Revista Ciencias

La flora ficológica de México es un proyecto de importancia tanto científica como económica.

Importancia económica y uso de las algas

Las algas son un grupo de organismos con cuyos productos se tiene contacto cotidiano, aunque son pocas las personas que tienen conciencia de ellas. Su importancia tanto positiva como negativa es creciente para el hombre en la actualidad. Los usos incluyen desde el consumo como alimentación hasta la obtención de compuestos para la industria. Influyen negativamente tanto en forma directa como indirecta, como agentes de enfermedades y productores de toxinas (ver cuadro 1).

Son muchas las algas que son utilizadas como alimento, en el Oriente es parte de la dieta tradicional y en México son utilizadas desde la época prehispánica; el tecuitlatl, el amomoxtli y el cocolin de los aztecas están compuestos principalmente por cianofitas que crecían y aún crecen en el Lago de Texcoco y otros lagos de la cuenca de México. Actualmente la producción mundial de algas para la alimentación es cada vez mayor, tanto de especies marinas como de agua dulce, y en México la producción de harina seca obtenida de Spirulina pletensis del Lago de Texcoco alcanzó en 1982 la cantidad de 1000 toneladas métricas.

Muchos son los productos obtenidos a partir de las algas que se utilizan en la industria. De ellas se obtiene yodo para productos farmacéuticos, potasa y sosa, y son ricas en compuestos de varios metales. Los principales productos obtenidos de algunas algas son los derivados de los componentes de la pared celular, los alginatos, el agar, la carragenina y la diatomita. Los tres primeros son utilizados por su capacidad de hacer soluciones viscosas y gelatinizantes y la última como abrasivo y filtro. Los alginatos se obtienen de feofitas especialmente de aguas templadas y son utilizados en una gran variedad de productos. (Ver cuadro 2.)

El agar se obtiene de rodofitas, que en México son colectadas principalmente en la costa del pacífico en Baja California. La carragenina es extraída también de rodofitas y es uno de los productos que más aplicaciones tiene. Por último la diatomita o tierra de diatomeas consiste en depositaciones fósiles de paredes celulares de diatomeas marinas o dulceacuícolas.

Una práctica común en las poblaciones costeras es la de utilizar las algas marinas como fertilizantes y acondicionadores de suelos; también son utilizadas como forrajes o complemento a la alimentación del ganado. Algunas algas que crecen en suelos inundados tienen la capacidad de recuperar suelos salinos y calcáreos para la agricultura, aumentando su fertilidad y utilizando las sales excedentes; otras son capaces de aumentar la proporción de nitrógeno asimilable por los cultivos, especialmente el arroz.

Por la utilización de las algas es posible el tratamiento de las aguas negras para obtener aguas limpias y con un bajo contenido de sales minerales antes de descargarlas en ríos o lagos. En este tratamiento se obtienen cultivos algales que son factibles de utilización posterior. La acuacultura también emplea el cultivo masivo de algas para la producción de especies comestibles y comerciales, tanto marinas como dulceacuícolas.

Las algas han sido utilizadas tradicionalmente por la mayoría de las culturas para la cura y prevención de múltiples enfermedades, desde diarrea, constipación, enfermedades pulmonares y del hígado, gota y tratamientos para la piel; en la investigación farmacológica se han utilizado varios tipos de algas en la búsqueda de agentes antibacterianos y anticancerígenos.

Sin embargo, las algas también tienen efectos negativos en las actividades humanas, las más importantes derivadas de los crecimientos masivos de ciertas especies que liberan toxinas o impiden el desarrollo normal de la comunidad acuática donde se producen. En el primer caso tenemos la marea roja que es producida por la liberación de toxinas de varias especies de Dinofíceas —este caso se reproduce casi anualmente en las costas del Pacífico y el Golfo de México. En cuerpos de agua estancada o con poca corriente, el crecimiento excesivo de algas en la superficie impide el paso de la luz y por tanto la oxigenación adecuada para la sobrevivencia de los demás seres vivos.

Otro de los aspectos indeseables de las algas es su presencia en depósitos y suministros de agua potable, pues le confiere a ésta sabores y olores desagradables además de que obturan los filtros.

Las algas también tienen repercusión en el deterioro de la salud, pues las toxinas acumuladas por los organismos que las ingieren pueden causar la muerte inclusive de los seres humanos. También pueden ser agentes que producen dermatitis y alergias. En México, se ha reportado que producen deformaciones en las extremidades, para las cuales no existen actualmente antibióticos adecuados.

Qué son y cómo son las algas

Es fácil hablar de las algas como lo hemos hecho, pero difícil definirlas y delimitarlas como objeto de estudio. Se agrupan bajo este término gran cantidad de organismos (aproximadamente 21000 especies) que difieren notablemente en su forma, tamaño, estructura celular, metabolismo, composición bioquímica, tipo de ciclo de vida, hábitat, etc. No hay razón aparente para acomodar en un mismo grupo a organismos tan disímiles; ¿son las algas un grupo de organismos o una aglutinación de grupos reunidos arbitrariamente? Las algas son un conjunto extremadamente variable de organismos fotosintéticos con niveles de organización semejantes, producto de evoluciones paralelas.

 Las razones biológicas de esta diversidad y unidad tan grandes se encuentran en el proceso de diversificación. Las algas no evolucionaron a partir de un ancestro común y es por esto que no hay un conjunto de caracteres unificadores de todas ellas, es decir, no hay un solo patrón estructural básico. A partir de ancestros diferentes ha habido respuestas similares a presiones de selección semejantes, que han dado por resultado caminos evolutivos paralelos entre los descendientes de los diferentes grupos ancestrales, con estadios semejantes entre los caminos. Es decir, hay niveles de organización equivalentes determinados por respuestas adaptativas convergentes a los ambientes comunes en que se presentan y se han presentado a lo largo de su historia. Así, encontramos que dentro de cada uno de los grupos emparentados pueden haber organismos unicelulares, cenobiales, filamentosos, coloniales, costrosos, con tejidos verdaderos, etc. Esto significa que, por ejemplo, dos algas unicelulares o dos filamentosas no necesariamente están emparentadas, mientras que una célula y un filamento sí pueden estarlo. Un análisis del patrón estructural básico, utilizando características citológicas y bioquímicas, permite entenderlo claramente. Para trabajar a las algas es necesario entonces, no sólo encontrar semejanzas sino entender los orígenes y significado de éstas. Las algas deben estudiarse por una parte en conjunto, como un grupo de grupos que forman una unidad ecológica, y por otra a cada división por separado como una unidad taxonómica y/o evolutiva o histórica.

Niveles de organización

Una de las características más notorias por las que pueden agruparse o dividirse las algas es por su estructura a nivel celular. Existen dos tipos de organización celular claramente diferenciados: procarionte y eucarionte. Las células con organización procarionte no presentan núcleo definido sino una región central que contiene material genético y que no está delimitado por ninguna membrana del resto del citoplasma. Tampoco tienen organelos con dobles membranas como serían las mitocondrias y cloroplastos. Las funciones de respiración y fotosíntesis se llevan a cabo en invaginaciones de una membrana sencilla hacia el citoplasma. Las algas verde-azules son procariontes.

En la organización eucarionte existe un núcleo y organelos rodeados por una doble membrana que los separa del resto del citoplasma. Dentro de los eucariontes hay diversos grados de complejidad, desde las células sin diferenciación interna hasta las células con marcada polarización en la ubicación de ciertos organelos como son flagelos y mancha ocular. Todas las algas excepto las verde-azules son eucariontes.

Otra característica estructural básica que se puede usar para el agrupamiento de las algas es la complejidad de su cuerpo en función del número de células que lo constituye. Las hay de una sola célula, las unicelulares o protofitas, y las de más de una célula, las multicelulares o talofitas. En el nivel unicelular se ubican las algas menos complejas, constituidas por una célula que desempeña todas las funciones básicas de los seres vivos. Son unicelulares algunas algas clorofitas, rodofitas, cianofitas y cromofitas.

Las talofitas se caracterizan por poseer un cuerpo multicelular formado por una masa de células nada o poco diferenciadas llamado talo. Hay una amplia gama de talos con diferentes grados de complejidad estructural, de los cuales se explican a continuación lo más frecuentes encontrados en las algas (ver figura 1).

Cenobios. Lo presentan organismos cuyo cuerpo está constituido por un agregado celular de forma esférica, cilíndrica, etc., rodeado por una matriz gelatinosa común. Este talo resulta de la no separación de las células hijas durante la división celular. Este nivel está relacionado con el unicelular ya que en los cenobios cada una de las células integrantes conserva autonomía morfológica. Muchas cianofitas, cromofitas y algunas clorofitas presentan este nivel de organización.

Cenocitos. En este nivel el talo está constituido por una masa protoplásmica multinucleada en forma de tubo o sifón que resulta de repetidas divisiones nucleares sin que haya división citoplásmica. Se encuentra en las clorofitas y cromofitas.

Colonias. Los organismos con este nivel están formados por agrupaciones celulares en las cuales se presenta división del trabajo. Estas agrupaciones pueden ser de dos tipos: consorcios y colonias verdaderas.

