En este ensayo se explican los fundamentos de diferentes aspectos implicados en la fabricación y en el funcionamiento de un original frigorífico que funciona sin necesidad de aporte de energía eléctrica. Fue desarrollado hace unos pocos años por un profesor nigeriano que se basó en ciertas propiedades del agua y de la cerámica. Este invento no es una mera curiosidad, sino que ha supuesto un importante avance social en algunas zonas de África, por lo que constituye un excelente ejemplo de cómo la ciencia y la tecnología pueden influir de manera determinante en la solución de problemas concretos que se plantean en las distintas sociedades.

En el año 2.000, la conocida marca de relojes Rolex otorgó uno de los premios que concede con carácter bienal, para reconocer el desarrollo de proyectos empresariales creativos y de inventos pioneros que promueven cambios significativos, al profesor Mohammed Bah Abba. Se destacaba así su labor en el desarrollo del frigorífico citado, mediante la aplicación de una tecnología aparentemente sencilla pero que, para los habitantes de ciertos pueblos africanos, ha significado un hito fundamental para su desarrollo.

Estos premios suponen un reconocimiento a tareas encomiables realizadas, en la mayoría de las ocasiones, con medios materiales sumamente limitados. Pocas veces esta prestigiosa distinción ha sido tan merecida. Indiquemos desde el principio que, entre otros aspectos que se irán desgranando, gracias al invento, las niñas de los poblados de ciertas zonas del norte de Nigeria pudieron asistir de forma regular a la escuela. Pronto entenderemos el porqué, y se apreciará cómo se basa en las propiedades fisicoquímicas de dos de las sustancias más características de nuestro planeta, el agua y la arcilla, así como en ciertas propiedades del aire, que también juega un papel relevante en el proceso.

La física y la química nos enseñan que el agua es una sustancia sumamente peculiar, porque posee características que la distinguen de la mayoría de los líquidos. Baste decir, aunque no guarde relación con la cuestión central analizada en este texto, que, como aprendemos desde pequeños, el hielo (agua sólida) es de los pocos sólidos menos denso que su líquido correspondiente, por lo que flota en éste. ¿Quién no se ha quedado absorto en algún momento viendo cómo, a pesar de empujar hacia abajo un cubito de hielo en una bebida, el hielo vuelve a flotar, “empeñándose” en llevarnos la contraria?

La tensión superficial (propiedad que otorga a la superficie de los líquidos un comportamiento parecido al de una membrana) es tan elevada en el caso del agua que puede sostener una aguja de acero (más denso que el agua) en su superficie, y permite caminar por encima a ciertos insectos. Por añadir algo más sobre esta peculiar sustancia, el “líquido elemento” de los alquimistas, conviene resaltar que, siendo el único compuesto cuya fórmula conoce casi todo el mundo (el “hache dos o”), sus propiedades no son aún del todo bien conocidas en profundidad.

Otra propiedad peculiar del agua es su elevado calor específico (energía necesaria para que un gramo de sustancia aumente en un grado centígrado su temperatura), lo que explica el hecho de que pequeñas cantidades de agua son capaces de tomar o liberar gran cantidad de calor (energía), experimentando sólo pequeñas variaciones de temperatura.

Para el invento que aquí se expone destaca otra propiedad termodinámica: el agua posee un elevado calor de vaporización (energía necesaria para que una sustancia pase de líquido a vapor), lo que significa que la evaporación de pequeñas cantidades de agua provocan un efecto importante de absorción de calor, produciendo un enfriamiento apreciable en el líquido restante. Podríamos recordar, al respecto, ese frescor que nos acompaña en los calurosos días de verano al salir de la piscina o del mar tras un baño. Se debe a la evaporación del agua que moja nuestra piel. Otra aplicación del calor de vaporización para refrescarnos es el hecho de que el exceso de calor de nuestro organismo se consume, en parte, por evaporación de agua (componente mayoritario del sudor) en la piel, tras ser liberada por las glándulas sudoríparas. Al jadear, los perros emplean un proceso similar, perdiendo calor a través de la evaporación del agua de la saliva de la lengua.

El profesor Abba, citado antes, y que lamentablemente falleció con solo 46 años, inventó un frigorífico, hecho con cerámica, que no necesita de electricidad, sino que hace uso, precisamente, de algunas de las propiedades del agua que se han indicado. Dicho frigorífico, que en inglés se conoce desde entonces como “pot in pot” (se podría traducir por “vasija en vasija”) y en árabe como “zeer”, requiere la preparación de dos recipientes de cerámica porosa, de distinto tamaño, que se disponen uno dentro del otro, y entre los que se introduce arena humedecida. Es esencial para su correcto funcionamiento que la arena esté constantemente húmeda.

