La energía y el hombre

José Altshuler
Doctor en Ciencias. Investigador de Mérito
y Profesor Titular de la Facultad de Tecnología de la Universidad de La Habana. Presidente de la Sociedad Cubana de Historia de la Ciencia y la Tecnología.
Miembro de CUBASOLAR.

Un faraón famoso del antiguo Egipto proclamó al Sol como su único dios, que consideraba fuente de la vida y del amor eterno. Pero a su muerte sus sucesores, y sobre todo la casta de los sacerdotes a quienes aquel punto de vista perjudicaba extraordinariamente por razones que no vamos a discutir aquí, se encargaron de que la idea no prosperara. A más de treinta y tres siglos de distancia en el tiempo, hoy es evidente que aquel faraón excepcional no andaba muy desencaminado, porque sabemos perfectamente que sin la energía solar no sería posible la vida en la Tierra, tal como la conocemos.

 

Las plantas verdes, las algas y el fitoplancton fijan por fotosíntesis sólo la milésima parte de la energía de la radiación electromagnética que llega a nuestro planeta procedente del Sol. Pero gracias a esta pequeña fracción de energía solar se producen cada año, como promedio, varios kilogramos de materia orgánica seca por metro cuadrado de superficie. Una parte de esta materia es consumible como alimento por los seres humanos y los animales herbívoros, que a su vez sirven generalmente de alimento a los carnívoros.
Otra parte de la materia orgánica a que nos referimos está constituida por la madera, a la que pueden dársele diversos usos, uno de los cuales es el de servir como combustible, es decir, como fuente de energía térmica por combustión.

Los alimentos de origen vegetal, así como la madera y los residuos vegetales, acumulan en forma química de reserva cantidades de energía llegada del Sol poco tiempo antes. El viento y las corrientes de agua dependen también de esta energía solar de reciente arribo. Pero la energía que llegó a nuestro planeta hace cientos de millones de años fue la que se transformó en energía química y se acumuló en los combustibles llamados fósiles, como el carbón mineral, el petróleo y el gas natural, formados a partir de plantas y microorganismos sepultados desde entonces en las profundidades de la tierra.

Durante cientos de miles de años, el hombre (Homo sapiens) –al igual que algunos de los homínidos inmediatamente anteriores a él– utilizó fundamentalmente dos fuentes de energía: su propia musculatura y la leña para hacer fuego. Hace varios miles de años comenzó a aprovechar el viento y la energía muscular de los animales que había domesticado; mucho después, a comienzos de nuestra era, comenzó a utilizar las corrientes de agua como fuentes de energía. Pero no empezó a explotar en gran escala los combustibles fósiles hasta la revolución industrial.

Aquí nos proponemos examinar en una perspectiva histórica el uso que ha hecho el ser humano de los recursos energéticos a su disposición, desde la prehistoria hasta mediados del siglo xviii, cuando se inició la revolución industrial.

El alimento, fuente de energía
Para mantenerse en plena actividad, e incluso tan sólo para mantenerse vivo, el ser humano necesita absorber energía del medio circundante, principalmente mediante los alimentos que consume. Cuanto más intensa es la actividad que desarrolla, mayor es la cantidad de energía que necesita por unidad de tiempo. Así, por ejemplo, si medimos la energía en kilocalorías (kcal), las necesidades energéticas de un hombre promedio varían con la actividad que realiza, como se indica en la siguiente tabla:

kilocalorías por minuto
(kcal/min)
En reposo (dormido)
1
Trabajo ligero
3,5
Trabajo duro
10,3-12,4

Se ha calculado que, como promedio, un hombre requiere consumir 3 000 kcal diarias para poder desarrollar una vida de considerable actividad, mientras que una mujer requiere 2 200, y un niño 1 800.

