La cuestión de la sostenibilidad en la digitalización de la economía

Por José Halloy [1]

Artículo publicado en La Revue nouvelle, nº4 (año 72), 2017
Publicado con el consentimiento expreso de dicha revista
Traducido al castellano para EcoPolítica por Miriam Sivianes

I. Grandes inventos tras la Segunda Guerra Mundial

Ocurrió en Aulnay-sous-Bois, suburbio de París, de 1945 a 1948. Los físicos alemanes Herbert F. Mataré y Heinrich J. Walker inventaron el primer transistor francés, que se llamó “transistron”, se basaba en semiconductores cristalinos hechos de germanio. Invento para el cual depositaran una solicitud de patente el 13 de agosto de 1948 a las 15:44h. Al otro lado del Atlántico, en Murray Hill, Nueva Jersey, cerca de Nueva York, concretamente en los laboratorios Bell, la tarde del 23 de diciembre de 1947, Walter Brattain realizaba un ensayo frente a sus compañeros de un nuevo transistor fabricado a partir de un cristal de germanio. En 1956, los investigadores de los “Laboratorios Bell”, John Bardeen, Walter H. Brattain y William B. Shockley, recibirán el premio Nobel de física “por la investigaciones sobre los semi conductores y su descubrimiento del efecto transistor”. Este invento concomitante fue el inicio de una gran revolución industrial en el siglo XX, de la que partían todas las tecnologías de cálculo y telecomunicación, así como, también supuso la piedra angular del mundo occidental actual. Desde el principio, el punto de convergencia de estas innovaciones y de las telecomunicaciones (hablamos de los albores de las llamadas telefónicas intercontinentales, y de las nuevas calculadoras electrónicas) pasarían a la posteridad bajo el nombre de ordenador.

La conductividad eléctrica de un semiconductor se encuentra en una posición intermedia entre la de los metales y la de los compuestos aislantes. Esta conductividad puede ser controlada por medio de un dopaje o alteración, es decir, introduciendo una pequeña cantidad de impurezas en el material cristalino puro, para producir un exceso o un déficit de electrones. Los semiconductores alterados de manera diferente pueden ser vinculados para crear conexiones. Esto permite determinar la dirección y la cantidad de una corriente circulante a través de un dispositivo. Esta propiedad es la base del funcionamiento de los componentes electrónicos modernos: diodos, transistores, etc.

No tengo aquí el espacio para recitar la epopeya científica y técnica que seguirá a estos avances, nombrando a celebridades como Claude Shannon, que se expone en el museo des Arts et Métiers de París (Artes y Oficios), o el austero y beligerante John Von Neumann o también el mitico Alan Turing que aparece hagiografiado en los libros y en el cine. No podemos pasar por alto, las hordas de ingenieros astutos y las cohortes de mujeres científicas y técnicas, que hacían funcionar estas nuevas maquinas de cálculo y de comunicación, colectivos esenciales que a menudo son obviados en la historia de las ciencias. Tendríamos que incluir también las grandes sagas industriales que estudian el mismo tema, aludiendo a las empresas referentes de Silicon Valley de Estados Unidos, solo por nombrar algunas: Intel Corporation, Hewlett Packard Entreprise y otras como Apple Computer y otras de otros territorios como IBM, Texas Instruments, Motorola, sin olvidar las corporaciones industriales japonesas (Toshiba, Nippon Electric, Matsushita) y europeas (Siemens, AEG-Telefunken, Thomson-CST, Secosem).

II. Las mejoras técnicas que permitieron rendimientos considerables de la economía de escala

Sin embargo, es útil puntualizar las proezas técnicas vertiginosas que han permitido a lo electrónico convertirse en omnipresente en el mundo occidental. Primeramente, se trata de la enorme eficacia de la miniaturización, es decir del aumento de la cantidad de transistores que es posible integrar en una unidad de superficie.