En los consorcios las células en un principio están aisladas a pesar de tener un origen común y de pertenecer a la misma generación. Se reúnen en un fase avanzada de su vida para formar un organismo único multicelular. Este nivel de organización lo presentan algunas clorofitas.

En las colonias verdaderas las células que forman el talo permanecen unidas desde un principio, descendiendo todas de una sola célula y entre las cuales existen comunicaciones protoplásmicas. Es común en las clorofitas y algunas cianofitas y cromofitas.

Filamentos y láminas. Los organismos filamentosos y laminares pueden considerarse multicelulares pues son el resultado de la división sucesiva de una célula de la cual se derivan células íntimamente unidas por membranas comunes. Se derivan de una marcada polarización del huso acromático durante la división celular, de modo que resulta una hilera de células orientadas en la misma dirección, formando filamentos simples.

Cuando varía la dirección del huso en la división celular se origina un filamento ramificado. Si se altera periódicamente la dirección del huso se forma una lámina. Hay filamentos y láminas en las cianofitas, rodofitas, clorofitas y cromofitas.

Tejidos verdaderos. Los tejidos verdaderos se originan por la actividad de una célula apical dando lugar a células firmemente unidas entre sí y que originan, por divisiones sucesivas y crecimiento celular, una masa tridimensional. Este nivel de organización lo presentan algunas rodofitas, clorofitas y cromofitas.

Grupos taxonómicos

Una manera de agrupar a las algas tomando en cuenta relaciones de parentesco y afinidades en sus patrones estructurales básicos es la que las reúne en jerarquías taxonómicas, siendo la más alta la División. A continuación se explican las que tienen mayor número de representantes. En los cuadros 3 y 4 se presentan las características de unidad (patrón estructural básico) y en el texto las características de diversidad.

Cianofitas. La diversidad de niveles de organización abarca formas unicelulares, cenobiales, coloniales y filamentosas simples y ramificadas. Varían de tamaño desde unas cuantas micras hasta varios centímetros. Carecen de células flageladas pero sí presentan movimiento por medio de oscilación y deslizamiento.

Aún no se les ha observado reproducción sexual; se reproducen asexualmente por medio de fragmentación, fisión binaria y por estructuras especializadas.

Se encuentran ampliamente distribuidas en ambientes de agua dulce, marina, salobre y en el suelo.

Rodofitas. Presentan una diversidad morfológica de niveles de organización mucho mayor que la de las cianofitas, que incluye formas unicelulares, laminares y filamentosas simples y complejas que se ramifican en filamentos finos con sistemas de fijación y estípites así como incrustantes en piedra caliza. En algunas hay punteaduras que conectan el citoplasma de células adyacentes. Tienen una amplia variación de tamaño desde algunas micras hasta más de un metro.

Presentan reproducción asexual así como uno de los ciclos de vida más complejos —la reproducción sexual con alternancia de tres generaciones: esporofítica, gametofítica y carposporofítica (ciclo de vida trifásico).

Las algas rojas son predominantemente marinas pero también las hay dulceacuícolas. Participan en la formación de arrecifes en los trópicos.

Clorofitas. Sus niveles de organización van desde las unicélulas, colonias y filamentos hasta formas complejas con porciones erectas y postradas bien desarrolladas. Su tamaño varía desde una micra hasta 1.5 metros.

En este grupo se presentan tanto la reproducción asexual por esporas, fragmentación, etc., hasta la reproducción sexual con alternancia de fases esporofíticas y gametofíticas (ciclo de vida bifásico). La mayoría de las especies presentan células flageladas en alguna etapa de su ciclo de vida ya sea el adulto, las esporas o los gametos.

Las clorofitas abundan en ambientes dulceacuícolas, en todo tipo de condiciones y en las zonas litorales marinas.

Crisofitas. Pueden ser células desnudas o presentar escamas, lórica o paredes celulares. Las células vegetativas frecuentemente son flageladas o tienen esporas mótiles, Estas algas pueden ser unicelulares, ameboidales, coloniales, cenocíticas o filamentosas ramificadas o no.

Se reproducen asexualmente por división celular, fragmentación o esporas. Se ha observado reproducción sexual en algunas especies (ciclo de vida monofásico). Forman una espora de resistencia característica llamada estatospora.

Son principalmente dulceacuícolas pero también hay algunas especies marinas.

Xantofitas. Pueden ser células desnudas o presentar pared celular de celulosa o pectina. Hay unicélulas, etapas ameboides, colonias y filamentos simples o ramificados, algunas veces multinucleados.

Se reproducen asexualmente por división celular, fragmentación o esporas. Se ha observado reproducción sexual en algunas especies (ciclo de vida monofásico).

Se encuentran en ambientes de agua dulce y suelo, y menos frecuentemente en agua marina.

Diatomeas. Las diatomeas son esencialmente unicélulas, aunque también hay pseudofilamentos y agregados cenobiales. Las unicélulas están formadas por dos valvas sobrepuestas (característica de unidad) y con ornamentaciones con simetría radial o bilateral.

Presentan reproducción asexual por esporas y menos frecuentemente se reproducen por reproducción sexual simple (ciclo de vida monofásico). Sólo el espermatozoide es flagelado en algunas diatomeas de simetría radial.

Son uno de los componentes principales del plancton de agua dulce y marino y también se les puede encontrar en el suelo.

Feofitas. Incluyen formas filamentosas, laminares y las enormes algas marinas (kelps) con una diferenciación más compleja en su anatomía y morfología que cualquier otra alga. Se desconocen formas unicelulares en este grupo. Las algas pardas más complejas presentan porción de fijación, estípite y frondas. Si se hace un corte de estípite y se observa al microscopio, se pueden apreciar varias regiones. La amplia región cortical está constituida por células semejantes a las de un parénquima. La región central llamada médula está rellena laxamente por filamentos. Es probable que algunas células de la corteza interna, que se encuentran cerca de la médula, funcionen como elementos de tubo cribosos que trastocan el manitol mediante un mecanismos semejante al que se presenta en las plantas vasculares. Sin embargo, carecen de tejidos del tipo del xilema.

Presentan reproducción asexual por esporas y reproducción sexual con alternancia de una generación esporofítica y una gametofítica. Todas las algas pardas liberan células mótiles en alguna fase de su ciclo de vida, ya sea esporas y/o gametos.

Son de presencia casi exclusivamente marina, con aproximadamente cinco géneros de agua dulce.

Euglenofitas. Se encuentran en la mayoría de ambientes de agua dulce. También existen euglenofitas marinas y salobres.

Pirrofitas. En general las pirrófitas son unicelulares pero también  hay formas no mótiles filamentosas, cocoides, ameboides y cenobiales.

La forma más común de reproducción es la división celular. También se ha observado reproducción sexual simple en varias especies (ciclo de vida monofásico).

Una de las particularidades como grupo es la diversidad de formas de nutrición que presenta: fotosintética, parásita, saprófita y absorción de alimento en vesículas (nutrición holozoica). Son un componente importante de cuerpos de agua marinos, de agua dulce y salobre.

Dónde y cómo viven las algas

 Las algas se encuentran en todas partes del mundo; están distribuidas de uno a otro polo. Las causas que explican este hecho son, principalmente, su antigüedad —pues tenemos registros fósiles desde el periodo Precámbrico—, sus mecanismos de dispersión y otras adaptaciones. Las algas pueden formar estructuras que resisten altas y/o bajas temperaturas, desecación, y pueden pasar por un periodo de latencia de varios años. Así pueden dispersarse por aire (se han encontrado hasta 3000 células por m3 de aire) y esto facilita mucho su transporte a través de grandes extensiones. También pueden dispersarse adheridas al pelaje de algunos animales o a las patas de insectos; adheridas a los cascos de barcos o ser transportadas por los seres humanos; por las corrientes oceánicas pueden transportarse algunos fragmentos vegetativos que se encuentra a la deriva; o bien por flujo directo de un cuerpo de agua a otro. Otra de las causas de su amplia distribución son sus adaptaciones morfológicas. Algunas algas viven flotando en el agua gracias a su pequeño tamaño; a su forma, generalmente plana, que les permite mantener una posición horizontal y evitar el hundimiento, y/o a la presencia de estructuras que les permiten mantener una posición constante en el agua. Estas estructuras son los flagelos que les permiten nadar, y proyecciones de las células tales como espinas que aumentan la superficie y que ayudan a mantener a flote el organismo. Otras algas producen una abundante sustancia mucilaginosa que también aumenta su superficie y las mantiene a flote. Algunas algas unicelulares que miden unas cuantas micras pueden mantenerse a flote fácilmente debido a su pequeño tamaño, pero flotan mejor cuando se unen varias células pues pueden formar diminutas laminillas que ofrecen mayor resistencia al hundimiento. Algunas algas filamentosas crecen fijas a un sustrato y pueden alcanzar un tamaño de varios metros, pero cuando se fragmentan unas cuantas células de tales filamentos, se convierten en organismos tan pequeños que pueden flotar perfectamente. Algunas de las algas de mayor tamaño de varios metros de largo presentan vejigas de flotación. Finalmente, muchas algas son demasiado grandes y pesadas para flotar, pero tienen estructuras reproductoras muy pequeñas que pueden nadar y/o flotar y tienen por tanto la capacidad de dispersarse ampliamente. En general, las algas tienen la capacidad de colonizar todos los medios ambientes. Viven en agua dulce, en el mar o en agua salobre, y habitan desde los lagos tropicales hasta las nieves polares y alpinas. Estas algas son pues, acuáticas, pero también hay algas subaéreas, es decir, que viven expuestas a la atmósfera en una interfase aire-sustrato (tal como la corteza de un árbol o el lodo), y hay algas en el suelo, aun en suelos de zonas áridas en los que aprovechan el rocío nocturno.