Además de transformar la energía que ha absorbido en la energía muscular requerida para realizar las actividades externas, el organismo humano la aprovecha para mantener en funcionamiento nuestros órganos internos, mantener la temperatura del cuerpo más o menos estable y compensar la energía que se pierde en las excreciones. En general, el balance energético de todos los animales de sangre caliente es similar.

El hombre, cazador y recolector
Hace unos 35 000 años –a fines del período de la prehistoria denominada paleolítico superior–, existía en el planeta un hombre de constitución física y capacidad mental muy parecidas a las nuestras. Ese hombre, que se alojaba en cavernas o en tiendas al aire libre, dependía casi exclusivamente de su inteligencia y de su propio esfuerzo físico para obtener el alimento cazando, pescando y recogiendo frutas, raíces, semillas y hongos silvestres.


El hombre del paleolítico superior fabricaba algunos instrumentos de madera, hueso, cuerno y piedra, y había desarrollado técnicas que le permitían defenderse del ataque de las fieras y cazar o pescar los animales que debían servirle de alimento. Tales actividades requerían de él un gran esfuerzo físico; para realizarlas, al principio sólo disponía de palos utilizados como garrotes y piedras lanzadas como proyectiles. Las cargas pesadas las transportaba sobre sus espaldas o las arrastraba.

Con el tiempo, se perfeccionaron las técnicas de caza y pesca con la utilización de dardos y arpones, y el empleo –hace quizá 25 000 años– del tiro con arco, que pudiera considerarse la primera máquina inventa
da por el hombre, donde la energía potencial acumulada en el arco al tensarlo con sus manos se transfería a la flecha en forma de energía cinética.

Durante milenios no contó el hombre con otra fuente de energía utilizable inmediatamente que no fuese su propia musculatura para cazar, pescar, machacar granos alimenticios, transportar cargas y otras tareas vitales.

Pero había algunas tareas importantes, para cuya realización sí contaba el hombre con el auxilio de una fuente adicional de energía: las ramas y hojas secas de los árboles. Porque desde tiempo inmemorial el hombre dominaba la técnica de extraer la energía acumulada en la madera y los residuos vegetales secos quemándolos para hacer fuego a voluntad. El fuego no sólo le servía para protegerse del frío, espantar a las fieras y alumbrarse de noche, sino también para cocinar algunos alimentos a fin de hacerlos más digeribles.
 

Posteriormente le sirvió, asimismo, para construir canoas ahuecando troncos de árboles.
Se ha calculado que, en las condiciones mencionadas, cuando el ser humano no disponía de otras fuentes de energía que las que podían suministrar su propio cuerpo y la leña, su consumo energético promedio era de 5 000 kcal/día, de las cuales alrededor de 2 000 correspondían al uso del fuego, es decir, a la conversión en calor y luz de la energía química liberada por combustión rápida de la madera y algunos residuos vegetales.

El hombre, agricultor
Durante decenas de milenios los grupos humanos, que eran muy pequeños, permanecían en un lugar dado solamente mientras podían contar con medios de subsistencia, pero cuando llegaban a escasear la caza, la pesca y los frutos y vegetales silvestres se trasladaban a otro lugar en busca de mejores condiciones para sobrevivir. Eran, pues, nómadas.

Pero a medida que aumentaba la población humana aquel modo de vida iba resultando cada vez más inadecuado para garantizar la subsistencia del grupo. El desarrollo de la técnica de la agricultura permitió al ser humano ir independizando paulatinamente su alimentación de la caza y la recolección de plantas silvestres, con lo cual aseguraba su subsistencia de forma más regular y abundante. Se estima que la agricultura comenzó a practicarse hace 10 000 años en los países ribereños del Mediterráneo oriental, 2 000 años después en China, y hace sólo miles de años en América (los taínos de Cuba la practicaban, pero nuestros guanahatabeyes no).

