beber del vaso, se evapora por un proceso adiabático espontáneo llamado “Principio del Mínimo de la Función de Gibbs”, siempre que la humedad del aire esté por debajo de la humedad de saturación (humedad relativa menor del 100%), por lo que, por el Segundo Principio de la Termodinámica, aumenta la Entropia del Universo. El agua toma calor de la cabeza del pájaro y la temperatura desciende en medio grado Celsius. Entonces la presión de vapor del líquido volátil disminuye con la temperatura(Ecuación de Clausius-Clapeyron). Se establece una gran diferencia de presión entre la cabeza y la base que hace al líquido subir por el tubo gracias a que el extremo de éste se encuentra por debajo de la superficie del líquido hasta que la diferencia de presión cabeza-cuerpo se equilibra (Experiencia de Torricelli y Teorema de Bernoulli). En verano, la cabeza se enfría más rápido y el liquido asciende en menos tiempo, debido a la menor humedad relativa.

Cuando el líquido asciende tanto por el tubo que el centro de gravedad del pájaro se encuentra por encima del fieltro, el equilibrio se hace inestable, y crea un par de fuerzas, que da lugar al movimiento de rotación que hace que el pájaro se ponga en posición horizontal de nuevo y moje el pico de fieltro en el agua y se vuelva a repetir el proceso.

Esto hace que el movimiento se repita constantemente durante largo tiempo.

ENLACES:
Saber curioso

Monográfico sobre Ciencia Recreativa

Universidad de Cantabria

 
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Publicado por en 10/02/2013 en Ciencia

 

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El mayor espectáculo del mundo: Las Auroras Boreales.

Desde pequeño, mi gran ilusión, ha sido siempre viajar a los Fiordos Noruegos para poder presenciar en directo, lo que para mí, es el mayor espectáculo del mundo: Las Auroras Boreales.

A día de hoy, sigo asombrándome con sus preciosas imágenes y cada día tengo más ganas de verlas. Ahora, sólo me falta, “engañar” a alguien para que me acompañe, pasando un poco de frío (unos -25º más o menos),..y ahorrar un poco para poder ir (que el viaje a esas tierras sale bastante carillo).

Hoy han llegado hasta mí, otras impresionantes imágenes de la Aurora Boreal de la revista Abadía digital. Esta vez, se trata de unas imágenes en formato time-lapse del fotógrafo Terje Sorgjerd en el pequeño pueblo noruego de Kirkenes.

The Aurora de Terje Sorgjerd en Vimeo.

Las auroras boreales o luces del norte,  se forman cuando el viento solar, que recorre todo el Sistema Solar, reforzado con partículas subatómicas, choca contra el campo geomagnético, la magnetosfera (región del espacio donde queda confinado el campo magnético terrestre y que actúa como escudo protector ante buena parte de las partículas cargadas de la radiación cósmica) y la ionosfera. El Sol emite constantemente y en todas las direcciónes un flujo de partículas cargadas que tarda 4 o 5 días en llegar a la Tierra. Estas partículas: protones y electrones que se llaman plasma, colisionan con las moléculas de gas de las atmósfera, excitándola, desexcitandola después y produciendo luminiscencia.  La aurora se produce en la ionosfera (90 a 110 km de altura).

Una aurora boreal comienza con un brillo fosforescente en el horizonte. Este brillo disminuye, pero vuelve a intensificarse. Es entonces cuando aparece un arco iluminado, que a veces se cierra en forma de círculo (corona boreal) muy brillante, con centro en el meridiano magnético; que se eleva en el cielo. A continuación, nuevos arcos iluminados aparecen y siguen al primero. Pequeñas ondas y rizos se mueven a todo lo largo de estos arcos.

En cuestión de unos pocos minutos, se observa un gran cambio en el cielo. Un bombardeo de partículas golpea a la atmósfera superior, fenómeno que recibe el nombre de subtormenta auroral (en Inglés, auroral sub-storm.) Rayos de luz caen del espacio, formando cortinas que se expanden en el cielo, cuyos bordes superior e inferior están coloreados de violeta y rojo. Sus colores también pueden mezclarse, o entretejerse unos con otros.

Las cortinas desaparecen y vuelven a formarse a partir de nuevos rayos de luz. Un observador puede mirar directamente sobre su cabeza y observar entonces rayos dirigiéndose en todas direcciones, formando lo que se llama corona auroral.

Luego de 10 o 20 minutos, el bombardeo termina y la actividad decrece. Las bandas de luz dejan de propagarse y se desintegran en una luz difusa que se extiende por todo el cielo.

Las que se presentan en las inmediaciones del Círculo Polar Ártico se llaman auroras boreales, y las del Antártico, auroras australes. Las auroras son más frecuentes en primavera y en otoño.