Con respecto a las algas acuáticas, algunas viven flotando, otras viven en el fondo de los cuerpos de agua o adheridas a algún tipo de sustrato; algunas se adhieren a las rocas; otras viven fijadas al fango; en la arena, dentro o sobre plantas y animales; otras viven entre la vegetación de plantas superiores, generalmente en la orilla de los cuerpos de agua; hay algas subaéreas que crecen sobre cortezas de árboles y algas de suelos que pueden crecer sobre éste o dentro del suelo y rocas.

En el caso de las algas marinas, se emplean además otras clasificaciones, por ejemplo respecto a su posición, al nivel de marea pueden ser supra, meso o inframareales.

Hay algunas otras algas que viven en hábitats especiales, por ejemplo, aguas termales, y están adaptadas a temperaturas que varían entre 35°C (algunas algas verdes) y 75°C (algunas algas verde-azules). Otras algas crecen en y sobre hielo o nieve, a temperaturas alrededor de 0°C, y también en agua cerca de esa temperatura.

El estudio de las algas en México

Los estudios de algas de México datan, aunque de manera dispersa y circunstancial, desde finales del siglo pasado, básicamente con la participación de investigadores y colectores extranjeros. Estos antecedentes se inician a partir de 1846, año en que F. M. Liebman visitó y colectó en costas mexicanas material que sirvió de base para el trabajo de J. A. Agardh en 1847 sobre algas de México. Desde esa época a la fecha no han sido muchos los trabajos, personajes o instituciones que destaquen en este campo. En este siglo son dignos de mencionar los estudios realizados en la década de los 20’s por Setchell sobre algas marinas y el ligero auge de investigadores mexicanos en la década de los 30’s, donde resaltan los trabajos de la doctora Sámano-Bishop y el doctor Sokoloff sobre algas de aguas continentales.

En las décadas de los 40 y 50’s sobresalen por un lado los trabajos de Dawson de las costas del Pacífico, y por otro los estudios de fitoplancton del Dr. Osorio Tafall.

Desde el inicio de los 60’s se empieza a hacer el listado florístico sistemático de las algas marinas gracias al esfuerzo y tenacidad de la Q. B. P. Laura Huerta y otros ficólogos formados a al sombra de su empeño.

A partir de los 70’s se desarrolla un amplio programa de investigación sobre el inventario de los recursos ficológicos del país en el laboratorio de Ficología de la Facultad de Ciencias de la UNAM, bajo la responsabilidad del M. en C. Jorge González, cuya estrategia se explicará más adelante.

Actualmente hay numerosos grupos de ficólogos distribuidos en diferentes instituciones, principalmente en universidades, preocupados por avanzar en el crecimiento de la biología, taxonomía y ecología de las algas y su posible aplicación y aprovechamiento.

Además de la Faculta de Ciencias de la UNAM, que es el más importante centro de formación de ficólogos en México, están las siguientes instituciones que además cuentan con herbarios o colecciones ficológicas: Escuela de Ciencias Biológicas del IPN, UAM-Iztapalapa, Universidad de Nuevo León, Universidad de Baja California, Instituto de Biología de la UNAM, principalmente.

Concepciones y conceptos para la integración de un proyecto de flora ficológica

Un análisis de las áreas de desenvolvimiento profesional de los ficólogos actuales muestra que hay un gran desinterés por el trabajo florístico. Esto se considera un trabajo no de tipo científico sino naturalista, con pocas posibilidades de obtención de financiamiento, de poca sofisticación tecnológica y sobre todo se considera que consiste solamente en enlistar las especies de una localidad en un tiempo.

Suponer que por haber estudiado la flora de una región en un tiempo determinado, por largo que éste sea, se conoce dicha flora, es una suposición errónea que parte de una concepción equivocada de lo que es una flora ficológica, y la cual a su vez deriva de un planteamiento metodológico también equivocado.

Los estudios florísticos no pueden darse por acabados. La flora es un proceso alterado por infinidad de factores, bióticos y abióticos, que si bien se presentan a los ojos del observador estudioso como un evento ubicado espacio-temporalmente, a partir del cual se pueden hacer descripciones y análisis objetivos de los hechos y fenómenos que se observan, o interpretaciones de causas y efectos y otras relaciones entre dichos hechos y fenómenos, lo cierto es que todo evento de diversidad, toda flora, es producto de una historia, tiene un devenir en el cual inciden múltiples elementos de alteración; el observador estudioso es, sin duda, uno de ellos.

La composición florística de los cuerpos de agua, suelo y costas de una región varían notablemente de tiempo en tiempo y de lugar en lugar, y no sólo estacionalmente sino en unidades mayores y menores a las de la estacionalidad anual.

En una región la manifestación de flora no es homogénea ni continua; las especies de algas se manifiestan espacio-temporalmente de manera diferencial según la continuidad o discontinuidad de los valores y combinaciones de los factores mesológicos, es decir, según la homogeneidad o heterogeneidad ambiental de la región. Toda heterogeneidad o discontinuidad florística de una región, explica y es explicada por la heterogeneidad ambiental de dicha región. Es decir, demuestra tanto el cambio de combinaciones de gradientes mesológicos de lugar en lugar y/o de tiempo en tiempo, cuanto la capacidad diferencial de las especies para responder a dichos cambios de valores y combinaciones.

Las especies de algas, aparte de algunas características generales más o menos comunes a todas ellas (gran cosmopolitismo, antigüedad, ciclos de vida, niveles de organización que se repiten en diferentes divisiones, etc.), tienen diferentes rangos de tolerancia a la variación de las condiciones ambientales, por ende una gran plasticidad adaptativa diferencial a la combinación de gradientes de factores mesológicos.

Las algas, como todo ser vivo, no se equivocan. Si las encontramos manifiestas en un ambiente, es porque las condiciones biológicas y los factores mesológicos posibilitan dicha manifestación en ese lugar y en ese momento como parte de ese evento.

Estrategia metodológica

Ha habido varios procedimientos para la elaboración de floras nacionales, pero podríamos aglutinarlos en dos tendencias: la primera pretende ir acumulando listas parciales a lo largo de muchos años; y la segunda plantea proyectos globales que trabajan el inventario intensivamente y en un plazo relativamente definido y corto. En ninguno de los dos casos se ha tomado en cuenta, como hemos dicho, que la flores e un proceso alterado que requiere no sólo describirse, sino también explicarse.

Se deben buscar estrategias que permitan construir modelos descriptivos, explicativos, predictivos de los diferentes eventos florísticos y su dinámica a la luz de los adelantos tecnológicos y conocimiento de la ficología moderna.

Para ello se elaboró* un programa a largo plazo, “Flora Ficológica de México”, en el que se trabaja complementariamente con tres puntos de partida o criterios de integración: flora tópica, típica y tónica; y tres niveles de análisis y síntesis de trabajo: prospectivos, intensivos y extensivos.

* En el Laboratorio de Ficología, Facultad de Ciencias, UNAM.

Primer punto de partida y/o integración flora tópica. Por flora tópica entendemos la lista florística total de un momento dado en una región geográfica amplia. Forman parte de dicha lista todas las especies que alguna vez se hayan reportado para ella (a menos que haya errores de identificación) y todas las especies que se vayan reportando subsecuentemente, independientemente del lugar y época o momento de la colecta. Es decir, la flora tópica es atemporal y aespacial. Es fundamental en la elaboración de la flora tópica tanto la recopilación histórica bibliográfica como los estudios florísticos prospectivos que posibiliten tener una imagen del panorama florístico de la región lo más completo posible. Los estudios prospectivos permiten tener el máximo número de colectas del mayor número de lugares el mayor número de veces posible, lo cual a su vez permite hacer una primera evaluación de las necesidades y posibilidades de plantear nuevos estudios de tipo intensivo y extensivo de la región.

Entendemos por estudio intensivo aquél que aborda con detalle la problemática particular de un área, grupo taxonómico o ambiente algal restringido; y por estudio extensivo el estudio de ampliación de esa problemática a áreas, grupos o ambientes extendidos en tiempo y espacio. Así, por ejemplo, el estudio de la flora de las cascadas de una localidad es un estudio intensivo que puede hacerse extensivo, ya sea a las cascadas de muchas localidades o a todos los ambientes de la localidad inicial.

Dadas las características de atemporalidad y aespacialidad de la flora tópica, no se puede indicar cuándo ni dónde se puede encontrar determinada especie, aun cuando ya haya sido reportada para la región, pero sí indica la posibilidad (nunca la seguridad) de que se encuentre en alguna parte de ella, en cierta época. Es decir, todo reporte supone la presencia, algunas veces manifiesta, siempre potencial, de la especie en la región. En otras palabras, la flora tópica es la flora potencial de una región.

