El Interior de la Tierra contiene ingentes cantidades de elementos radioactivos que producen como mínimo la mitad del calor que alimenta procesos como la tectónica de placas o el vulcanismo. Crédito: Swiss Hamony.

De la Tierra salen cada segundo 47 tera vatios de energía en la forma de calor (1 tera vatio equivale a 1 billón de vatios). Si pudiéramos aprovechar la mitad de ese calor todas las necesidades energéticas humanas serían satisfechas. Incluso, quedaría un "pequeño" remanente para seguir alimentando los enormes servidores de Facebook llenos de selfies y fotografías de gaticos.

Una fracción de ese calor mantiene fundidas las cámaras magmáticas de los grandes volcanes del planeta. Estos volcanes devuelven a la atmósfera millones de toneladas de CO2 y agua que son enterrados cada año en el manto de la Tierra por efecto de la subducción de las placas tectónicas. Este proceso mantiene regulado el clima de nuestro planeta y lo hace, en buena parte el lugar habitable que ahora es

Las placas mismas que mantienen este proceso en marcha, existen y se mueven gracias a la energía provista por el interior ardiente de nuestro planeta. Sin una eficiente batería capaz de proveer por miles de millones de años la energía para el horno interior de la Tierra no sería, ni de lejos el supuesto paraíso que conocemos.

¿Cuál es la fuente de toda esa energía? ¿de qué están hechas las "baterías" de la Tierra? 

El tema ha sido materia de intenso debate por muchos años en la comunidad geofísica. Dos tipos de procesos se pelean (o tal vez colaboran) para producir las ingentes cantidades de energía requeridas para la vitalidad geológica de la Tierra.

En una esquina está el que por sí mismo es un hecho sorprendente. Una buena parte del calor interior de la Tierra viene directamente de los cientos de miles de impactos que nuestro planeta recibió durante el proceso de ensamblaje hace 4560 millones de años. Este calor es energía gravitacional "fósil", atrapada por eones en el centro del planeta. Vivimos de ese modo en una bola de roca caliente que todavía se está enfriando.

En la otra esquina está la física nuclear, no menos sorprendente en este caso. Enterrados entre el silicio, el magnesio y el hierro del manto de la Tierra residen no menos de 400 billones de toneladas de elementos radioactivos, principalmente uranio, torio y potasio-40. La lenta transmutación de estos elementos deposita calor en la roca circundante. Si pudiéramos extraer esos elementos del interior de la Tierra, apilaríamos una masa sólida y radioactiva del tamaño de los Alpes.

Pero ¿cuál de los dos procesos es el dominante? Por mucho tiempo los estudiosos del planeta han pensado que ambos procesos podrían ir por partes casi iguales.

¿Cómo saberlo? Aquí es donde entran los antineutrinos.

Cada vez que un núcleo de uranio-238 (es decir un núcleo de uranio con 238 protones y neutrones) se transforma, por una cadena de transmutaciones nucleares, en un núcleo de plomo-208, se producen un total de 6 antineutrinos.

Estas partículas son creadas cuando la fuerza nuclear débil cambia espontáneamente la personalidad de uno de los quarks en el interior de un neutrón. Solo allí la fuerza débil es realmente importante. Una vez el antineutrino abandona el núcleo atómico que lo produce, difícilmente vuelve a interactuar con otra partícula, ni siquiera con una del interior denso de nuestro planeta.

Millones y millones de antineutrinos deberían emerger del interior de nuestro planeta si esta descomposición radioactiva estuviera teniendo lugar en realidad en el manto de la Tierra. Aún más, el número exacto de antineutrinos podría decirnos si son o no los procesos nucleares responsables de la mayor parte del calentamiento interior de la Tierra.

Representación artística de Borexino, el detector que acaba de anunciar la detección de un puñado de anetineutrinos procedentes de la batería nuclear en el interior de la Tierra.  Crédito: Borexino Collaboration

Entre 2007 y 2015, Borexino, uno de los más importantes detectores de neutrinos del planeta estuvo capturando antineutrinos provenientes de distintas fuentes en la Tierra. Entre ellos los más abundantes son los producidos por los reactores nucleares en operación en todos los rincones del planeta.