Os dejo alguna página por si queréis más información o para ver más imágenes.

El rincón de la ciencia

Los 10 mejores sitios para ver la Aurora Boreal

Zona Gratuita

Ciencia Popular

Volando junto a la aurora

 
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Publicado por en 29/03/2011 en Ciencia, Física, Lugares, Meteorología, Naturaleza

 

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Física de la bicicleta (II)

Una vez hecha la introducción,..vamos al “tema del apotema”.

Empezamos por un poco de historia. Ya en el S. XV, el genial Leonardo Da Vinci se adelantó 400 años y en su obra “Codex Atlanticus” podemos ver los primeros dibujos que recuerdan a lo que  es la bicicleta actualmente. No será, sin embargo hasta 1880 cuando aparece la primera bicicleta (de ruedas bajas), que tuvo su predecesor en el llamado celerífero de 1790.  Llegando a popularizarse en la Exposición de París de 1889 (la de la Torre Eiffel) donde fue definida como: “el hada mecánica que multiplica los poderes del hombre”.

Boceto de la bicicleta de Leonardo Da Vinci

Boceto de la bicicleta de Leonardo Da Vinci

En el campo de la física y la Ingeniería, la bicicleta tienes mucha cosa que enseñarnos también.  Cada uno de los elementos que tiene (cuadro, marchas, cadena de transmisión, frenos, piñones, ruedas, neumáticos, dinámo,…), pese a su simple apariencia, encierran un montón de geniales ideas de diseño, física, ingeniería e innovación de materiales que convierten a la bicicleta en el vehículo de locomoción más ecológico, sencillo y saludable que conocemos hoy en día.

Intervienen varias fuerzas, como se puede ver en este blog:

  • La fuerza de la gravedad: El peso del ciclista y de la bicicleta es una fuerza que ejerce la Tierra sobre ambos y que actuan verticalmente y hacia abajo produciendo una acción sobre el suelo. P = mg, donde m es la masa en kg y g es la intensidad de la gravedad, aproximadamente 10 Newton/kg. Por ejemplo a un ciclista que con su bicicleta tuviera una masa de 100 kg le corresponderá un peso de 1000 N.
  • Las fuerzas de reacción: El suelo recibe el peso de todo el sistema y a la vez ejerce fuerzas de reacción sobre las dos ruedas de la bicicleta verticalmente y hacia arriba que equilibran al peso. R1+R2 = P.
  • Las fuerzas de trasmisión: Cuando el ciclista empuja el pedal, la fuerza se transmite mediante la biela al eje del plato. La cadena se tensa y transmite el movimiento y la fuerza sobre el piñon y este transmite la acción al eje de la rueda trasera.
  • La fuerza de rozamiento y la fuerza impulsora: La rueda trasera, al girar en sentido horario empuja al suelo hacia atras mediante el rozamiento. La reacción del suelo es la que impulsa a la bicicleta hacia adelante. Como cuando remamos en una barca. Empujamos al agua hacia atrás y está por efecto de reacción nos ayuda a avanzar.
  • Fuerzas de rozamiento del aire y de los rodamientos: El rozamiento de la rueda con el suelo ayuda a avanzar. A la vez el contacto entre dos objetos en movimiento relativo produce un rozamiento que actua en contra del movimiento. Para un ciclista la fuerza de rozamiento de mayor importancia que debe evitar es el rozamiento con el aire.
  • Fuerzas de una bicicleta

    Fuerzas sobre una bicicleta

    Además de la anteriores, también hay que indicar otras fuerzas:

  • Momento Angular: Nos permite mantener el equilibrio mientras se está rodando. Aparecen cuando sobre un objeto que gira se realiza una fuerza externa. Las ruedas, al girar, poseen un momento angular L, que es un vector cuayo módulo es el producto del momento de inercia de la ruda respecto de su centro I, por la velocidad angular de fitro w. La dirección del momento angular es perpendicular al plano de la rueda.
    Momento Angular

    Momento Angular

  • Fuerzas giroscópicas: facilitan la labor a la hora de tomar una curva. Al aplicar una fuerza externa a un cuerpo que gira,  aparece un momento T:

    Ecuación fundamental de la dinámica de rotación

    L permanece constante si no existe un momento externo. El cambio del momento angular tiene la dirección del momento de la fuerza externa. Esta ley hace que el vector L vaya siempre buscando el vector t. Es el llamado movimiento giroscópico (como cuando gira una peonza):

    Movimiento giroscópico

    Movimiento giroscópico

  • Fuerza  centrífuga: Al realizar un giro, debemos inclinar la bicicleta en el sentido del giro, si no queremos que la fuerza centrífuga nos tumbe al lado contrario del giro.
    Fuerzas sobre la bicicleta de Einstein

    Fuerzas al girar una bicicleta

  • Avance: Es la cualidad de la bicicleta que la ayuda a dirigirse por si sola, facilitando los giros. Se llama “avance” a la distancia entre el punto de apoyo de la rueda delantera con el suelo y el punto donde la prolongación del eje de la dirección corta al suelo.