Desde el punto de vista energético, la gran revolución técnica que fue la agricultura le permitió al hombre almacenar la energía solar transfiriéndola a vegetales utilizables como alimento. También le dio al grupo humano la posibilidad de establecerse con carácter permanente en lugares fijos donde habitaba en chozas y cabañas construidas expresamente. Esto liquidó, por último, la fase nómada-recolectora y trajo consigo importantes cambios, tanto en lo material como en lo social. Esta etapa del desarrollo humano corresponde al período llamado Neolítico, el último en que se ha dividido la prehistoria.

Al avanzar en la agricultura, el hombre no se limitó a cultivar diversas plantas. También domesticó algunos animales para obtener tanto carne y leche (ovejas, cabras, vacas, cerdos...), como para disponer de pieles y para auxiliarse en las labores agrícolas y en el transporte (bueyes, caballos). Con el objeto de crear pastizales para el ganado recurrió a la quema de bosques, con lo cual, por supuesto, contribuyó a la deforestación de muchas tierras.

En algún momento el ser humano puso a tirar del arado a algunos animales domesticados, en lugar de hacerlo él mismo, tal como lo había hecho antes, y a utilizarlos para arrastrar trineos o carros, con la ventaja de que, por ejemplo, un buey o un caballo pueden desarrollar de cuatro a diez veces más potencia muscular que un hombre.

Desde comienzos de la fase agrícola del desarrollo humano, e incluso antes, en algunos lugares empezaron a fabricarse vasijas de barro cocido al fuego, muy convenientes para almacenar el grano recolectado y tostado. De este grano, rallado, amasado con agua y cocido, se hizo algún tipo de pan, que también se obtuvo a partir de otros vegetales, como por ejemplo el casabe de yuca de nuestros taínos. Otro invento del Neolítico fue la hilatura y el tejido de lino y de algodón, con el cual se hicieron telas y redes de pesca.

La observación realizada por el hombre de que determinados acontecimientos que ocurrían repetidamente en el cielo podían utilizarse como referencia para precisar las épocas más convenientes de siembra y recolección de las cosechas, seguramente se tradujo en la invención del calendario.
 

Al hacerse cada vez más complejas las relaciones entre los miembros de cada grupo humano aparecieron las primeras estratificaciones sociales. Se desarrollaron incluso ideas más abstractas que las relacionadas directamente con la diaria supervivencia. Tal vez, el soñar con individuos muertos que parecían moverse y hablar condujo a la creencia en la vida eterna más allá de la muerte y se desarrollaron sistemasde creencias sobre esta base, que se expresaban en determinados rituales.

A fines de la prehistoria, los grupos humanos comenzaron a marcar sus lugares de ceremonias mediante enormes piedras (megalitos) hincadas en el terreno, a menudo traídas desde lugares distantes gracias al esfuerzo corporal coordinado de numerosos individuos. Esto implicó en muchos casos un colosal esfuerzo físico de al menos cientos de personas, un tremendo gasto de energía muscular humana.

Un ejemplo impresionante de este tipo de actividad se encuentra en un lugar de la actual Inglaterra llamado Stonehenge. Allí se realizó –probablemente entre los años 2700 y 1700 a.n.e.– una notable construcción de propósito ritual, según parece, con grandes piedras traídas desde incluso 320 km de distancia.

Se ha estimado que en la sociedad agrícola primitiva del Neolítico, donde se realizaban actividades como las descritas, el consumo energético medio del ser humano, ayudado en sus labores por la utilización de algunos animales domesticados y del fuego, llegó a ser de alrededor de 12 000 kcal/día; esto es, 2,5 veces mayor que el característico de la anterior fase cazadora y recolectora.

Las civilizaciones antiguas
El ritual asociado a la creencia en la vida de ultratumba adquirió una gran complejidad y refinamiento en el antiguo Egipto, donde, entre otras cosas notables, condujo a la construcción de las pirámides de Gizeh entre los años 2700 y 2200 a.n.e. Para construirlas hubo que transportar desde lugares lejanos hasta su emplazamiento definitivo, piedras hasta de 200 toneladas.