Segundo punto de partida y/o integración flora típica. Consideramos que una parte importante en el diseño de una estrategia florística es el tomar en cuenta las características del objeto de estudio. No es lo mismo estudiar las plantas superiores, un grupo natural, que a las algas que se han reunido por sus relaciones filofenéticas no fiolgénicas. Las algas tienen gran cantidad de convergencias entre sí y con otros grupos, como por ejemplo, con algunas bacterias, hongos, protozoarios e invertebrados, particularmente en cuanto a niveles de organización.

El medio ambiente de un alga es una parte tan inherente a ella como lo son su forma, tamaño, etc. Esto explica cuando menos en parte su alterada y variada presencia o ausencia, es decir, su manifestación o potencialidad en una región.

La elaboración de la flora tópica consiste en estudiar a las algas dentro de las comunidades que forman naturalmente. Es decir, estudiar con qué otras especies forman asociaciones, en qué proporciones, en qué condiciones mesológicas, etc., para caracterizar y delimitar los diferentes ambientes algales.

La flora típica es espacial y temporal y por lo tanto la información que da es complementaria a la que da la flora tópica: dice en dónde, cuándo y cómo se encuentran manifiestas las especies que potencialmente están en la región. En otras palabras, la flora típica es la flora manifiesta en un ambiente de una región y posibilita predecir, con base en el establecimiento y construcción de patrones, la presencia y proporción de especies y asociaciones en relación con la coincidencia de ciertos valores o gradientes de factores mesológicos.

Tercer punto de partida y/o integración flora tónica. A través de la flora tópica y la flora típica se tiene la información acerca de qué especies pueden manifestarse y los ambientes en que de hecho se manifiestan, pero no la explicación de por qué. La flora tónica es el estudio de la biología, autoecología y de los problemas taxonómicos de cada una de las especies integrantes de una flora mediante los cuales se explica la presencia-ausencia, permanencia, constancia y proporción, en cada uno de sus medios ambientes; en ella se describe el patrón estructural básico y sus rangos de variación en relación con los gradientes de los factores mesológicos y se evalúa la coherencia de la sistemática de cada uno.

Así pues, los estudios de las variaciones genéticas fenéticas de los taxones permiten no sólo resolver problemas de definición taxonómica, sino también conocer sus potencialidades adaptativas y explicar parte de los problemas que plantea su propia biología; pero sobre todo permite interpretar y predecir las características medioambientales de su presencia y proporción en los lugares que, teniendo ciertas condiciones ambientales, posibilitan su manifestación. En otras palabras, explica el movimiento de floras (flora cinetogénica).

En resumen, a través de los estudios prospectivos-intensivos-extensivos se posibilita abordar racionalmente floras tan extensas y complejas como se quiera, pues siempre se parte de un panorama de las características más generales y una evaluación de los tipos de problemas y las posibilidades de abordarlos en orden de importancia, de acuerdo a diferentes criterios; se selecciona un problema de cada tipo para trabajar a profundidad (trabajo de particularización o análisis); y se generaliza a todos los demás problemas de su tipo (trabajo de síntesis). (Ver cuadro 5).

A través de los estudios de flora tópica-típica-tónica, al hacer simultáneamente biogeografía, ecología y taxonomía se obtiene un acercamiento a una representación dinámica de un objeto que por su naturaleza así es, dinámico.

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 No sólo una opción individual. Su desarrollo y
uso tienen repercusiones muy amplias.

En El Salvador las mujeres se niegan a ser esterilizadas
y en Rumania es política oficial el elevar la tasa de natalidad con restricción de acceso a los anticonceptivos. En Bangladesh reciben un pago por dejarse esterilizar y en nuestro país de cada dos concepciones una es abortada. Una hojeada a las noticias respectivas muestra que el problema no es el mismo para todos los pueblos y ni siquiera para todas las clases sociales. Según una compilación realizada en Colombia, la situación en algunos países es la siguiente:

Bangladesh: en este país se pagan 147 takas (esta cantidad es equivalente a un décimo del ingreso anual per cápita) a quien se deje esterilizar. La cantidad de operaciones se eleva en el periodo anterior a la cosecha, cuando las familias que no poseen tierra pasan hambre. Los médicos encargadas de estas programas deben cumplir una cuota de esterilizaciones mensuales; en caso de no hacerlo son despedidos y si destacan, reciben premios y bonificaciones. Parte de los fondos para este programa provienen de la Agencia internacional para el Desarrollo de los Estados Unidas.     

Francia: este país propuso al Parlamento Europeo un programa para aumentar el número de nacimientos en ese continente, ya que según estudios históricos, el surgimiento y caída de las grandes civilizaciones dependería del tamaño de la población; la solicitud fue rechazada.    

El Salvador: el gobierno norteamericano aportó —al parecer en 1984, el reporte no tiene fecha— aproximadamente 1.8 millones de dólares para control natal, contra 1.5 millones para apoyar la agricultura. También existen cuotas mensuales propuestas que provocan situaciones dramáticas, como la de una mujer que fue amenazada de separarla de su bebé recién nacido si no se operaba.     

Singapur: el gobierno lleva adelante un programa para alentar la maternidad de las clases altas y esterilizar a las mujeres pobres que ya tengan dos hijos.    

Pero el derecho a la sexualidad y el control de la fertilidad es una reivindicación que se abre paso cada vez más en diversos países y que trae nuevamente a discusión el problema de la anticoncepción.    

Se han generado diversos medios para la regulación de los embarazos —recursos diseñados en su mayoría para ser usados por mujeres—; espumas, diafragmas, preservativos, dispositivos intrauterinos, píldoras, inyecciones, etc. Se están estudiante otros métodos, tales como anillos vaginales e implantes subcutáneos. Es importante señalar que los más utilizados —a base de hormonas— producen efectos secundarios que según un estudio de la revista “Ms.” norteamericana van desde dolores de cabeza hasta suicidios por depresión aguda, pasando por inapetencia sexual, aumento de peso, etc. Esto impulsa a investigar métodos cada vez más efectivos y menos molestos.       

El diseño del anticonceptivo con base en el control hormonal femenino debe tomar en cuenta su ciclo natural, el cual posee una serie de interacciones complejas, principalmente entre la hipófisis y los ovarios, que involucran la producción de hormonas cuya cantidad se regula rítmicamente y que al decir de algunos estudios, se trata de una verdadera sinfonía de hormonas.      

Como la mayoría de nosotros sabemos, el ciclo femenino tiene un promedio de 28 días, en el curso de los cuales se dan —entre otros fenómenos— la maduración del óvulo, la ovulación, la luteinización y la menstruación, en caso de no haber embarazo.        

De manera esquemática podemos explicar esta sinfonía con ayuda de los diagramas de la figura 1. En el esquema A hemos intentado hacerlo enfatizando las relaciones hipófisis-ovarios. Partiendo del momento inmediato a la menstruación tendríamos la producción de la hormona folículo-estimulante que provoca el crecimiento del folículo, su maduración y su rotura con la subsecuente expulsión del óvulo. Durante este proceso, el folículo genera cantidades crecientes de estrógeno, que además de otros efectos actúa sobre la hipófisis para disminuir la emisión de folículo estimulante e impulsar la producción de la hormona luteinizante. Esta hormona colabora en la liberación del óvulo y convierte al folículo en el cuerpo lúteo, el cual genera cantidades crecientes de progesterona, que a su vez prepara a la matriz para la implantación del óvulo fecundado, da las condiciones para facilitar el embarazo e inhibe la producción de la hormona luteinizante. Si no hay fecundación, el cuerpo lúteo degenera, cae la producción de progesterona produciéndose la menstruación y se reinicia el ciclo con la producción de folículo estimulante.       

En el esquema B hemos querido representar el mismo ciclo resaltando el papel del estrógeno y en el esquema C, el de la progesterona. Nótese los efectos inhibitorios de ambas hormonas.    

La figura 2 representa las distintas concentraciones de hormonas como función del tiempo.    

La anticoncepción por píldoras o inyecciones funciona introduciendo al organismos estrógenos y progesteronas, que impiden la ovulación debido a sus efectos inhibitorios a nivel de hipófisis. Como podemos ver, se actúa sobre un sistema complejo donde la cantidad de las diferentes sustancias evoluciona con el tiempo, esto vuelve a la dosificación un problema muy delicado. Si el sistema es oral se deben considerar los distintos niveles de asimilación digestiva y hasta el olvido incurrido, por la usuaria, de tomar algún día la píldora. En el caso de las inyecciones —que eliminarían el problema de los olvidos— la concentración inicial podría ser muy alta.     

Debemos también considerar que estas sustancias sufrirán en el organismo una serie de procesos de degradación, que en su curso pueden producir, a manera de metabolitos, algunas hormonas que tengan acción en órganos muy distintos; proceso que podría explicar los efectos secundarios de estos fármacos. Esto último nos lleva nuevamente al estudio de la dosificación y a la búsqueda de fórmulas químicas más adecuadas.   

En nuestro país este problema recibe atención, como comprobamos al platicar con el Dr. Josué Garza Flores, investigador del Departamento de Biología de la Reproducción del Instituto Nacional de Nutrición “Salvador Zubirán”. En este departamento se ha ideado una técnica de dosificación muy novedosa que puede implicar avances no sólo en relación a anticonceptivos, sino referente a la dosificación de otros medicamentos, problema que —dicho sea de paso— recibe atención creciente. Esta técnica consiste en cristalizar los esteroides que se utilizarán e inyectarlos; la absorción dependería de la velocidad de disolución de los cristales en los fluidos orgánicos, la cual podría ser controlada dando a la sustancia una estructura cristalina adecuada.  

