29 de juny del 2021

EL MITO DE LA ENERGÍA DE FUSIÓN (infinita, limpia y barata)

Vuelvo a leer, por enésima vez, que la fusión nuclear nos proporcionará energía infinita, limpia y barata, según los periodistas que lo escriben.
Voy a analizar la frase.


Energía infinita. Bueno, infinito no hay nada (segun A. Einstein "sólo dos cosas son infinitas: el universo y la estupidez humana, y de lo primero no estoy seguro"). Para obtener energía eléctrica se requiere un combustible. que nunca es infinito. Grande sí lo es , pero no infinito. Cuando se descubrió el petróleo también parecía infinito, pero nuestra voracidad consumista ha apuesto en evidencia lo escaso que era. Además. cuanto más barata sea la energía más consumiremos (las leyes de la economía así lo dicen) . O sea que barato e infinito son contradictorios, por ley de mercado.
"Pero hay mucho combustible", me diréis. Sí, pero no infinito y la experiencia demuestra que somos capaces de agotar los recursos naturales más inagotables, sobre todo si, como es el caso, no son renovables.
Y ¿cuál es ese combustible milagroso? ¿el  agua?. Pues el combustible milagroso es el deuterio y el tritio, dos isótopos de hidrógeno presentes en el agua. El deuterio en una proporción de 0,015% en el agua, con unos costes de extracción nada desdeñables (luego hablamos del coste...) y el tritio, isótopo escasísimo porque no es estable y se  desintegra espontáneamente. 

Energía limpia. Limpio no hay nada, en el mundo de la energía. Cuando se quema carbón se producen humos, CO2 y cenizas. Con el petróleo, más e lo mismo, la fabricación de paneles solares genera muchos residuos peligrosos  y consume mucha energía, la nuclear clásica ya sabemos el tema de los residuos.  Y con la energía de fusión? Pues es cierto que la reacción de fusión nuclear produce helio, que ni es tóxico ni es radiactivo. Pero .... par llegar a disponer de combustible el proceso es peligroso. Ahora mismo, el tritio se produce en reactores nucleares de fisión, irradiando litio u otros materiales. "Se espera que a medio o largo plazo la tecnología logre fusionar de forma controlada tritio y deuterio. Esta fuente de energía sería inagotable, pues el deuterio está presente en el agua de mar y el tritio, que también es muy abundante en la corteza terrestre. En un primer momento el tritio se produciría mediante la radiación por neutrones de litio en reactores de fisión nuclear, para más tarde implementar un método de obtención de tritio a partir de unos paneles de litio en los reactores de fusión nuclear que serían bombardeados por los neutrones libres producto de la fusión. El producto de la fusión de ambos elementos es el helio, que no es radiactivo, pero se producirían residuos radiactivos en la fase previa de fisión nuclear que utilizaría uranio o plutonio para producir tritio antes de implementar un método de obtención de tritio en los reactores de fusión nuclear. "( de https://es.wikipedia.org/wiki/Tritio)

Por lo tanto, no es tan limpia como parece

Energía barata. Ahí el tema es más complicado de prever y además es como un anzuelo para que piquemos.
En el coste de la energía al consumidor final intervienen muchos factores y voy a analizar algunos (no todos, seguro que hay más):

  1. El coste propiamente de producción. El coste de producción de la energía podemos desglosarlo en varios sub-costes
    1. Coste del combustible
    2. Coste de explotación y mantenimiento de la instalación (reactor)
    3. Amortización de la instalación
    4. Coste de desmantelamiento de la instalación al final de su ciclo de vida
  2. El coste de transporte
  3. El margen comercial de beneficio
  4. Los impuestos

Vamos a ver uno por uno cada uno de estos conceptos. Sin números, sólo cualitativamente, porque aún no podemos calcular muchos de ellos aunque podemos intuir por donde irán. Empecemos por el final.

Los impuestos sobre la energía no van a disminuir. Los Estados no van a renunciar a llenar sus haciendas con los impuestos de la energía. Además, con la excusa de que es muy barata, probablemente (conociendo el paño) van a aprovechar el supuesto abaratamiento para incrementar la fiscalidad. O sea, más impuestos.
Las empresas productoras, distribuidoras y comercializadoras no van a renunciar a su margen comercial. Más bien al contrario, igual que los Estados, con la excusa del abaratamiento y abundancia de la energía, aprovecharán para aumentar beneficios. O sea, las eléctricas ganaran más.
El coste del transporte y distribución. Ese , probablemente, será similar al actual. Algo mayor quizás, porque habrá que hacer líneas de transporte de alta tensión con mayor capacidad.