Aquellas piedras, que se movieron utilizando la energía muscular de decenas de millares de personas durante muchos años, fueron convertidas por los artesanos egipcios en bloques de superficies muy lisas, utilizando herramientas metálicas. Puesto que en aquella época no se dominaba la técnica de obtención del bronce ni la del hierro, se supone que las herramientas empleadas al efecto tuvieron que ser de cobre, que sí se sabía obtener y trabajar entonces. El cobre, sin embargo, es un metal relativamente blando, por lo que algunos han supuesto que los egipcios lograron endurecerlo gracias a algún procedimiento hoy desconocido, hipótesis que no excluye otras, como se desprende de las evidencias de que durante los milenios cuarto y quinto a.n.e., en algunos lugares de Irán e Israel se construyeron hornos de piedra de donde se extraía el cobre fundido para verterlo en moldes de tierra, arcilla o piedra. De algunos minerales que contenían compuestos de arsénico resultaba una aleación particularmente dura que se ha denominado «bronce natural».

Posteriormente se descubrió que añadiendo una pequeña cantidad de estaño al cobre en estado de fusión se obtenía otra aleación dura, el bronce, que apareció en el Mediterráneo oriental y en Asia sudoccidental a comienzos del tercer milenio a.n.e. En la cuenca del Mediterráneo, la Edad del Bronce se inició en el segundo milenio a.n.e.

En algún momento se desarrolló la tecnología del hierro, un material aún más duro y resistente que el bronce. Su obtención resultaba más económica, si bien era más difícil de trabajar. A partir de aquella tecnología, en que la fundición del mineral de hierro en presencia de carbón vegetal se combinaba con la forja, se produjo hace 3 000 años un hierro «acerado» con el que se fabricaron objetos utilitarios. En China, la denominada Edad del Hierro comenzó hacia el año 600 a.n.e., y en el Sur de África 800 años después.

Pero, incluso en sociedades tan desarrolladas como las del antiguo Egipto y Mesopotamia (actual Irak), los metales y sus aleaciones eran escasos y costosos, de suerte que durante mucho tiempo su empleo se concentró esencialmente en la fabricación de armas (dagas, hachas...) y herramientas (cuchillos, cinceles...), salvo el oro y la plata, que se utilizaron preferentemente en joyas y adornos.

Si nos hemos detenido un tanto en el surgimiento de los procesos metalúrgicos arriba aludidos, ello se debe al impacto que estos llegaron a tener en el consumo de energía, una energía que durante siglos procedió esencialmente de la combustión de la madera. En ocasiones, ésta se transformaba previamente, por carbonización de la leña, en carbón vegetal, un combustible que se enciende y arde con facilidad, con poca llama y humo, y deja relativamente poca ceniza.

Que el uso de otros minerales no metálicos contribuyó también a incrementar el consumo de la madera como combustible lo ejemplifica el caso de la civilización mesopotámica, cuyas edificaciones eran de ladrillo y no de piedra, pues ésta no abundaba en la región. Al igual que los egipcios, los mesopotámicos emplearon en sus construcciones, más modestas y menos duraderas, ladrillos poco resistentes hechos de arcilla y paja secados al sol. Pero en vez de utilizar la piedra para sus construcciones más importantes y monumentales, como los egipcios, emplearon ladrillos de arcilla horneados a altas temperaturas, lo cual los hacía mucho más resistentes. El ladrillo ha sido hasta nuestros días un material de construcción de preferencia, cuya fabricación consume considerables cantidades de combustible.

En general, todas aquellas actividades que implicaban calefacción, desde la fabricación del pan y la cocción de los alimentos, hasta la fundición de los metales y el calentamiento del agua para los baños públicos, eran
actividades que utilizaban madera o carbón vegetal como combustible.