Gordon Moore fue químico y fundador en 1968 de Intel junto con Robert Noyce, físico, ambos inventores del circuito integrado. Moore por su parte, formulará una observación empírica: el número de transistores que es posible integrar en un circuito, se duplica cada año desde comienzos de los años 70. De los millones de transistores existentes en 1971, el progreso de integración permite instalar en nuestros días en torno a 3000 billones de transistores en un circuito integrado de tan solo una centena de milímetros cuadrados, para los procesadores de cálculo. Esta fabulosa miniaturización, permitirá el aumento considerable de las capacidades de cálculo y de transmisión de la información, así como aplicar circuitos integrados en casi todos los dispositivos técnicos conocidos. No obstante, es probable que estemos llegando al límite de la capacidad de integración de las tecnologías ya conocidas. De hecho, a día de hoy un transistor alcanza la talla de unos 7 nanómetros. Un átomo de silicio tiene una envergadura de unos 0.22 nanómetros de diámetro. ¡Los procesos de grabado más avanzado permiten construir en torno a treinta y dos átomos de silicio! Estamos alcanzando los límites de lo que es posible fabricar porque por encima de esta escala los efectos cuánticos, es decir la física de Los gatos de Schrödinger y temas relacionados, pueden tornarse inestables para el funcionamiento, a una temperatura ambiente, del procesador de cálculo.

Seguidamente, las proezas técnicas prodigiosas van a mejorar la eficacia energética de los chips que componen los transistores. Gracias a la miniaturización, las potencias de cálculo, han crecido exponencialmente. Las calculadoras pasan de unos millones de cálculos por segundo en los años 70, a algunos billones de instrucciones por segundo a día de hoy. Paralelamente, este crecimiento formidable de la potencia de cálculo se acompaña de una mejora de la eficiencia energética. A comienzos de los años 70, el número de cálculo realizado por kWh era de unas decenas de millones. Hoy día, un ordenador portátil puede realizar alrededor de diez millones de billones de cálculo por kWh. 1 kWh es una unidad de energía que equivale a 3,6 millones de julios, es decir 860 kilocalorías, nosotros consumimos en torno a 2500 kilocalorías por día, o lo equivalente a la energía liberada por combustión de unos 100 mililitros de gasolina.

Estos dos factores técnicos aunados: la miniaturización y la eficacia energética, han permitido para el cálculo, entre otras, la invención de dispositivos técnicos personales y móviles, tales como ordenadores portátiles y teléfonos móviles, así como el auge de los ordenadores personales y la inclusión furtiva de procesadores en la telefonía fija, la televisión, la radio y la reproducción del sonido, de la imagen y de la música, en definitiva en todo lo relativo al uso que el gran público realiza de estas tecnologías.

III. Las tecnologías de presencia ubicua

La omnipresencia de la electrónica en nuestra vida cotidiana es una de las mejoras técnicas extraordinarias que, con el paso de los últimos 60 años, han multiplicado por billones algunas propiedades claves de estos equipos. Estos increíbles rendimientos de la economía de escala, equivalen a un cambio de espacio que va del de una montaña al de una bacteria, no tienen, sin duda, precedente en la historia de la tecnología. Sin embargo, la extrapolación de esta progresión para los años venideros de este avance técnico parece alcanzar sus límites. La mejora de las tecnologías actuales está sujeta a nuevos descubrimientos en física y al sorpasso de algunos límites físicos conocidos. Por ejemplo, a la velocidad actual de mejora, en 2041, será posible alcanzar el límite de Feynman, límite teórico fundamental de un transistor compuesto de solo tres átomos. Siempre que se descubra la posibilidad técnica de construirlo de manera estable, lo que está lejos de la situación real actualmente. Estas fuertes restricciones físicas hacen que contemplemos una ralentización significativa, incluso un estancamiento del progreso técnico que afecta a los semiconductores necesarios para fabricar en la electrónica y en los circuitos integrados.