Dentro de la vasija interna se introducen alimentos que se tapan con un paño húmedo. Los alimentos así dispuestos se encuentran a temperaturas inferiores a las del ambiente exterior, gracias a la evaporación del agua, según el efecto termodinámico ya comentado y que explica también el enfriamiento del agua en los populares botijos españoles. [1] Se produce así, en el frigorífico de cerámica, un descenso de temperatura de hasta cerca de veinte grados centígrados. Nótese que los frigoríficos convencionales que utilizamos, si bien llegan a temperaturas inferiores y más controlables, necesitan estar conectados a la red eléctrica para funcionar, dado que se basan en otros principios termodinámicos muy diferentes.

Aparte de las características del agua, también la cerámica con la que se fabrica el frigorífico en cuestión ocupa un papel relevante. Es un material aislante térmico (conduce mal el calor), por lo que resguarda al interior, con alimentos, del calor del aire y de la radiación solar. Además, su porosidad permite que se evapore el agua que acompaña a la arena humedecida, situada entre ambos recipientes. Si la cerámica no fuera porosa, no se produciría evaporación del agua y, por tanto, no habría refrigeración (como ocurre con los botijos barnizados, en los que el agua no se enfría). Por otra parte, la porosidad aumenta la capacidad como aislante térmico del material cerámico.

Para preparar objetos de cerámica, como los aquí indicados, se trata una arcilla  adecuada con agua, lo que la hace deformable (adquiere un comportamiento “plástico”). Las arcillas están constituidas químicamente por varios tipos de silicatos y aluminosilicatos de estructura laminar. Para ilustrar la estructura de una arcilla, en la siguiente figura se muestra la correspondiente a la montmorillonita [2]. Las arcillas se suelen volver plásticas con el agua porque esta sustancia le otorga un efecto “lubricante” que facilita el desplazamiento de las láminas entre sí.

Una vez conformada una pieza de arcilla humedecida con la forma deseada, se somete a un ciclo de secado y calefacción en hornos, a temperatura adecuada, produciéndose una serie de procesos químicos de transformación de silicatos, que hacen rígido al material y, por tanto, ya no deformable. Sin conocer como ahora la estructura de los silicatos arcillosos, ni las complicadas reacciones químicas implicadas en su cocción, este proceso de preparación de materiales cerámicos es bien conocido desde hace miles de años: es el “secreto” del arte de la alfarería.

El clima también es importante en el frigorífico cerámico que se está comentando. Si hubiera una elevada humedad en el ambiente, el agua no tendría tendencia a evaporarse y no funcionaría un frigorífico como el aquí descrito. Al igual que para el caso de los botijos ya aludidos, para que se produzca la evaporación del agua, a la velocidad adecuada, es necesario que exista un clima caluroso y seco, algo que no es frecuente en el conjunto de nuestro planeta, donde son más habituales los veranos húmedos. Este hecho justifica el porqué los botijos y otros materiales cerámicos que refrescan el agua son conocidos desde hace siglos sólo en ciertas zonas, como las de clima mediterráneo, pero no en otras latitudes. [3] Además, una adecuada ventilación, que promueva la dispersión de las moléculas del agua que se van evaporando, también favorece el proceso.

Hay constancia de la existencia de ciertos tipos de vasijas de arcilla porosa refrigerantes en Egipto, concretamente en la ciudad de Qinã, fabricadas hace más de tres mil años. En la actualidad, entre otros países, se constata su presencia en Burkina Faso, donde algunos recipientes de cerámica que contienen alimentos se sumergen en agua antes de llenarlos, y en la India, donde hay vendedores ambulantes de frutas y bebidas enfriadas en bolsas dentro de contenedores de arcilla humedecida.

El descenso de temperatura que se produce en la vasija interna del frigorífico zeer provoca una ralentización de los procesos bioquímicos de degradación de los alimentos allí guardados, aumentando su duración. Esto es el fundamento, a grandes rasgos, de la refrigeración de los alimentos para su conservación más duradera: cuanto más frío están, más duran, por ser menor su velocidad de degradación.