Con el paso de los siglos se desarrollaron los medios de transporte sobre lagos, ríos y mares, y se utilizó ampliamente el viento actuando sobre velas de tela para impulsar las barcas. Pero como el viento no sopla establemente en una dirección dada, y a veces falta por completo, en las antiguas embarcaciones solía combinarse el uso de la energía eólica –es decir, la del viento– con la energía muscular humana auxiliada por remos.

Esta combinación del uso de la energía eólica conjuntamente con la muscular humana siguió empleándose durante muchísimo tiempo, especialmente en los barcos de guerra. Por ejemplo, los buques griegos de este tipo, llamados trirremes, llevaban una tripulación de 200 a 225 hombres, de los cuales 170 eran exclusivamente remeros; y los demás, marineros y soldados.

 

La energía muscular del hombre y los animales, así como la directa del Sol, transferida a la madera, y la del viento para mover las embarcaciones se emplearon ampliamente en la antigüedad, pero no fueron las únicas. En particular, comenzó a utilizarse también la energía hidráulica con fines productivos. Esta energía, ya fuese por caída del agua en movimiento o por su impacto sobre los álabes de una rueda de madera, se empleaba para hacer girar las piedras o muelas con que se molía el grano (maíz, trigo, centeno...) destinado fundamentalmente a la elaboración de pan. Se estima que la energía suministrada por la corriente de agua a una rueda era poco más o menos equivalente a la que entregaba un burro que la moviera, como en los molinos más antiguos.

Quizá la aplicación más impresionante de la energía hidráulica en la antigüedad fue la realizada entre los siglos ii y iii de nuestra era bajo la dominación romana en una población del Sur de Francia, cerca de Arles, llamada Barbégal. Se trataba de una gran fábrica de harina que empleaba 16 ruedas de agua, cada una de las cuales generaba, como promedio, una potencia de 2 kW, equivalente a casi 29 kcal/min, con lo cual se calcula que toda la instalación debió de producir unas nueve toneladas métricas de harina por día.

De la Edad Media al Renacimiento
Como se sabe, al colapsar el Imperio Romano en el siglo v de nuestra era, numerosas tribus germánicas belicosas y de nivel cultural comparativamente bajo invadieron la mayor parte de lo que había sido el Imperio e instalaron sus propios reinos independientes, situación que dio al traste con el fuerte control gubernamental centralizado instaurado por Roma. El resultado fue un período de constantes guerras y de acusada decadencia económica y cultural, aunque quizá no tanta como se dijo en el pasado. Este período, que se extendió hasta el siglo viii, se conoce en la historia como la Edad de las Tinieblas, de la que comenzó a salirse en Europa durante el siglo ix con el desarrollo del sistema feudal.


En la Europa feudal se produjeron importantes avances técnicos vinculados con la actividad agropecuaria, como el incremento de la disponibilidad de terrenos para la agricultura por desecación de pantanos. Otro adelanto de importancia lo constituye la difusión en Europa, a partir del siglo xii, de la collera de tipo moderno para el caballo –originada en China–, que permitió extraerle a la bestia una potencia de tiro tres o cuatro veces mayor que con el arnés de siglos anteriores. Esto se explica porque este último tendía a estrangular al animal cuando tiraba de una carga pesada. El uso de la collera permitió también atar varios caballos de forma que tirasen de una carreta simultáneamente y a plenitud, algo que no habían logrado los romanos.

La invención del arado pesado con ruedas, tirado por grupos de seis a ocho bueyes, o de dos a cuatro caballos, cuyo uso se generalizó a partir del siglo xi, permitió roturar las pesadas tierras húmedas del Norte de Europa, que no habían podido ser aradas anteriormente.

Hacia el año 1180, la energía eólica halló una aplicación importante en Europa cuando comenzó a utilizarse para mover las muelas de los molinos de grano allí donde reinaban vientos favorables, cuando otras fuentes de energía, en particular la hidráulica, resultaban de difícil explotación. Aquello se logró mediante el empleo de molinos de viento, similares a los que 500 años más tarde Cervantes dio fama inmortal en el Quijote.