Si hablamos de leyes físicas, también hay un montón de ellas que intervienen en su funcionamiento:

1) Primera Ley de Newton o Ley de la Inercia: Responsable de que la bicicleta siga rodando cuando dejamos de dar pedales, aunque debido al rozamiento y la fricción irá disminuyendo la velocidad.

2) Segunda Ley de Newton o principio fundamental de la dinámica:  Para una misma fuerza, la aceleración será mayor cuanto menor sea la masa del tándem bicicleta-ciclista. De aquí la búsqueda de materiales ligeros y la disminución del peso de los ciclistas.

3) Tercera Ley de Newton o Principio de Acción-Reacción:  Al pedalear, la fuerza llega a la rueda trasera, que a su vez ejerce sobre el suelo una fuerza de acción. La reacción del suelo es devolver una fuerza sobre la rueda trasera, de igual dirección pero de sentido opuesto. Es decir, siempre hacia delante.

4) Ley de Hooke:

La bicicleta sólo tiene dos puntos de apoyo (los contactos de las dos ruedas con el suelo), que no permite que la bicicleta se tenga en pie por si misma, y hace necesario el tercer punto (pata de cabra) que delimitarán el triángulo y en cuya superficie caerá el vector que representa el peso de la bicicleta

En conclusión,..que la bicicleta, como la mayoría de los objetos, encierran un montón de física y ciencia en su funcionamiento, que daría para escribir muchas páginas.

Os dejo algunos link interesantes con el estudio de estos temas en más profundidad o aplicaciones curiosas:

  • Animación flash de Educared
  • Revista online Autodidacta
  • El ciclótropo: Animacion artesana
  • Revista digital Alhadra
  • Blog Rondandomx
     
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    Publicado por en 25/03/2011 en Ciencia, Física

     

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    Energía Nuclear

    Después del terremoto sucedido en Japón con la consecuencia de las explosiones de los reactores de sus centrales nucleares, se ha reabierto el debate sobre la energía nuclear en el mundo. Pero ya hay un montón de noticias, blogs, artículos que discuten sobre este tema. Aquí sólo voy a exponer un poco que es este tipo de energía de forma general y que cada uno saque sus conclusiones.

    El descubrimiento de la energía nuclear data del año 1896, cuando Henri Becquerel y Marie Curie, vieron que determinados elementos químicos, emitían radiaciones diferentes, a los ya conocidos por esa época, Rayos X. Estas radiaciones eran las que se denominaron alfa, beta y gamma. En 1930 Enrico Fermi bombardeó más de 60 elementos con neutrones, siendo uno de ellos el U235, produciones las primeras fisiones nuclares artificiales.

    La energía nuclear, es la energía liberada al separar dos átomos que estaban unidos.

    Existen dos tipos de energía nuclear:

    Fisión nuclear: Es la que se utiliza en las centrales nucleares de potencia y produce la energía eléctrica. Se obtiene al dividir un núcleo de un átomo (generalmente de Uranio o Plutonio)

    Fusión nuclear: La energía liberada procede de la unión de dos núcleos de átomos ligeros, normalmente Hidrógeno y sus isótopos (Deuterio y Tritio) para formar un núcleo más pesado. Esta energía se produce constantemente en el sol, llegando a la tierra en forma de radiación electromágnetica. Generar este tipo de energía actualmente es inviable, ya que se necesitan unas condiciones de temperatura muy altas y de confinamiento del gas a esa temperatura para producir la fusión de los núcleos.

    Las centrales nucleares (a grosso modo) utilizan la energía generada en la fisión nuclear, para calentar agua hasta convertirla en vapor (esto tiene lugar en el reactor nuclear) a alta temperatura y presión que hará girar una turbina que generará la energía eléctrica.

    Las ventajas de este tipo de energía es que son una alternativa a la energía de combustibles fósiles que son recursos limitados a punto de agotarse (petróleo, carbón,..) y que necesita mucha menos cantidad de combustible, con el consecuente ahorro de transporte, residuos,…

    Esta energía no produce el llamado calentamiento global, con lo que mejora también la calidad del aire con una disminución de enfermedades respiratorias actuales y mejorando nuestra calidad de vida.

    Por contra, la principal desventaja de la energía nuclear es la gestión de los residuos nucleares, ya que tardan muchísimos años en perder su radiactividad.

    Podéis tener más detalles sobre el plutonio encontrado en Fukushima en el siguiente blog:

    El rincón energético

     

     
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    Publicado por en 16/03/2011 en Ciencia

     

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