 Esta propuesta puede presentar ventajas con respecto a las inyecciones usuales, pues haría más uniforme el proceso de absorción, y en cuanto a los implantes también, porque no introduciría agentes externos. 

Pensamos que desde el punto de vista cristalográfico esta investigación es difícil, dado que los cristales serían de alto peso molecular y no debe ser simple plantear los diagramas de fases de la hormona que indicarían, desde el aspecto teórico, la estructura cristalina que se disolvería a la velocidad adecuada.  

Esto ha sido subsanado por un cuidadoso trabajo experimental en el que se están realizando rigurosamente las distintas fases de investigación farmacológica y que ya se encuentra considerablemente avanzada.

Regresando al plano general, la mayoría de los gobiernos del mundo realizan actualmente algún tipo de política de control natal, que en los países del llamado Tercer Mundo se estructura bajo la idea: “una menor población implica mejor situación económica”. Esta concepción no es nueva, después de la Segunda Guerra Mundial la corriente Neomalthusiana planteó que el control natal debería ser aplicado sobre toda a los países con mayor índice de crecimiento poblacional, en su mayoría pertenecientes al Tercer Mundo. Esto ha demostrado ser claramente erróneo, ya que existen países pobres que han conseguido bajar su tasa de natalidad y sus condiciones económicas no han mejorado; a pesar de ello los programas de esterilización masiva se han incrementado haciendo real la frase de Lyndon Johnson que decía: “cinco dólares invertidos contra el crecimiento de la población son más eficaces que cien dólares invertidos en crecimiento económico”.  

La otra vertiente importante del problema se trata de aquella ligada al movimiento de liberación femenina, que coloca en un plano central la discusión del papel social de la mujer que, entre otras cosas, involucra su decisión y por ende, su propia responsabilidad para elegir el momento adecuado de ser madres.

Alternativa tecnológica ante la crisis energética.

I. Introducción

La tierra y su atmósfera son bañadas permanentemente por
una radiación solar de 173 millones de gigawatts, equivalentes a 173 millones de centrales eléctricas como la de Infiernillo. Esa enorme energía es igual a 50 mil veces la energía eléctrica que la tierra consumirá en el año 2025 de seguir la evolución del consumo de los últimos años.

En los Estados Unidos, el país que más energía consume en el mundo, bastaría cubrir 1% de su territorio con celdas solares para satisfacer su consumo energético para el año 2000. Nuestro país recibe mucha más energía solar por metro cuadrado que los E.U. y, cubriendo con celdas solares un milésimo del territorio, podríamos satisfacer las necesidades previstas para el año 2000.

La manera más práctica y promisoria para captar la energía solar, y la que ha demostrado ampliamente su factibilidad y confiabilidad, es la transformación directa de la luz solar a energía eléctrica por medio de celdas fotovoltaicas llamadas comúnmente celdas solares.

Dichos dispositivos, cuyo desarrollo fue acelerado por los programas espaciales, han disminuido su costo en 100 veces en los últimos 20 años y así, en los siete años próximos pasados, su producción ha aumentado 100 veces, pasando de 100Kw en 1974 a 10Mw en 1981, duplicándose cada año su producción en los E.U.

Actualmente, la generación eléctrica con celdas solares es más económica en el caso de estaciones repetidoras, radiofaros, bombas de agua aisladas, casas habitación aisladas y pequeñas poblaciones, que por los medios tradicionales.

Los planes de desarrollo de países como Japón, Francia o los E.U. consideran que las celdas solares serán competitivas para la producción masiva de electricidad entre 1985 y 1987.

En este documento se analizarán primordialmente las celdas solares construidas en base a silicio y sulfuro de cadmio por ser las más promisorias, tanto por el desarrollo que han tenido como por la disponibilidad de materias primas.

La cantidad de silicio necesaria para construir con la tecnología usual las celdas solares suficientes que produzcan la totalidad de la energía eléctrica demandada que, según cálculos a priori, será para el año 2000 entre 20 y 30 x 10¹² Kw-h,¹ es de aproximadamente 70 millones de toneladas,² lo que representa menos de dos meses de la producción mundial, hay que recordar que el silicio es el segundo elemento más abundante sobre la corteza terrestre (después del oxígeno) pues representa el 27% de ésta. Si se utilizara la última tecnología disponible (silicio amorfo) se necesitarían cinco millones de toneladas.

En el caso de sulfuro de cadmio, se necesitarían 80 millones de toneladas de cadmio o sea unos cuantos días de la producción mundial, y 20 millones en azufre, cifra despreciable en relación a los recursos existentes y, en cobre, cuatro millones de toneladas, menos de un año de producción.

II. Desarrollo de la tecnología solar

A mediados del siglo pasado Becquerel descubrió el efecto fotovoltaico, fenómeno que produce la luz al incidir sobré un semiconductor compuesto de una capa rica en cargas negativas y una rica en cargas positivas, haciendo que al producirse una diferencia de voltaje entre las dos capas, los electrones (cargas negativas) producidas por la absorción de la energía solar, puedan circular y producir trabajo.

Desde su descubrimiento en 1839 hasta 1954, las celdas solares presentaban rendimientos sumamente bajos (del orden de 1 milésimo) y costos elevados en relación a la potencia producida.

En 1954 fue descubierto el efecto fotovoltaico en dos materiales: el sulfuro de cadmio y el silicio. La utilización de estos materiales hizo posible un aumento de cien veces en el rendimiento de conversión, llegando en ese entonces a un 4% en él sulfuro dé cadmio y a más del 10% en el silicio.

A partir de 1957, los programas espaciales impulsaron fuertemente el desarrollo de ambos tipos de celdas, aumentando su rendimiento y abatiendo su costo año con año, aunque no con la velocidad suficiente para que se pudiera contemplar su producción masiva para competir con las fuentes tradicionales de energía.

Las celdas de sulfuro de cadmio (producidas por la evaporación, al alto vació, de sus materiales constitutivos sobre soportes de vidrio, metal o plástico, y por lo tanto parcialmente reproducibles a bajo precio con sistemas automáticos), presentaban serios problemas de degradación los cuales las inutilizaban en menos de un año.

Las celdas de silicio, cuya duración sobrepasa fácilmente a los 20 años, son reproducibles sin problema y tienen altos rendimientos (13-16%). Estas son construidas a partir de barras sintéticas de silicio monocristalino.

La barra monocristalina de un diámetro de 2 cm hace 10 años y de hasta 12 en la actualidad logra aumentarse poco a poco sobre un crisol con silicio fundido, a razón de 10 cm por hora, obteniéndose hoy en día barras monocristalinas de hasta 1 m de largo.

De esta barra monocristalina se recortan tajadas circuladas de medio milímetro de espesor y sobre una de la caras se forma una capa de características eléctricas adecuadas (exceso o falta de electrones) para que al incidir la luz se produzca  un voltaje de operación. Del lado que incide la luz se coloca una reja que forma uno de los electrodos y el otro electrodo se coloca en la otra cara.

En celdas de uso espacial los electrodos son generalmente de oro, recortándose además las celdas en rectángulos para ocupar la menor área posible y disminuir el peso.

En las celdas de uso terrestre, éstas son circulares y los electrodos son, por lo general, de estaño o aluminio.

Esa es, a grandes rasgos, la técnica que desde casi 1954 se ha seguid para fabricar celdas solares, y en la cual —a pesar de haberse refinado grandemente— es difícil disminuir el precio radicalmente.

Dicha tecnología es intensiva en material y mano de obra. En material debido a que durante el corte de las celdas el desperdicio es significativo (de 50 a 75%), empleando además un material proveniente de la industria electrónica, con un precio de 80 dólares el Kg y de pureza excesiva para la manufactura de celdas solares.³

A pesar de eso, el precio del Watt ha disminuido de 1000 dólares en 1960 a 7.5 en 1982; diversos estudios demuestran que al utilizar esta técnica convencional, refinando procesos y automatizando otros, se puede llegara a un precio de cinco dólares por Watt.⁴ Pero que ése sería el límite inferior de la tecnología ortodoxa.

Debido a lo anterior, siempre se pensó que una manera de abatir costos y aumentar las cantidades productivas era la de fabricar de manera continua silicio monocristalino en forma de listones, para evitar pérdidas de material y poder automatizar los procesos.

Desde 1958, en Holanda, se estudiaron diversos métodos. Pero fue en los E.U. que se logró en 1971 producir listones monocristalinos de silicio por los investigadores La Belle y Mlavsky.⁵

El listón se gorma sumergiendo un bloque de grafito de silicio fundido, el cual sube por capilaridad por una ranura de algunas centésimas de mm de espesor y unos cm de ancho, formándose a la salida el listón, a una velocidad de unos tres cm por minuto (en lugar de 10 cm por hora con el proceso tradicional de barras). El proceso permite además eliminar, casi totalmente, las pérdidas de material. La importancia principal de dicho salto tecnológico radica quizá en que se obtuvo tras una larga espera, durante la cual no se había logrado desarrollar ningún proceso tecnológico que permitiera pensar en la producción económica de energía eléctrica por celdas solares.

