Los coches arrancan por la relatividad de Einstein.

Los coches arrancan gracias a la teoría de la relatividad de Einstein. Esa es la conclusión a la que llega el equipo que encabeza Rajeev Ahuja, de la Universidad de Uppsala (Suecia), que, tras analizar cómo afectan al voltaje de las baterías plomo-ácido los efectos relativistas en las energías electrónicas de los átomos de plomo, calcula que dichos efectos suponen entre el 80 y el 85% de los 2,1 V que proporciona una celda de esas baterías. Los resultados aparecen en Physical Review Letters.

Desarrollada a mediados del siglo XIX, la célula de plomo-ácido es pesada y nociva, pero dado su bajo coste y potencia relativamente alta es la batería más común en los vehículos. Durante la descarga, el cátodo de plomo (Pb) y el ánodo de óxido de plomo (IV) (PbO₂), sumergidos en ácido sulfúrico (H₂SO₄), se convierten en sulfato de plomo (II) (PbSO₄).

En los átomos pesados la gran carga positiva del enorme núcleo es capaz de proporcionar tal energía a los electrones que éstos se mueven a velocidades significativamente próximas a la velocidad de la luz. La teoría de la relatividad predice entonces que su masa aumentará, alterando su distribución y la forma en la que los electrones interiores apantallan a los exteriores de la carga nuclear. El resultado es un desplazamiento en los niveles de energía electrónica y un cambio en los comportamientos químico y físico. El color amarillo del oro y el que el mercurio sea líquido a temperatura ambiente se debe a efectos relativistas, y se sabe desde hace mucho tiempo que estos efectos están presentes también en el plomo.

Ahuja y sus colaboradores han realizado cálculos químico cuánticos para determinar cómo la relatividad altera las estructuras de banda electrónica  del óxido de plomo y del sulfato. Encontraron que las capas s y p del plomo (especialmente la 6s) se estabilizan por efectos relativistas, especialmente en el óxido. Los investigadores calculan que la fuerza electromotriz de la célula de plomo-ácido es de 2,13 V, muy cerca del valor experimental. Los autores afirman que sin efectos relativistas el valor sería entre 1,7 y 1,8 voltios menor.

Este resultado implica que en el diseño de las baterías del futuro, si se emplean metales pesados, habrá que tener muy en cuenta los efectos relativistas en los cálculos teóricos preliminares. Si no se hace así se podrían descartar sistemas perfectamente viables.

Referencia: 

Ahuja, R., Blomqvist, A., Larsson, P., Pyykkö, P., & Zaleski-Ejgierd, P. (2011). Relativity and the Lead-Acid Battery Physical Review Letters, 106 (1) DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.018301

Esta es la participación de Experientia docet en la XV Edición del Carnaval de la Física que, en esta ocasión, organiza Curiosidades de la Microbiología.