Este es un hecho bastante universal: la velocidad de las reacciones químicas disminuye al descender la temperatura. Cuantitativamente viene regido, en muchas ocasiones, por la ecuación de Arrhenius, bien conocida por los alumnos de química de bachillerato. La vida de las bacterias (seres vivos unicelulares) que degradan los alimentos se basa, como la de cualquier otro ser vivo, en reacciones químicas que tienen lugar en el interior de las células y, a baja temperatura, se hacen más lentas.

En el Norte de Nigeria, zona donde vivió el profesor Abba, se da un clima semidesértico y se carece prácticamente de suministro eléctrico en las zonas rurales. Por otra parte, el arte de la cerámica es bien conocido allí desde hace siglos, por lo que la preparación de los recipientes del tipo de los diseñados por este profesor no es una técnica ajena a los habitantes del entorno.

En una economía de subsistencia, como es la característica de la zona, dependiente prácticamente en exclusividad de productos agrícolas, muchas niñas dedicaban la mayor parte de su tiempo a la venta diaria de estos productos que, en ese clima tan cálido, duran apenas unos días.

Una vez que el profesor Abba desarrolló su idea, comprobó en la práctica que funcionaba. Así, por ejemplo, observó que las berenjenas, que duran en el clima de la zona del orden de tres días, se mantienen en condiciones aptas para el consumo durante casi un mes en su “frigorífico del desierto”. Y los tomates y pimientos duran óptimamente más de tres semanas. Otro cultivo de elevado consumo en la zona, como es un tipo de espinaca, que deja de ser comestible en tiempo caluroso en sólo dos días, pasa a durar cerca de dos semanas en el frigorífico descrito.

Y comprobada la tecnología, el profesor Abba tuvo que hacer un trabajo adicional, no menos complicado: divulgar las bondades de su procedimiento y convencer de ello a sus paisanos. Para ello, y teniendo en cuenta el elevado índice de analfabetismo de la zona, lo difundió, poblado a poblado, con ayuda de una película que proyecta sobre una sábana blanca. Apoyado por familiares con tradición alfarera, fabricó unos centenares de vasijas, que distribuyó para demostrar su utilidad.

Aunque no se ha indicado hasta ahora, Abba no era profesor de ciencias, ni tampoco poseía profundos conocimientos al respecto. Tras estudiar Gestión y Administración en la Universidad Ahmadu Bello, en la ciudad de Zaria, ejerció la docencia de estas materias en el Politécnico Público de Jigawa en Dutse, también en Nigeria. Pero poseía, eso sí, creatividad y una inteligencia muy práctica, lo que le permitió aplicar conocimientos científicos básicos, como los mencionados en párrafos anteriores, a la solución de problemas concretos. Sus inquietudes sociales le llevaron también a ser asesor, en su tiempo libre, de programas de desarrollo de Naciones Unidas en Kiyawa, donde organizó diversas actividades para la comunidad, especialmente encaminadas a la promoción social de la mujer.

Su labor no se limitó, pues, a realizar una invención, sino que tuvo que aplicar, en los años siguientes, sus conocimientos de gestión, para difundir su hallazgo.

El mantenimiento es muy económico: un frigorífico zeer, por un módico precio que no llega a un euro, permite refrigerar suficientemente unos doce kilogramos de frutas, verduras y otros alimentos (como la carne) siempre, por supuesto, que se mantenga humedecida la arena presente entre ambos recipientes, a medida que se va evaporando el agua.

Por si todo esto fuera poco, al no necesitar aporte de energía eléctrica, no implica emisiones de dióxido de carbono para su funcionamiento, por lo que promueve un desarrollo sostenible. [4] Y gracias a la necesidad de fabricación de estos recipientes, además, se potencia la industria artesanal alfarera de la zona.

El Profesor Abba era profundamente creyente, y fiel a la doctrina islámica que profesaba, era consciente de que su conocimiento y su esfuerzo no le pertenecían en exclusividad, sino que los consideraba un legado que Dios ponía a su disposición para ayudar a sus semejantes. Probablemente, en algunos momentos de reflexión, relacionó su invento con ciertas partes del Corán, como aquélla donde se indica que Dios hizo descender de las alturas la lluvia (el agua) para producir todos los frutos de los que nos nutrimos. Además, entendía el Islam como una apuesta por la igualdad radical de hombres y mujeres. Por ello, la principal satisfacción que manifestó fue el hecho de que, gracias a su invención, muchas niñas que anteriormente dedicaban casi todo el día a la venta ambulante de productos vegetales perecederos, podían espaciarla, lo que les permitía acudir a la escuela de una forma más regular.