Después de tal avance, el desarrollo se ha acelerado lográndose obtener listones por diversos métodos⁶ y asimismo perfeccionar constantemente el proceso. Ello ha provocado que, a pesar de que se podrían comercializar celdas solares hechas a partir de los listones actuales a precios menores —a unos dólares el Watt—, no se inicie la producción industrial por la rapidez con la que aumenta el rendimiento de conversión y se reduce el costo de producción. Sin embargo, en Japón se ha formado una compañía con el nombre de Japan Solar Power que en 1978 empezó a producir listones para evaluación, por empresas productoras de celdas.

La compañía es propiedad de la Kyoto Ceramic Co., Sharp Electric Co., Matsushita Electric Industrial Co., la Mobil Oil Corp., y Tyco Laboratories de los E.U.

A pesar de los serios problemas que las celdas de sulfuro de cadmio presentaban, la potencialidad de su fabricación con sistemas automáticos a costos muy bajos, hizo que el esfuerzo por desarrollarlas continuara, lográndose entonces encontrar sistemas que evitan la degradación. Este problema fue resuelto en Francia por la Société Anonyme de Télécommunications (SAT) y tal parece que ha sido resuelto también en los E.U. por la Universidad de Delaware y por la empresa Boeing.

Otros avances tecnológicos que permitirán obtener celdas a un precio de venta inferior a los 70¢ de dólar el Watt, o sea el mismo que una planta convencional de petróleo son:

— La obtención por deposición de películas delgadas de silicio amorfo con eficiencia de conversión superiores al 8%.

— La utilización de silicio grado metalúrgico con postpurificación, lo que permite el empleo de una materia prima 10 veces más barata que la usual de grado electrónico.⁸

— La obtención del tratamiento para conferir las características eléctricas de las capas semiconductoras de silicio amorgo, directamente durante la deposición (proceso que se suponía imposible), logrado por un grupo de investigadores de la Universidad de Dundee bajo la dirección de W. Spear y P. Q. Le Comber.⁹

— La puesta a punto de concentrados bi-parabólicos, o de espiral logarítmica que permitirán bajar el precio del conjunto en un factor de 3 como mínimo y de 8 como máximo.

— La obtención, primero en Inglaterra y posteriormente en los E.U. de celdas a base de Arseniuro de Galio con rendimientos hasta de 23%, capaces de resistir concentraciones de luz del orden de 2000 veces la incidencia solar, lo cual permite reducir en unas 1000 veces el costo por Watt de dichas celdas (500 dólares) o sea a 50¢/W. Esto ya es dentro de las metas que el ERDA tenía para 1979, y se ha logrado con dos años de anticipación.

— La obtención de celdas de sulfuro de cadmio con una eficiencia del 10%, y de un espesor de sólo 25 micras.

— La obtención de un rendimiento de 28.5% utilizando dos tipos de celdas simultáneamente.

— La obtención de listones de silicio que permiten producir celdas económicas y de rendimiento hasta 15%.

— La obtención de celdas policristalinas hechas a partir de silicio grado metalúrgico con rendimiento del 12%.

III. Programas de investigación de países desarrollados

URSS

Se sabe que en la Unión Soviética existe un gran programa de investigación y que se han logrado avances tecnológicos importantes; empero no se conocen en detalle las metas propuestas. No hay que olvidar que fueron ellos los que empezaron a trabajar en silicio amorfo desde 1959 y son poseedores de algunos de los mejores especialistas. Se sabe que se tiene en construcción una ciudad entera alimentada por energía solar.

ESTADOS UNIDOS

 a) Gobierno

La investigación se ha seguido impulsando, después del enorme desarrollo logrado con el programa espacial. No obstante, tal impulso se redujo desde finales de los años 60 hasta 1972, porque la crisis energética, así como los problemas de contaminación térmica y seguridad que provocaría la proliferación de reactores nucleares, hizo que la política energética fuera modificada sustancialmente a favor de fuentes menos contaminantes y seguras, en especial la energía solar. 

A principios de 1973 la NSF (National Science Foundation) estableció un programa de metas a alcanzar. Este programa se proponía lo siguiente:⁵

Estas estimaciones son a precios de 1973, lo que ha provocado que en la actualidad la meta para 1986 sea de 50¢ el Watt. 

Por otro lado, el DOE (Department of Energy) ha fomentado fuertemente la investigación. En 1974 se destinaron a las celdas solares un millón de dólares, 8 millones en 1975, 29.6 millones en 1976 y 312 millones de dólares en 1978. Estos fondos sólo representan los que el gobierno está invirtiendo y no incluye el caudal que está invirtiendo la empresa privada. 

El programa del DOE se propone además multiplicar anualmente la producción de celdas por un factor de 2.7 a 3, para pasar a 100kW producidos en 1974, de 500000 a 1000000 de kW (500-1000MW) en 1985. Los E.U. según el plan deberían cubrir en el año 2000 el 26% de sus necesidades energéticas con energía solar. 

El Plan Gubernamental de Producción de Celdas hasta el año 2000 sería:⁵

1981    1 MW
1983    10 MW
1985    1000 MW
1990    5000 MW
1995    10000 MW
2000    20000 a 50000 MW

Habiendo acumulado 100000 MW en el año 2000.

El DOE ha dedicado parte de su presupuesto a la compra de paneles solares para prueba, y para fomentar la producción.

b) Empresas

Los norteamericanos fueron los primeros en comercializar las celdas solares. Al principio sólo participaron en la producción para uso terrestre pequeñas empresas como Solarex, Senson Technology, etc., investigando el abaratamiento que se podría lograr mejorando los sistemas convencionales. 

En 1971 fue un laboratorio privado, la Tyco Laboratories que, adaptando un sistema desarrollado para producir listones y tubos monocristalinos de rubí, zafiro y otros óxidos de aluminio, logró producir los primeros listones de silicio monocristalino.

Desde fines de los años 60, las grandes compañías petroleras y de teléfonos habían estado adquiriendo celdas solares para alimentación confiable y sin mantenimiento de sus plataformas de perforación en el Golfo de México y de sus estaciones repetidoras. El mercado llegó a ser lo suficientemente importante y la potencialidad tan grande que tanto la Exxon como la Mobil Oil y la Shell decidieron establecer laboratorios de investigación en energía solar.

La Exxon fundó una compañía productora de celdas de silicio (Solar Power Corp.) la Mobil Oil adquirió los laboratorios de Tyco (los inventores del listón de silicio), y ha continuado en dichos laboratorios el desarrollo de los listones, invirtiendo 30 millones de dólares.

La compañía Shell Oil ha promovido el desarrollo de celdas de sulfuro de cadmio, patrocinando a la Universidad de Delaware.

En relación al silicio amorfo, la SOHIO ha dado a la ECD 84 millones de dólares para una planta productora de celdas de silicio amorfo, que produciría unos 20MW de celdas al año. Esta puede ser la primera vez que se produzcan celdas de este tipo en cantidad realmente comercial.

Recientemente el interés de los grandes productores de componentes electrónicos como Texas Instruments, I.B.M., Westinghouse, Dow, Union Carbide, Honeywell, ha aumentado al punto de que todos ellos ya tienen programas de desarrollo, en especial de diferentes métodos de producción continua de listones de silicio y métodos para automatizar la producción de celdas solares.

Down Corning y Westinghouse trabajan activamente con un contrato del DOE para desarrollar métodos de producción tendientes a disminuir el precio del silicio utilizando como materia prima, de los 60 dólares el Kg actuales a 10, basados en la utilización de hornos de arco. Texas Instruments, Union Carbide y Battelle Columbus Laboratories investigan otros procesos.⁷

Una de las maneras más rápidas de disminuir el costo de las celdas en el desarrollo de rejas de contacto más baratas. La Solar Technology International de Chatsworth, Cal., ha desarrollado un sistema que permite hacerlo y desde enero de 1976 produce celdas solares con este proceso. El método de producción tiene un costo directo de mano de obra (en cuanto a la reja se refiere) de 35¢ de dólar por Watt, lo que permite disminuir el costo de celdas en 30%.

Empero, la Sanyo, con ayuda de la Universidad de Osaka, Japón, ha logrado producir celdas solares de silicio amorfo sin reja.

La Mobil Tyco, dueña del sistema de elaboración de listones más avanzado, ha formado, junto con algunas compañías japoneses, una empresa que comenzará a producir listones para su evaluación por empresas productoras, puesto que actualmente ya es posible construir celdas con características semejantes a las construidas por métodos ortodoxos.

JAPÓN

A pesar de haber comenzado la investigación sobre celdas solares mucho más tarde que países como la URSS, E.U., Francia e Inglaterra, los japoneses, tanto por programas gubernamentales como privados, han acelerado sus investigaciones hasta el grado de igualar a los países de Europa Occidental.

Japón estableció en 1973 un ambicioso programa para el desarrollo de fuentes de energía limpias, llamado “Sol Brillante”. Destinará a este programa la enorme cantidad de un billón de yens (unos 4 mil millones de dólares) que serán gastados entre ese año y el año 2000.