Si bien la ciencia prácticamente se estancó durante la Edad Media, ello no impidió que florecieran multitud de nuevas técnicas. Con el concurso de la energía hidráulica, la de origen animal y la procedente de la combustión de la madera se desarrollaron la minería, la metalurgia y variadas actividades industriales. En este sentido es elocuente el hecho de que en aquel tiempo llegaron a utilizarse grandes ruedas hidráulicas de madera capaces de entregar una potencia máxima del orden de los 35 kW, a la vez que proliferaban los procesos industriales dependientes de la energía hidráulica, cuyo número llegó a ser de cuarenta o más en el siglo xvi.

Entre los siglos xii y xvi no sólo se construyeron las impresionantes edificaciones góticas características del período –sobre todo, las catedrales–, sino que florecieron las invenciones ingeniosas o bien éstas llegaron de otras regiones, como la pólvora, inventada por los chinos e introducida en Europa por los árabes, que la utilizaban como arma de guerra.


La introducción de las armas de fuego, especialmente la fabricación de piezas de artillería, dio un considerable impulso a la extracción del hierro y su tratamiento industrial.
Con el incremento del empleo del hierro y el bronce en la fabricación de piezas de artillería, grandes campanas para las iglesias y otros usos, durante la Edad Media y el Renacimiento se incrementó considerablemente la demanda de la madera para utilizarla como combustible, bien fuese directamente o como carbón vegetal en las operaciones de fundición, vaciado y forja de los metales. Esta demanda de combustible se añadía a la de las panaderías y las fábricas de ladrillos, de vidrio, de jabón, etc. Y claro, estaba la demanda de madera como material de construcción. Todo ello dio lugar a un avance desmesurado de la deforestación en muchas regiones europeas.

Como consecuencia, a partir del siglo xvii se produjo una aguda escasez de madera en Europa occidental, sobre todo en las Islas Británicas, donde para la realización de las actividades industriales que se servían de la energía térmica hubo que empezar a quemar hulla. Hasta entonces se había utilizado muy poco en Europa este carbón mineral, extraído de las entrañas de la tierra, porque era considerado sucio y dañino para la salud, pese a que desde el siglo xi los chinos habían venido usándolo como combustible sin mayor problema. La hulla habría de ser el combustible por excelencia en los países más desarrollados hasta que cedió esta condición al petróleo, bien entrado el siglo xx. Una y otro constituyen fuentes de energía no renovables, es decir, que llegará un momento en que se agotarán.

El tema, por supuesto, es del mayor interés actual y requiere un tratamiento específico. Pero en esta ocasión hemos de limitar nuestras explicaciones al uso de la energía por el hombre hasta la irrupción en la historia de la revolución industrial a mediados del siglo xviii.

Crecimiento acelerado del consumo de energía
Para concluir nuestra exposición daremos algunos datos comparativos, tomados de la literatura sobre el tema, que si bien no brillan por su exactitud al menos sirven para dar una visión de conjunto del desarrollo del aprovechamiento de la energía por el hombre en el período que nos ocupa.

Se ha estimado que hacia el año 1400, es decir, entre fines de la Edad Media y comienzos del Renacimiento, el consumo energético per cápita era de 26 000 kcal/día. De ellas, aproximadamente 23 % correspondía a la alimentación; 46 % a las labores domésticas, el comercio y otros servicios; 27 % a la agricultura y la industria, y 4 % al transporte.
Algo que salta a la vista es la tendencia a un crecimiento exponencial del consumo de energía per cápita con el desarrollo de la sociedad, un hecho que se evidencia aún más a partir del comienzo de la revolución industrial a mediados del siglo xviii, tendencia insostenible, promovida sólo por el desarrollo de las sociedades consumistas actuales, y que es necesario llevar a límites admisibles en beneficio del futuro de la humanidad.