Hasta la fecha, se han distribuido más de cien mil frigoríficos zeer, no ya sólo en el norte de Nigeria, sino también en otros países del entorno. Se está estudiando también el método para otras aplicaciones interesantes; por ejemplo, para conservar viales de insulina para pacientes diabéticos de zonas rurales remotas de Eritrea, donde no hay acceso a la electricidad.

El frigorífico explicado supone, pues, una esperanza para ciertas zonas africanas. No es quizá mucho a nivel global (y por eso se ha difundido parcamente en los medios de comunicación occidentales) pero, a nivel local, parece que permite mejorar el nivel de vida de miles de personas, y eso no es poco. Es un ejemplo más de que, gracias al conocimiento científico, en este caso de propiedades fisicoquímicas básicas, y al tesón de seres humanos emprendedores, puede cambiarse el presente, propiciando un futuro mejor. Es una lección siempre importante, pero quizá aún más en tiempos de crisis.

Este artículo nos lo envía Gabriel Pinto Cañón. Doctor en CC. Químicas por la Universidad Complutense de Madrid, es Catedrático de Ingeniería Química en la Universidad Politécnica de Madrid. Aparte de su investigación sobre preparación y caracterización de materiales compuestos de matriz polimérica, ha dedicado un esfuerzo desde hace tres décadas a la didáctica y divulgación de la química, la física y la tecnología.

NOTAS:

[1] Para comprender el enfriamiento que se produce por la evaporación del agua, se sugiere el ejemplo donde se compara el “mecanismo” del enfriamiento de un botijo con el juguete científico conocido como “pájaro bebedor”, expuesto en un trabajo anterior citado en la bibliografía. En dicho trabajo, titulado “Aprendamos física experimentando con una sustancia mágica: ¡El agua!”, se aportan más referencias al respecto.

[2] La etimología de los minerales, como el de los compuestos químicos, los elementos, y otros múltiples conceptos científicos, es un campo apasionante. Además, puede utilizarse a nivel didáctico para atraer la curiosidad de los alumnos. En este caso, simplemente se indicará que el nombre de montmorillonita alude a la localidad francesa de Montmorillon. Otra localidad francesa, Les Baux-de-Provence, da nombre a la bauxita, un mineral de gran interés práctico porque permite la obtención del aluminio metálico. Así, es fácil pensar que el mineral aragonito se refiere a alguna población aragonesa. No es así, pero casi: se debe a Molina de Aragón (Guadalajara, Castilla-La Mancha).

[3] Los profesores Martínez de Azagra y del Río, de la Universidad de Valladolid, realizaron un interesante trabajo, recogido en la bibliografía, sobre la influencia del clima en la utilidad refrigeradora de los botijos.

[4] A diferencia de los frigoríficos convencionales en los que normalmente la energía procede, en buena parte, de centrales térmicas.

BIBLIOGRAFÍA:

– J. I. Zubizarreta, G. Pinto, “An ancient method for cooling water explained by means of mass and heat transfer”, Chemical Engineering Education, 29, 96-99 (1995).

– E. Ibrahim, L. Shao, S. B. Riffat, “Performance of porous ceramic evaporators for building cooling applications”, Energy and Buildings, 35, 941-949 (2003).

– J. Viegas (ed.), The laws of thermodynamics: an anthology of current thought, pp. 112-120, Rosen Publishing Group, New York (2006).

– F. Bergaya, G. Lagaly, “Chapter 1 General introduction: Clays, clay minerals, and clay science”,Developments in Clay Science, 1, 1-18 (2006).

– A. Martínez de Azagra, J. del Río, “World map of potential areas for the use of water cooling pitchers (botijos)”, Journal of Maps, 11, 240-244 (2015).

– G. Pinto, V. M. Díaz, M. Martín, P. Lahuerta, M. T. Martín, F. Sotres, I. Paz, “Aprendamos física experimentando con una sustancia mágica: ¡El agua!”, Sección de Experimentos de Ciencia en Acción( http://cienciaenaccion.org/ ): http://www.bit.ly/1PDyc11

– Rolex Awards, A cheap technique for food preservation, M.B. Abba.

– G. Pinto, Enfriamiento del agua contenida en recipientes cerámicos porosos. Universidad Politécnica de Madrid.