El programa es considerado en Japón tan importante para la nación como lo pudo ser el espacial para los E.U.⁶ Contempla la fabricación de plantas de 10MW en 1986 y de 100MW en 1991, considerando que no necesitarán mayores por la presencia de sol en todo el territorio, lo que permitirá alimentar localmente las grandes industrias con sistemas mínimos de distribución. 

Empresas japonesas

El esfuerzo actual para la investigación de celdas solares en las empresas japonesas es sumamente importante, aunque algunos programas se encuentran apoyados por fondos gubernamentales.  

La Tokyo Shibaura Electric Co., está desarrollando la fabricación de listones monocristalinos de silicio por jalado vertical, y la Toyo Silicon Co., hace lo mismo por jalado horizontal.  

Por otra parte, la Nippon Electric Co. y Hitachi Ltd, trabajan en un sistema equivalente al listón, que consiste en formar películas de silicio depositándolo iónicamente sobre sustratos de alúmina.    

Matshuita estudia la fabricación de celdas de sulfuro de cadmio y la Sharp está enfocada junto con la Kyoto Ceramic Co. y Matsushita a la fabricación de listones de silicio con licencia y participación de la Mobil Tyco de los E.U. Sin embargo, es en silicio amorfo que el Japón ha avanzado más rápidamente, y tanto Sanyo como Fuji producen celdas solares de silicio amorfo en serie, aplicadas a diversos usos comerciales.

FRANCIA

Este país es el que ha invertido más esfuerzos en el desarrollo de la energía solar en Europa. Al principio, y desde los años 50, Francia propició una gran expansión principalmente de las aplicaciones térmicas de la energía solar. Es famoso el horno de Odeillo en los Pirineos, con el cual alcanzan temperaturas hasta 3500°C, y en este año ya está instalada una planta térmica de energía solar de 3 mega-watts.   

A partir de 1970 el impulso se ha dirigido cada vez más al desarrollo de celdas solares, principalmente de sulfuro de cadmio, para el equipamiento de satélites de comunicación.  

Recientemente se ha impulsado también el desarrollo de las celdas de silicio avanzadas, en especial la obtención de películas amorfas o listones continuos.  

La agencia que se dedica a impulsar en Francia la investigación solar es el “Commissariat de l‘Energie Solaire”, el cual dedica poco más de 115 millones de dólares al año, para el desenvolvimiento de la energía solar.  

La Radiotechnique Compelec —probablemente la segunda o tercera productora mundial de celdas solares (165kW de celdas de silicio al año)— es una subsidiaria de ELF y de Phillips; la cual, tanto en sus laboratorios matrices en Holanda como en sus subsidiarias francesas y alemanas, principalmente ha dedicado sus esfuerzos al silicio. Aunque estas empresas ya han comercializado las celdas convencionales a precios similares a los americanos, su principal esfuerzo consiste en la obtención de listones o películas anchas de silicio, así como investigar la producción de otras celdas.

Otros laboratorios franceses que trabajan en la misma meta son los Laboratoires d’Electronique et de la Physique Appliquée (LEP). La SAT labora, como ya se dijo en el capítulo anterior, en el perfeccionamiento de las celdas de sulfuro de cadmio. Francia tiene planeado cubrir para el año 2000, a partir del sol, del 3 al 5% de sus necesidades totales de energía.  

INGLATERRA    

Los laboratorios de investigación ingleses han logrado importantes avances. Fueron los primeros en obtener las celdas de arseniuro de Galio, capaces de resistir concentraciones de luz equivalentes a dos mil soles. A pesar de que dichas celdas cuestan alrededor de 500 dólares/Watt, sin el empleo de concentración solar, al concentrar 2000 veces es posible pasar a precios cercanos o inferiores a los 50¢ de dólar el Watt.  

Ferranti, la empresa inglesa que fabrica celdas de silicio comercial, actualmente trabaja en poner en marcha sistemas capaces de producir listones monocristalinos de silicio.    

ALEMANIA    

El gobierno alemán dedica hoy en día ocho millones de dólares anuales para el crecimiento tecnológico de las celdas solares, a través de las grandes empresas electrónicas como Siemens y AEG-Telefunken.    

La Wacker Chemitronic ha construido celdas policristalinas de silicio con un costo potencial sumamente bajo. El proceso fue adquirido por AEG-Telefunken, que había perfeccionado el sistema de producción para lanzarlo comercialmente en 1979.  

También Leybold, en Alemania, ha impulsado la obtención de silicio barato y sistemas para la producción en masa de celdas de sulfuro de cadmio.

IV. Aprovechamiento actual de la tecnología solar 

1. Producción

La producción principal de celdas solares es a base de silicio, a partir de rebanadas obtenidas de barras monocristalinas de dicho material.   

Las celdas de silicio comerciales tienen un rendimiento promedio de conversión de energía solar a energía eléctrica del 14% (hace dos años era del 11%) y a su costo por Watt ha bajado de 20 a 10 dólares en los últimos años.   

Es difícil saber el volumen actual de producción en el mundo. Tal parece que, fuera de los países socialistas, la producción es de unos 10000 kW (la ARCO de los E.U. produjo en 1981 más de 2000 kW duplicándose su producción anualmente). 

Hasta fines de 1976 no se fabricaban comercialmente celdas de sulfuro de cadmio para usos terrestres, aunque la SAT francesa las hace en serie para usos espaciales. Sin embargo, tal parece que la Shell Oil Co. Boeing de los E.U., ya ha iniciado la producción en serie de dichas celdas. 

En los E.U. existen aproximadamente 15 compañías con producción comercial de celdas solares sin contar las que iniciarán sus operaciones este año, entre las más importantes podemos citar:  

— Solar Technology International, Solar Power Corp. (Exxon) Solarex Corp., Spectrolab Inc., Sensor Technology Inc., M7 International, Motorola, ARCO, E.C.P.  

En el resto del mundo las principales compañías productoras de celdas solares son:  

— La Radiotechnique Compélec (subsidiaria de ELF y de Holanda) Ferranti, en Inglaterra y Sharp Nippon Electric, Sanyo y Fuji en Japón, Ansaldo, Agip, ACE en Italia. AEG Telefunken en Alemania la cual hace celdas de silicio policristalino.  

2. Costos de producción y venta  

Generalmente cuando se comparan los proyectos de costos de la energía solar con los de las fuentes convencionales, no se toma en consideración el enorme egreso por mantenimiento y la inversión que representan las líneas y subestaciones de distribución de las plantas generadoras de electricidad al sitio de consumo.  

Estos costos son muy elevados, por cada kW instalado para generación, hay que instalar a su vez 4 a 5 kW en transformadores para su transmisión y distribución a los distintos usos.  

Otro costo que se olvida en estos cálculos es el de las tierras utilizadas por el paso de las líneas de transmisión, las cuales representan en general franjas de tierra de 50 m de ancho por cientos y a veces miles de km de largo. Además, tales franjas representan, en las zonas montañosas, focos de erosión acelerada.  

Cabe señalar que para 1997 la C.F.E. invirtió 10186 millones de pesos para el aumento de potencia y 7782 millones de pesos en sub-estaciones, ampliación de redes, electrificación rural y mantenimiento. La distribución representa por lo tanto un 77% adicional a la inversión de generación.   

Lo anterior nos lleva a considerar que las celdas solares necesitarían sistemas mínimos de distribución en unos casos, y la casi ausencia de ellos en otros (puesto que generarán la electricidad in situ) pueden competir ventajosamente con las plantas convencionales, aún gravando varias veces más, y conforme se abarata su costo podrán aplicarse en usos masivos, probablemente antes de 1988.     

Un programa para el empleo de celdas solares en nuestro país, debe comenzar por cubrir aquellos casos del uso de celdas solares que son ya, en el presente, más económicas, en lugar de hacer llegar las líneas de transmisión hasta el sitio de consumo.      

La utilización de las celdas solares ya es rentable en México: en los 83000 poblados menores de 500 habitantes; los miles de cruceros de ferrocarril sin señalización; los miles de bombas de agua y pozos aislados; las centenas de radiobalizadas, estaciones repetidoras, plataformas de perforación petrolera, cargadores de baterías en barcos pesqueros, campamentos, control de corrosión en gasoductos y oleoductos, etc.    

Estas aplicaciones en nuestro país permitirán desde ahora un ahorro sustancial en divisas y combustibles, pues representan en relación al consumo un requerimiento mayor de inversión, y debido a las enormes pérdidas en transmisión de electricidad o transporte de combustibles, se traduce en un consumo injustificado de energéticos. 

V. Pronóstico tecnológico

a) Implicaciones técnicas y de costo para utilizar la tecnología ya disponible

Aparte de la tecnología ortodoxa para la fabricación de celdas solares existen otras nuevas que empiezan a comercializarse y consisten, fundamentalmente, en lo siguiente:  

Celdas de silicio a partir de listón monocristalino  

La evolución técnica para producir este listón ha avanzado a grandes pasos, con inusitada rapidez, tanto en la manera de obtenerlo como en la calidad de las celdas. Se ha pasado de un rendimiento del 4% al 15%, contra 16% de las celdas convencionales. Por informaciones existentes tal parece que dicha tecnología se encuentra en la etapa final de su desenvolvimiento. Los responsables de la Mobil Oil Tyco han comercializado las celdas hechas a partir de listón en 1980 (el plan original de la ERDA era para 1981), sin embargo, comenzaron a construirlo en Japón desde 1977 para su evaluación por los fabricantes de celdas.       