Respecto a los costes de producción, el combustible no es gratuito. EL deuterio hay que extraerlo del agua y eso ni es fácil ni es barato, y el tritio hay que fabricarlo en reactores que consumen uranio y plutonio .... 

No sé cual es la vida útil de un reactor de fusión, pero, teniendo en cuenta el estrés a que están sometidos los materiales, no creo que vaya más allá de 30 o 40 años, a lo sumo. Y como el coste de estos reactores (con la tecnología actual) es astronómico, la repercusión económica de dicho coste en la energía producida seguro que será una parte muy importante. Al que hay que sumar el coste de desmantelamiento de la central y los residuos que se generen, muchos de ellos radiactivos por haber estado irradiados durante el tiempo de vida del reactor.

Añadimos que, teniendo en cuanta la enorme inversión necesaria, sólo al alcance de unos pocos, se producirá de hecho una situación de monopolio de la producción por parte de muy pocos. Y la experiencia nos dice  que eso no abarata la energía, sino todo lo contrario.

O sea, que ni infinita, ni limpia, ni barata.
Habrá más energía que con el petróleo o la nuclear de fisión, será más limpia que los reactores actuales y respecto al coste, debemos diferenciar entre coste y precio. El coste quizás sea menor, aunque es dudoso. Pero en cuanto al precio, eso que pagamos todos por su consumo, la teoría económica nos dice
que el precio se fija en función de la oferta y la demanda y dependiendo de cuanto estamos dispuestos a pagar por el kwh.

Es decir, si ahora pagamos 100 € al mes por la energía, el mercado (el estado, productores, etc) se las compondrá para que sigamos pagando (como mínimo) esos 100 € que ya estamos pagando actualmente.

Resumiendo y parafraseando a Dante Alighieri en la Divina Comedia,  "Lasciate ogni speranza voi ch'entrate" (Abandonad toda esperanza) que es la inscripción que se encuentra en la puerta del infierno.



2 de gener del 2021

COMO HACER CIRCUITOS IMPRESOS CON IMPRESORA 3D ENDER-3

Hace algunas semanas me planteé realizar unos prototipos de interface de Arduino. Para eso necesitaba hacer un circuito impreso y, como no tengo insoladora ni espacio para ponerla (y además ese sería un accesorio que usaría 2 veces al año), busqué formas alternativas. Encontré el método de la transferencia de tóner con acetona (o quita-esmalte de uñas) y el de la transferencia en caliente mediante una plancha. Ninguno de los dos me funcionó. Lo probé con distintos tipos de papel y distintos tipos de tóner, siempre con impresoras láser. En ningún caso hubo una transferencia de tóner del papel al cobre. No sé la razón pero, como máximo, en algún caso se veía una leve sombra sobre el cobre. 

Por eso decidí iniciar otro método alternativo.

El método se basa en usar la impresora 3D (una Ender-3 pro) como plotter, dibujar el circuito directamente sobre el cobre y atacar químicamente.

Para eso hay que seguir unos pasos.

1. Convertir la impresora en plotter

Eso se consigue añadiendo un rotulador a la impresora 3D y programando algunos parámetros con valores adecuados.

Buscando en internet en la web thingverse encontré varias posibilidades, alguna funcionaba mejor que otra. Los problemas que se presentan son básicamente:

  • el ajuste de la posición del rotulador
  • La fijación a la impresora
  • La fuerza de apoyo del rotulador la superficie de escritura
  • la rigidez y ausencia de holgura del rotulador

Finalmente, después de varias pruebas decidí que la mejor solución era una de la web thingverse que podéis encontrar aquí y descargarlas.

  

Se trata de un dispositivo para Prusa que voy a adaptar a mi ENDER-3.