De acuerdo con las expectativas de los físicos nucleares muy pocos neutrinos de poca energía o poca velocidad deberían ser detectados en la superficie de la Tierra (véase la figura abajo). Los reactores nucleares producen en su mayoría antineutrinos veloces. Es justo por esto que Borexino resulta ser tan bueno para explorar este rango de energías. El detector, que se encuentra enterrado varios kilómetros bajo los Apeninos italianos, fue diseñado para probar si existen o no neutrinos y antineutrinos lentos provenientes bien sea del Sol o del interior de la Tierra.

Sus resultados han mostrado justamente lo que esperábamos si todo lo que sabemos sobre el interior de la Tierra es correcto. Dos docenas de neutrinos de poca energía y provenientes del interior de la Tierra fueron capturados en estos 8 años dentro de la esfera de material centelleante de Borexino. Se trata nada más y nada menos que de un puñado de los pocos antineutrinos producidos por la descomposición de uranio y torio en el manto de la Tierra, detectados hasta ahora por el hombre.

Pueden parecer pocos pero hay que tener en cuenta que la probabilidad de capturar cada uno de los millones de geoneutrinos (como se los llama generalmente) emitidos por nuestro planeta es increíblemente pequeña. Se requieren toneladas de material rico en protones (Borexino contiene en total cerca de 1 millón de cuatrillones de protones) para capturar, en 8 años de operación, tan solo un centenar de antineutrinos.

Número de antineutrinos detectados por Borexino entre 2007 y 2015 (puntos con barras de error).  Comparados con el número esperado de ellos emitidos por elementos radiactivos (areas azul y cian) y por reactores nucleares (área naranja).

¿Qué tienen que decir las medidas de Borexino sobre si es la energía nuclear o la energía gravitacional fósil la que alimenta el calor interior de nuestro planeta? Si le creemos a las medidas recién anunciadas por el equipo científico del detector, la mayor parte del calor que emana del interior de la Tierra (cerca de un 70 % para ser exactos) sería producido por energía nuclear.

Literalmente la Tierra sería un planeta con baterías nucleares.

¿Podría nuestro planeta explotar algún día como una versión gigante de la bomba de Hiroshima? o tal vez ¿será la poca agua potable que nos quede en unas décadas contaminada por los restos de esta batería radioactiva?

¡Nada de eso!

Si bien algunos piensan que no podemos descartar que "reactores" nucleares naturales (es decir lugares donde las transmutaciones nucleares ocurren muy rápidamente) podrían existir aquí y allá en el interior de la Tierra, ninguno de los procesos mencionados aquí podría salirse de control y fundir a la Tierra en una orgía térmica como la que ocurre en las bombas nucleares.

Sustancias radioactivas naturales abundan a nuestro alrededor. El agua que bebemos las contiene. Las rocas en los muros, la arena de la playa. La vida en la Tierra ha convivido de forma tranquila con esta radioactividad ambiental. Incluso podría haber recibido una "ayudita" ya que parte de los cambios genéticos que sufren las especies y que han creado la enorme diversidad biológica que observamos, son también inducidos por los efectos mutantes de la radioactividad natural.

De modo que la próxima vez que piense en la amenaza ambiental que parece representar el uso de la energía nuclear, recuerde que la Tierra misma tiene sus propias "energizers" de uranio y torio.

Notas:

  • Un estimativo de la cantidad de elementos radioactivos en el manto de la Tierra se encuentra en este artículo: "How much Uranium is in the Earth? Predictions for geo-neutrinos at KamLAND" de Fiorentini et al. (2005), arXiv:0501111

Para saber mas:

  • "Spectroscopy of geoneutrinos from 2056 days of Borexino data", por Agostini et al. (2015). Artículo original publicado en Physical Review D reportando las observaciones de Borexino. Disponible en arXiv:1506.04610.
  • "Partial radiogenic heat model for Earth revealed by geoneutrino measurements" por la Colaboración KamLAND (2011). Artículo publicado en Nature Geosciences reportando una de las primeras medidas de geoneutrinos por el detector KamLAND. Disponible aquí.
Jorge Zuluaga
Jorge Zuluaga

Profesor titular del Instituto de Física de la Universidad de Antioquia (UdeA) en Medellín, Colombia. Fundador del pregrado de astronomía de la UdeA e investigador del grupo de física y astrofísica computacional y del Solar, Earth and Planetary Physics Group. Padre de 3, maestro y divulgador por instinto. Tiene el nombre de un asteroide (347940) Jorgezuluaga.

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