Estas tecnologías han permitido la elaboración progresiva desde los 70 de una economía digital que se basa en el emplazamiento de grandes infraestructuras consumidoras de materia y de energía. Estas infraestructuras son las redes de telecomunicación, las redes informáticas, así como los grandes centros de tratamiento de datos (data centre), autenticas fábricas informáticas encomendadas a un cálculo masivo para un tratamiento rápido de un flujo de información que no cesa de aumentar. A estas grandes infraestructuras se pueden conectar todas las terminales de usuarios. Estas terminales individuales de conexión son, por ejemplo, los teléfonos móviles y los ordenadores portátiles, los ordenadores personales, los servidores, los aparatos domésticos como los televisores y los equipos Hi-fi. A esto hay que sumar el conjunto de aparatos electrodomésticos. En el ámbito industrial, es difícil, a decir imposible, encontrar una actividad que no esté nada o poco informatizada. El mundo occidental descansa como vemos sobre un pedestal de dispositivos tecnológicos que se han convertido en casi ineludibles, sustentados en la electrónica y en particular en los circuitos integrados a base de transistores. Estos dispositivos se han convertido en omnipresentes e indispensables para el funcionamiento cotidiano de nuestra sociedad.

IV. Un consumo eléctrico importante y en aumento

En un primer momento, hay que estimar el consumo eléctrico de las principales infraestructuras. Esta estimación presenta dificultades para ser concebida porque se trata, primeramente, de establecer un inventario de aparatos e infraestructuras instalados. Sin embargo, se trata de actividades industriales privadas de las que no hay, o hay pocas, estadísticas oficiales. Además se trata de hacer una estimación de una potencia asociada a diferentes aparatos que siguen distintas hipótesis. Estos inventarios y estas estimaciones de potencia son sujetos de investigación complicados técnicamente. Según las hipótesis, los datos recogidos y la definición de perímetros técnicos, las estimaciones presentan lagunas, lo que explica la variabilidad de previsiones presentadas de unos estudios a otro. Según un estudio europeo (Lannoo et al.2013), el consumo total de electricidad de redes informáticas y de comunicación de centros de datos y de ordenadores personales crece a un ritmo de 6.6 % por año. En conjunto estos dispositivos han consumido una media de 930 TWh en 2012. Si esta energía hubiera sido producida a partir de energía nuclear, se habrían necesitado 100 reactores nucleares como los de Tihange en Bélgica, produciendo un GW de electricidad. La parte perteneciente de estos dispositivos en el consumo mundial total de electricidad ha crecido pasando de en torno a un 4% en 2007 a 4.7% en 2012. Esta cantidad de electricidad no tiene en cuenta el consumo de otros aparatos como los televisores y sus descodificadores, los teléfonos y los dispositivos periféricos de audio, así como, otros elementos que funcionan con electricidad y contienen tecnología electrónica.

La parte de electricidad mundial consumidas por estas infraestructuras informáticas de base es por lo que vemos importante y se encuentra en fase de crecimiento desde los años 70. No obstante esto no es nada más que la punta del iceberg, existe una multitud de aparatos informatizados como coches u otros objetos de uso diario tales como fotocopiadoras, impresoras y dispositivos técnicos industriales que incluyen elementos electrónicos. Aún si fuera posible mejorar aún la eficacia energética de los semiconductores la sed creciente de un ancho banda de datos cada vez más elevado, la búsqueda de mejores resoluciones de videos, el moviendo actual hacia el almacenamiento de todo en la nube (“cloud”) más usado que el almacenamiento local, la posibilidad de comunicarse incluso con elementos de nuestro día a día en Internet (“el Internet de las cosas”), el conjunto de l tendencias continuara probablemente desencadenando un aumento de la demanda energética.