Es evidente que ante la rapidez del cambio tecnológico que está ocurriendo las empresas no deseen hacer las inversiones necesarias para fabricar a gran escala celdas solares, pues las plantas serían obsoletas en sólo unos 3 o 4 años; por ello los productores de celdas, con objeto de bajar los precios y aumentar la capacidad, sólo han introducido aquellos cambios tecnológicos que requieren poca inversión. No obstante, casi todos ellos disponen de pequeñas instalaciones piloto donde se someten a prueba los procesos para la fabricación en masa.    

En cuanto al análisis de costos del proceso para producción del listón que se ha estudiado más: el de la Mobil Oil Tyco, los cálculos muestran que con la tecnología disponible, la suma de mano de obra directa, materiales y administración (sin incluir los costos de desarrollo tecnológico, amortización e intereses y ganancias) resulta ser de 18.72¢ el Watt.¹¹

Considerando todos los costos más los de venta y las ganancias, se llega a un precio de venta algo menor de 50¢ de dólar en Watt, ello es 500 dólares el kW.¹¹    

Por tanto, la tecnología inventada por la Mobil Oil Tyco respecto al crecimiento de listones, aparece como eminentemente apta de ser desarrollada para producir celdas capaces de competir con los sistemas de producción normales. 

b) Desarrollos técnicos a corto, mediano y largo plazo  

Tal parece que a corto plazo los principales avances se concentrarán en las celdas producidas por métodos convencionales, automatizando algunos pasos y tratando de aumentar el rendimiento hasta un 17 o 18% en las celdas de silicio; ya se han comercializado celdas de silicio policristalino, varios años antes de lo esperado.

La comercialización de las celdas de silicio amorfo para usos terrestres generada por los japoneses ha cambiado profundamente el panorama como se muestra en los siguientes párrafos.        

Lo que ha complicado aún más la situación para los constructores de celdas convencionales y a los desarrollos basados en el silicio monocristalino o policristalino, ha sido la entrada en escena del silicio amorfo.     

Los semiconductores amorfos empezaron a estudiarse en la URSS, por Kolomietz, y posteriormente en Europa y E.U. En Escocia el grupo Spear logró en 1975 envenenar el material. Desde entonces el avance ha sido espectacular y los grupos soviéticos, japoneses (Hamakawa) y norteamericanos (Ovshinsky) han avanzado tan rápidamente que se ha llegado a la comercialización y el diseño de plantas capaces de producir celdas solares en forma semi-masiva. En 1984 acontece el arranque de plantas capaces de producir entre 10 y 20 MW y si el movimiento en silicio amorfo sigue con el impulso actual, bien puede constituirse como el material idóneo a desarrollar masivamente.       

Las ventajas son obvias; un espesor de sólo un micrómetro, posibilidad de producción continua con conexiones integrales eliminando las interconexiones hechas por los obreros o autómatas, empleo de materiales más baratos y en cantidades muy pequeñas, bajo consumo energético durante la fabricación… y la presencia en la tecnología de gigantes como Sanyo, Fuji, Sohio, desligados del negocio nuclear y en especial los japoneses con amplia experiencia en incluir nuevas tecnologías a la producción masiva. Se espera que para 1986 los precios de las celdas de silicio amorfo sean de 60 centavos de dólar por Watt.

La empresa Varian de los E.U., está tratando de obtener paneles económicos con precio por Watt de 0.5 y 1 dólares, concentrado la luz solar sobre celdas de arseniuro de Galio.⁷ Empero, estos sistemas de alta concentración (2000 soles) tienen la desventaja para operar eficientemente, y además, deben seguir la trayectoria solar.       

A mediano plazo el énfasis está dado en la obtención de silicio barato, es decir, disminuir el precio por Kg de 80 dólares a 10. Esto se logrará principalmente utilizando silicio “grado celda solar” mucho menos puro que el que se usa en la actualidad y es empleado por la industria electrónica.     

Otra meta de mediano plazo es la obtención de listones por métodos similares al de la Mobil Tyco, pero se encuentran en la fase experimental de laboratorio.        

En relación al listón producido por el sistema Tyco, las metas a mediano plazo son: aumentar la velocidad de formación de listón, disminuir el espesor, aumentar el ancho de los listones producidos y (algo que tendría mucho impacto en el costo) aumentar el rendimiento de las celdas hasta alcanzar el de las celdas convencionales.        

Debe recordarse que la meta del DOE a mediano plazo (1986) es llegar a un precio de venta de 70¢ de dólar el Watt.  

Metas a largo plazo    

A largo plazo, puesto que se espera llegar a un precio por Watt de 20¢ de dólar, o menos, el esfuerzo se centrará sobre celdas de película delgada, principalmente de Teluro de Cadmio-Sulfuro de Cadmio, de Sulfuro de Cadmio, de Silicio policristalino y de silicio amorfo. A dichas celdas se les ha llamado de tercera generación, siendo las de segunda generación las de listón de silicio y las de Sulfuro de Cadmio y constituyendo la primera generación las construidas por el método heredado de los satélites.   

El énfasis dado a largo plazo a las celdas de película delgada obedece a la facilidad con que dicho sistema (evaporación de alto vacío de sus capas constructivas) puede automatizarse y producirse así en grandes cantidades.¹²    

También se trabaja, en vista a resultado a largo plazo, en la obtención directa de hidrocarburos para fotótosis y en efecto fotogalvánico (carga directa de baterías con luz solar).   

Por otra parte, se labora en la automatización completa del proceso de construcción de celdas y obtener así directamente paneles.      

Esto último se alcanzará alrededor de 1990, época en que los norteamericanos piensan producir 5000 MW de celdas solares al año, para llegar en el año 2000 a 50000 anuales, y cuando los japoneses comercialicen las celdas de silicio amorfo en forma masiva, también programado para esas fechas.      

Mientras tanto, el precio sigue bajando en términos de dólares desde 1980 en un 20% al año y la producción continúa duplicándose anualmente, lo que significa construir en el futuro —año en año— tanto como el total existente en los años anteriores.   

VI. Realizaciones en México    

Tanto la UNAM como el IPN han trabajado desde hace varios años en la fabricación de celdas solares, especializándose el Instituto de Materiales de la UNAM en celdas de Sulfuro de Cadmio y en silicio amorfo, y el Centro de Estudios Avanzados del IPN, en las de silicio monocristalino.      

El Politécnico tiene 18 años de actividades relativas a esta área y ha logrado dominar por completo la tecnología ortodoxa, produciendo celdas de silicio en pequeñas cantidades a partir de monocristales de silicio importados.

A partir de 1973, el Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM atacó el problema de la elaboración de celdas de Sulfuro de Cadmio, utilizando principalmente el proceso de evaporación en vacío de películas delgadas de dicho semiconductor. En 1974 se obtuvieron las primeras celdas, las cuales mostraron un rendimiento de conversión de 4%. Los problemas de degradación han sido afrontados con éxito y están en vías de solución, creándose un “saber cómo” de fabricación. En 1981 se comenzó el trabajo en silicio amorfo.     

En conjunto los grupos científicos del IPN y la UNAM constituyen una infraestructura lista para emprender un programa de fabricación en serie, a pequeña escala, de celdas solares que podrían utilizarse en las aplicaciones ad hoc para las cuales estos dispositivos ya son económicos. Este grupo de científicos servirá como masa crítica para absorber las tecnologías extranjeras y desarrollar una gran industria fabricante de celdas solares.     

Un programa de fabricación en serie, requeriría el apoyo del Instituto de Física de la UNAM, para dirigir a algunos grupos de físicos adscritos a estado sólido a la especialidad de celdas solares; asimismo, el Instituto y la Facultad de Química para la obtención del sulfuro de cadmio y de silano, fosfina y diborano para investigación y del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica para la elaboración del silicio.      

La capacidad técnica disponible permitiría iniciar un programa piloto a corto plazo que empezaría a producir comercialmente, en un par de años y que requeriría una inversión moderada. Las metas a corto plazo ya se han realizado y fueron:

 A largo plazo:

Para lo anterior, será necesario una acción conjunta de las instituciones mexicanas antes citadas, y una promoción enérgica en ellas de la investigación en energía solar, en particular sobre la fabricación de celdas solares.

 El hacer lo anterior, permitirá desarrollar un grupo de científicos altamente calificados en energía solar, y la posibilidad de asimilar y desenvolver fácilmente las ideas internas y externas, y eventualmente desarrollar una tecnología solar propia, cuando menos si no es la tecnología original, sí en “saber cómo”, independientemente de que ensamblemos paneles solares con celdas importadas o establezcamos “joint ventures” con las empresas que, como Solarex y Phillips, ya han manifestado su interés en establecer una fabricación en México.

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2. Elija un número cualquiera, de preferencia mayor a diez. A ese número réstele la suma de sus dígitos. Por ejemplo, elijamos el 12; la suma de sus dígitos es 2 1 1 5 3. Por lo tanto, la operación requerida es 12 2 3 5 9. El conjunto de números obtenidos de esta forma tiene un divisor común. ¿Puede decir cuál es?