El material es el siguiente:

  • Las 3 piezas del diseño de thingverse que nos bajamos e imprimimos con nuestra impresora 3D
  • El adaptador a ender-3
  • Un tornillo de M03x25, con arandelas y tuerca
  • Un tornillo de M05x35, con arandelas y tuerca
  • Una goma elástica común
  • Un rotulador Staedler Lumocolor permanente de punta fina (tipo S)
  • Algo de lubrificante (sirve un poco de grasa o talco)
  • Papel DIN A-4
  • Placa circuito impreso con cobre (no fotosensibilizada)

Soporte de rotulador. Este es el punto más delicado de todo el proceso. Se imprime la pieza y luego se verifica que el rotulador entre fácilmente en él. Normalmente hay que  ajustar el diámetro de los orificios porque no desliza bien. Suavemente, con una lima redonda, vamos aumentando el diámetro de los orificios, sin pasarnos. Si nos pasamos y el rotulador tiene demasiada holgura, se perderá calidad del resultado. Además, como el rotulador, aunque parezca cilíndrico no lo es, el diámetro del orificio superior es ligeramente mayor que el del inferior. Podemos ayudar al deslizamiento del rotulador poniendo un poco de talco o grasa, muy poca (nunca las dos cosas).

Adaptador  para ENDER-3. Imprimimos el adaptador para ENDER-3. Le atornillamos el soporte para rotulador y lo instalamos en la ENDER-3 mediante un tornillo,de M05 con arandelas y tuerca. Bien fijado, que no se mueva. Para fijar el conjunto a la impresora bastará con aflojar un poco los tornillos que fijan el carro del nozzle e introducir la pieza en ese espacio y atornillar de nuevo.



Para descargar el fichero STL, hacer clic aquí

Finalizar el montaje. Para finalizar bastará añadir la pieza de tope con su tornillo M03, arandelas y tuerca, el "empujador" del rotulador y la goma elástica. El tope sirve para evitar que el rotulador (por el empuje de la goma elástica) baje al levantar el cabezal para hacer un movimiento sin escritura y raye el dibujo. La holgura que deberá tener es pequeña, de 1 a 2 mm aproximadamente.


Ajustes. Los ajustes a realizar serán los siguientes:

Puesto que no vamos a quitar el cabezal de la impresora, haremos un ajuste para que la punta del rotulador quede más baja que el noozle (unos pocos milímetros, 5 ó 6). Esto es imprescindible si queremos evitar tener que desmontar el noozle y por ello será necesario subir el final de carrera del eje Z.

 

A continuación pondremos una hoja de papel en la impresora que fijaremos con adhesivo y procederemos a hacer un auto-home para que el cabezal vaya a la posición de origen. Una vez en esta posición, procederemos a ajustar de nuevo el rotulador para que la punta apoye sobre el papel. Puede ser necesario mover de nuevo el final de carrera del eje Z (si lo habíamos desplazado mucho) o nivelar de nuevo la cama de la impresora. Moviendo manualmente la cama, verificamos que el rotulador escribe en el papel.


A continuación fijaremos el tope en esta posición, para impedir que punta del rotulador haga excesiva presión sobre el papel lo que podría producir un desgaste excesivo de la punta, falta de precisión del trazado (demasiado grueso) o incluso un efecto de holgura.

2. Generar la imagen

Ajustes en el slicer. Finalmente vamos a generar un fichero imprimible por la ENDER-3 mediante el programa CURA. Para ello disponemos de una imagen PDF generada por un software para hacer circuitos impresos (que será el objetivo). Como CURA no permite cargar ficheros PDF, hacemos el siguiente truco: 

  • Visualizamos el PDF en pantalla ampliándolo al máximo
  • Hacemos una captura de pantalla y nos generará una imagen PNG

El objetivo era disponer de una imagen PNG para cargar en CURA; cualquier otro método es igualmente válido si conseguís generar un PNG con buena resolución. No he generado directamente el PNG desde el programa de diseño de PCB  (yo uso EasyEDA) porque el resultado obtenido tiene muy baja resolución y no es satisfactorio. Por eso he hecho el paso de generar un PDF y a partir del PDF, generar un PNG con mucha mejor resolución.