V. Para la sostenibilidad de las tecnologías la eficiencia energética no es suficiente

En términos de sostenibilidad el debate actual se centra en la supuesta naturaleza diferente de la economía digital y la posibilidad que ofrece de disociar el crecimiento económico y el consumo de energía. Desde los años 2010 solamente, el debate se ha ampliado a la cuestión del consumo de materiales necesarios y no renovables para construir y mantener el conjunto de estos dispositivos tecnológicos. La frase de Nicholas de Negroponte, profesor de informática en el MIT se ha hecho famosa: Hay una diferencia fundamental entre los átomos y los bits (cifras binarias que codifican la información). Los átomos componen la materia y esto es pesado y caro de transportar. Los bits son inmateriales, y por lo tanto son rápidos y por lo tanto no son caros de transportar. Una economía digital, que comercializa con bits con un alto valor añadido se liberaría de esta manera de las limitaciones materiales. Este razonamiento podría ser un ejemplo del pensamiento dualista arraigado en la informática. Quedaría de un lado la “inteligencia”, equivalente al “espíritu”, y del otro el “cuerpo” porque habría que incorporarle este “espíritu”; de un lado el “software” y del oro lado el “hardware”. La consecuencia es una fuerte centralización de las elucubraciones en los algoritmos, las formulaciones matemáticas de la información y la parte “cuerpo”, poco abordada y dejada principalmente en manos de los ingenieros. Esta incorporación de la naturaleza del “cuerpo”, que no debe ser olvidado bajo la perspectiva de las cuestiones de sostenibilidad y que debe ser repensada desde una visión no dualista. Este dualismo se ha convertido en perjudicial en términos de sostenibilidad, si se trata de transformar las tecnologías de tratamiento de información en sostenible, hará falta pensar en el “espíritu”, y en el “cuerpo” como irremediablemente vinculados y reintroducir las limitaciones materiales en la concepción de “espíritus artificiales”.

La eficiencia energética y técnica, a pesar de ser útil, no debe ocultar que la instalación de redes de telecomunicaciones e informáticas corresponde a un crecimiento global del consumo de energía. Esta paradoja de la eficiencia, también llamada paradoja de Jevons, o efecto rebote, es conocida desde la creación de la máquina de vapor gracias al consumo de carbón. El economista y lógico inglés, William S. Jevons, uno de los fundadores de la economía matemática en 1862, observa que las mejoras tecnológicas que incrementan la eficiencia del consumo de carbón llegan a un consumo incrementado de carbón. Mejorar la eficiencia energética de las máquinas produce entonces el efecto contra intuitivo de un crecimiento global del consumo de energía. Razonar únicamente en términos de eficiencia energética no es solo insuficiente sino que también puede llegar a efectos indeseables.

En 1922, el matemático y biofísico americano de origen austrohúngaro, Alfred James Lotka, retoma una consideración biológica del físico Ludwig Boltzmann, quien formula la interpretación estadística de la entropía. Este razonamiento, fundado sobre la termodinámica, estipula que durante la evolución biológica los organismos que capturan eficazmente la energía disponible en un ecosistema tendrán una ventaja para la preservación de sus especies. Por lo tanto si las fuentes de recursos están disponibles, estos organismos, entonces, se apoderarán del ecosistema porque serán favorecidos por la selección natural. La tasa de circulación de materia en el ecosistema aumentará también por multiplicación del organismo en cuestión. Es importante poner de relieve que las mejoras de la eficiencia energética producen un crecimiento del consumo global de energía y de materia.

Desgraciadamente, la economía de escala de componentes semi conductores ya no puede generar ganancias similares en términos de rendimiento, de eficiencia y de reducción de costes como ocurría en el pasado, sin unos avances tecnológicos radicales. Ahora bien, los mercados de lo electrónico no paran de expandirse e invaden todas las actividades económicas. Nuevos servicios, como por ejemplo, el internet de las cosas, engloba mil millones de objetos conectados, las tecnologías “inteligentes” como los contadores eléctricos inteligentes, también suponen millones de objetos; sólo en Francia, los medios de transportes autónomos, colectivos o individuales, las ciudades “inteligentes”, todo en conjunto, crea extensas redes de captores y de análisis masivos de datos que hacen siempre crecer el despliegue de los sistemas electrónicos. Hay que esperar un consumo cada vez más grande de electricidad y de materia.