Un par de detalles que no hay que olvidar:
1/ la imagen de la que disponemos es la vista desde el lado componentes. Por lo tanto hay que invertirla (como si fuese un espejo). Para ello, cualquier programa de dibujo tiene la opción de voltear  una imagen. Una buena costumbre es la de escribir algún texto en el lado cobre y verificar que se lee correctamente en la imagen del programa CURA

2/Al finalizar el cirduito efectuar una medida, lo más precisa posible de la anchura. Este dato nos será de utilidad más adelante

Arrancamos el programa CURA y hacemos la instalación de una nueva impresora que yo he llamado "ENDER-3 Plotter". Esto nos permitirá modificar los ajustes para usarla como plotter sin alterar los ajustes que tuviésemos en la ENDER normal. En esta "nueva impresora" haremos algunos ajustes básicos:

  • Temperaturas (noozle y cama) a 0
  • Retracción en eje Z de 5 o 6 mm

También podemos aumentar el relleno a 100%, para asegurar que queda bien recubierto de tinta, variar la velocidad o aumentar la precisión o la distancia de retracción en el eje Z. Todo ello en función del resultado que se obtenga.

Una vez tenemos el fichero PNG, lo cargamos en el CURA y nos aparece algo así

 

Como se puede ver las dimensiones no son las correctas. Procederemos a modificarlas. En nuestro caso la dimensión X del circuito es de 40 mm (lo hemos medido antes, al dibujarlo en el programa de diseño de PCB). 

Como esto es una impresora 3D, si no hacemos nada más nos hará una reproducción en 3D de la placa entera. Pero como solo queremos las pistas de cobre, finalmente "hundimos" el dibujo para que sólo se impriman las pistas y no la placa. Normalmente con bajar la posición Z en 0.2 a 0.5 mm debe ser suficiente.


Ya podemos segmentar  y pasar el fichero a la impresora.

3. Impresión

 Empezamos a imprimir la prueba sobre papel


Y vemos que el resultado es correcto. No es preciso (en este caso) esperar a la finalización de la impresión sobre papel, porque se trata solo de una prueba. Podemos pararlo en cualquier momento, aunque nos quede una raya. El objetivo era verificar el funcionamiento y la posición en la  que imprime el circuito, que está desplazada por la distancia entre el noozle y el rotulador.


 

Realización del circuito impreso. Par imprimir el circuito impreso, empezamos por tomar una placa de cobre de medidas apropiadas y limpiarla bien. Usamos para ello lana de acero para decapar el posible óxido, y luego acetona para no dejar ningún tipo de suciedad ni óxido. Estas operaciones las realizamos con guantes de nitrilo o látex que evitan que dejemos grasa con los dedos y que son resistentes a la acetona. Atención con la acetona: es muy volátil e inflamable. Hay que hacerlo en un sitio ventilado y en ausencia de cualquier llama o chispa.


 

Procedemos a acondicionar la superficie


y después colocamos la placa de cobre en la impresora, en el mismo lugar en que se ha hecho el dibujo sobre papel y la fijamos con cinta adhesiva. Como el grueso de la placa de circuito impreso es muy grande, usamos un trozo viejo de placa para hacer el nuevo reglaje del rotulador. Y finalmente lanzamos la impresión

4. Atacado del cobre

Esta es la parte más fácil. Para eso necesitamos un recipiente de plástico, agua oxigenada de 110 volúmenes y salfuman comercial. Guantes y gafas de protección son imprescindibles porque trataremos con productos químicos muy corrosivos. No usaremos percloruro de hierro, que es un clásico. En su lugar lo haremos con agua oxigenada (peróxido de hidrógeno) y salfuman (ácido clorhídrico) del que venden en todas las tiendas. Si tenemos bicarbonato sódico, también lo podemos utilizar, aunque es opcional y no es necesario, aunque sirve para parar la reacción del ácido. 

Las proporciones las vamos a hacer "a ojo", porque tampoco es muy crítico. Lo importante es que el agua oxigenada sea de 110 volumenes (botella negra) no la que se usa para desinfectar normalmente, que no es suficientemente oxidante y la reacción sería muy lenta.

Ponemos el circuito en el recipiente de plástico y lo cubrimos con agua, solo hasta cubrir. Luego añadimos un chorro de salfuman (aproximadamente la mitad que de agua) y otro tanto de agua oxigenada.

La reacción se inicia inmediatamente y vemos como el cobre desaparece en pocos segundos. Si la reacción va muy lenta o no hay en absoluto, podemos añadir más ácido y más agua oxigenada.

Agitamos el recipiente para que el ataque sea homogéneo y en un par de de minutos ya está listo (el agua irá tomando un color azulado, del ion cobre que se forma). 

Cuando desaparece todo el cobre, lo sacamos, lo enjuagamos con agua y con bicarbonato (opcional). Lavamos y secamos.

Finalmente, limpiamos la tinta con acetona. 

Et voilà !!!