VI. Las cantidades de materias necesarias para la fabricación representan una fuerte restricción

No se trata solo de hacer funcionar el “espíritu” a la electricidad, los algoritmos y los cálculos, también importa fabricar y mantener los “cuerpos” que reciben estos “espíritus”. Desde los años 50, estos cuerpos se apoyan sobre los semiconductores cristalinos. Los transistores son materiales cristalinos hechos de metaloides, principalmente el germanio (desde 1947) y el silicio (desde 1954). Otros compuestos típicamente utilizados son el arsénico de galio, el carburo de silicio, el silicio-germanio. Los mismos tipos de materiales semiconductores son igualmente utilizados para producir la electricidad fotovoltaica y la luminosidad LED. Las tecnologías informáticas se basan principalmente en los chips CMOS (semiconductores de oxido metálico complementario), MOSFET (transistor con efecto de campo al semiconductor en metal). Estos tipos de materiales son utilizados para fabricar los circuitos constituidos de portales lógicos que forman la arquitectura de base de los circuitos integrados.

La primera etapa de fabricación es en la que se producen bloques de alta pureza para seguidamente cortar finos discos en material semiconductor, como el silicio, el arsénico de galio o el fosfuro de indio. Estos discos sirven de soporte a la fabricación de micro estructuras necesarias para técnicas como el dopaje, el grabado o el depósito de otros materiales. Diferentes procesos son utilizados para dopar el material de la lamina sumándole en una baja concentración, del orden de una parte por millón (ppm), otros elementos como el boro, el arsénico, el fosforo, el galio, el germanio.

Estos procesos de fabricación tienen implicaciones importantes en términos de posibilidades de reciclaje porque cuanto más débil es la concentración, más difícil es separar los elementos. El reciclaje es una actividad difícil porque la electrónica se basa en numerosos tipos de materiales y algunos de ellos se encuentran en baja concentración. El cuerpo de un ordenador es también una estructura compleja constituida de circuitos integrados, de tarjetas electrónicas y de diferentes tipos de embalajes en polímeros sintéticos, lo que hace difícil su desmontaje. Cada uno de estos compuestos, como los circuitos integrados, es una estructura compleja difícil de desmontar, lo que hace la separación de los productos químicos compleja. Esto explica, en parte, que la tasa de reciclaje de elementos químicos implicados en su elaboración sea generalmente muy baja (Reck, 2012).

El conjunto de los diferentes elementos químicos utilizados para producir el cuerpo de un ordenador se compone de cerca del 80% de la tabla periódica de los elementos (Graedel, 2012; Peiro, 2013). La obtención de estos elementos químicos, en particular, los que son necesarios para la fabricación de piezas electrónicas, cada vez es más crítica. El estado crítico de los elementos químicos puede ser abordado desde tres puntos de vista: el riesgo de aprovisionamiento, las implicaciones medio ambientales, la vulnerabilidad frente a las restricciones de aprovisionamiento (Graedel, 2015). En términos de riesgo de aprovisionamiento solo se encuentran los elementos químicos considerados como los más críticos: el germanio, el indio, el talio, el arsénico, el estaño, el bismuto, el selenio, la plata, el cadmio. Estos elementos son esenciales en la construcción de piezas electrónicas contenidas en todos los dispositivos técnicos mencionados aquí.

La tasa de extracción de metales y de metaloides en la industria minera ha aumentado constantemente a lo largo del siglo XX. Casi todos los elementos extraídos han alcanzados sus niveles más altos de extracción, en términos históricos, en los últimos años. Estas tasas de extracción crecientes parece que se no se ralentizan sino mas bien se aceleran, a razón del auge del mercado electrónico del gran público. La tendencia actual de la industria multiplica los aparatos electrónicos por billones. Por ejemplo de 2007 a 2015, en torno a 1,4 billones de smartphones se vendieron en todo el mundo. Estos factores impulsaron aún más la explotación minera para producir los elementos químicos necesarios (Bardi 2014, Heinberg, 2010).

VII. Una industria minera que no para de crecer y energívora

Las cantidades de minerales que pueden ser extraídas son limitadas y corresponden con el almacenamiento creado por la evolución geológica de la tierra. Estos recursos minerales son evaluados por instituciones como la Unites States Geological Survey (USGS). Partiendo de las cantidades geológicas que se estiman existen, y haciendo una previsión a partir de las tasas provisionales de extracción, es posible conocer cuando las reservas conocidas de un elemento químico determinado serán extraídas (Douce, 2016). Partiendo de diversas hipótesis posibles de previsiones de tasas de extracción, los últimos años de explotación para algunos de los elementos con más demanda se darán a finales del siglo XXI (Heinberg 2010, Bardi 2014).

La extracción de elementos químicos necesita igualmente importantes cantidades de energía para la exaración y el tratamiento físico y químico de los minerales, con la intención de producir lingotes de metales y metaloides. En 2014, se estimaba en unos 400 millones de toneladas, el equivalente de petróleo (400 millones de tep) para la extracción de elementos metálicos y metaloides. En comparación el consumo total de energía de la Unión Europea (28 estados miembros) eran de en torno a 1600 Mtep. De igual manera la industria minera necesaria para producir las materias primas utilizadas para fabricar los materiales complejos empleados en la producción de la electrónica consume una parte importante de la energía. Las principales fuentes de energía utilizadas en las minas son el carbón y el petróleo. Además las concentraciones de minerales explotados disminuyen lo que hace que la explotación de las minas sea cada vez menos rentable. Hay que puntualizar que para la producción de electricidad supuestamente renovable existe el mismo riesgo de agotamiento del material, lo que crea inquietudes en cuanto a la sostenibilidad real de la electricidad fotovoltaica y eólica (Fizaine 2015).

VIII. La electrónica y la digitalización como factores de resiliencia débil

Todos estos permiten concluir que, en términos de energía y materiales, las tecnologías informáticas actuales no son sostenibles a largo plazo. Las tensiones sobre el consumo de energía y de materia tendrán lugar a lo largo de este siglo. Existe une necesidad creciente y apremiante de reinventar cómo construimos los sistemas electrónicos incluyendo los ordenadores y los robots con la finalidad de que sean sostenibles. Numerosas lagunas persisten lo que hace difícil la planificación de una estrategia. Sin embargo, la literatura científica reconoce que los límites importantes se alcanzaran a largo del siglo XXI y esta cuestión está estrechamente ligada a la del cambio climático y a la transición energética. Teniendo en cuenta el tiempo necesario para el desarrollo científico y tecnológico, esto significa que las investigaciones necesarias para desarrollar soluciones alternativas tienen que ser llevadas a cabo cuanto antes y de manera intensiva.

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Notas

[0] La imagen destacada en el artículo se encuentra bajo Licencia Creative Commons en Pixabay.
[1] José Halloy es profesor de física en la Université Paris Diderot.

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Bibliografía

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Douce, A. E. P (2016). Metallic Mineral Resources in the Twenty-First Century. I. Historical Extraction Trends and Expected Demand. Natural Resources Reasearch, 25(1), 71-90.
Graedel, T.E., Harper, E.M., Nassar, N.T., & Reck, B.K. (2015). On the materials basis of modern society. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(20), 6295-6300.
Graedel, T.E., Harper, E.M., Nassar, N.T, Nuss, P.,& Reck, B.K. (2015).
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Heinberg, R. (2010). Peak everything; waking up to the century of declines. New Society Publishers.
Lannoo, B., Lambert, S., Van Heddeghem, W., Pickavet, M.,Kuipers, F., Koutitas, G., Niavis, H.Satsiou, A., Beck, M.T., Fischer, A., de Meer, H., Alcock, P., Papaioannou, T., Viet, N.H., Plagemann, T., Aracil, J.(2013): Overview of ICT energy consumption.
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Peiró, L.T., Méndez, G.V., & Ayres, T.U. (2013). Material flow analysis of scarce metals: Sources, functions, end-uses and aspects for future supply. Envirommental science & technolofy, 47(6), 2939-2947.
Reck, B.K., & Graedel, T.E. (2012). Challenges in metal recycling. Science, 337 (6095), 690-695.

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