5 sposobów na produkcję energii, które mogą być naszą przyszłością
Znamy wiele sposobów pozyskiwania energii, a każdy z nich ma swoje zalety i wady. Naukowcy pracują nad nowymi, które będą nam w przyszłości potrzebne, biorąc pod uwagę stale rosnące zapotrzebowanie.
Spis treści
Jak ważne jest pozyskiwanie energii może świadczyć jeden ze sposobów mierzenia rozwoju cywilizacji. Tak zwana Skala Kardaszewa powstała w 1964 roku z inicjatywy rosyjskiego astrofizyka, Mikołaja Kardaszewa. Określa ona, ile energii potrafi pozyskać dana cywilizacja. Ludzkość pozostaje niestety nadal na poziomie zerowym. Jeśli dopuścić wartości ułamkowe, niektóre źródła określają nasz moment rozwojowy jako 0,73 w tej skali.
Ponieważ I (rzymska jedynka) to społeczność, która potrafi w pełni wykorzystać zasoby energetyczne swojej rodzimej planety, a nam jeszcze trochę do tego poziomu brakuje, o czym można łatwo się przekonać czytając ten artykuł. Nasze sposoby pozyskiwania energii nadal pozostawiają sporo do życzenia. Chociażby spory udział elektrowni węglowych – napięcie w gniazdkach w zamian za zatruwanie ziemskiej atmosfery.
Stąd naukowcy od dawna i stale pracują nad nowymi odkryciami w dziedzinie energetyki. Ujarzmiliśmy już energię jądra atomu, to spory krok na przód, lecz budzący kontrowersje. To może być jedna z właściwych dróg, lecz wymaga jeszcze wielu lat pracy i być może zmiany podejścia (fuzja jądrowa lub coś całkiem nowego).
Osiągnięcie drugiego stopnia w skali Kardaszewa będzie wymagać już konstrukcji kosmicznych w skali trudnej nawet do wyobrażenia. Stopień ten oznacza korzystanie z energii gwiazdy, więc by spełnić takie założenie, będziemy musieli skonstruować sferę Dysona, czyli np. wielkie baterie słoneczne okalające Słońce.
Stopień trzeci to dla nas całkowita abstrakcja. Wykorzystanie energii wielu systemów lub nawet całej galaktyki to na razie tylko fikcja literacka, bo nawet w kinematografii rzadko możemy coś takiego zobaczyć. Lepiej skupmy się na pozyskiwaniu energii z glonów, rozwijaniu fuzji jądrowej lub opracowaniu technologii kosmicznych, które pozwolą nam umieścić słoneczne elektrownie na orbicie.
Fuzja jądrowa
Ponad 70 lat temu człowiek po raz pierwszy ujarzmił potęgę atomu dla dobra elektrotechniki. Od tego czasu budowane są kolejne generacje elektrowni jądrowych. Energia powstaje w nich z ciepła, które wytwarza reakcja rozpadu jądrowych radioaktywnych izotopów, głównie Uranu lub Plutonu. Procesy te zachodzące w paliwie rozgrzewają je i zarazem otaczające je chłodziwo, które potem napędza turbiny generatorów. To czysty i wydajny proces, budzi jednak wiele kontrowersji i obaw.
W razie konieczności reaktor jądrowy może zostać wyłączony dość szybko, ale związany z tym jest dość istotny problem. Nawet wygaszony (wsunięte pręty kontrolne) długo jeszcze emituje wystarczającą ilość ciepła, by musiał być aktywnie chłodzony. Jeśli systemy bezpieczeństwa zawiodą, może dojść do stopienia rdzenia i awarii, która kojarzy się większości głównie z wydarzeniami 1986 roku.
Także kwestia odpadów radioaktywnych, będących skutkiem ubocznym pracy elektrowni jądrowych przyczyniają się do dość negatywnego ich wizerunku.
Jest jednak sposób, by pozyskać energię z przemian jądrowych niemal całkowicie bezpiecznie, a jest nim fuzja jądrowa. Jest to proces, będący jakby odwrotnością tego, co zachodzi w reaktorach jądrowych. Zamiast wywoływania rozpadów, zmusza się jądra atomowe do łączenia. Technologia taka już istnieje, lecz nadal jest w fazie doświadczalnej. Badania nad nią prowadzi wiele instytutów naukowych na całym świecie.
ITER (ang. International Thermonuclear Experimental Reactor), to nazwa międzynarodowego programu badawczego, którego celem jest przekucie fuzji jądrowej w wysokowydajne źródło energii. Nazwą tą określa się też reaktor fuzyjny (termonuklearny) budowany we Francji. Ma być on potężnym urządzeniem, zwanym tokamakiem. W uproszczeniu jest to zbiornik, mający formę toroidu, lub jak kto woli – pączka z dziurką.
Obudowany jest on potężnymi elektromagnesami. Do środka wtłacza się gaz, który zostaje uwięziony przez silne pole magnetyczne. Rozgrzewamy go do temperatury kilkudziesięciu milionów stopni Celsjusza i przekształcamy w stan plazmy. W tych warunkach jądra deuteru i trytu (izotopy wodoru) nabierają wystarczającej prędkości, aby pokonać siły elektrostatyczne pomiędzy nimi i zderzyć się.
W wyniku fuzji jądrowej powstaje jadro helu, neutron i potężna ilość energii. Podobne procesy zachodzą we wnętrzach gwiazd, stąd reaktory termojądrowe czasem nazywa się „sztucznymi słońcami”. Proces ten jest bardzo obiecujący i ma wiele zalet. Nie wytwarza odpadów radioaktywnych, a fuzję można „zgasić” w mgnieniu oka – wystarczy zamknąć dopływ paliwa. We wnętrzu tokamaka znajduje się jego niewielka ilość.
Paliwo wytwarza się głównie z wody i litu, jego zasoby mogą starczyć na miliony lat. Jeden jego kilogram może zapewnić tyle energii, ile tysiące ton materiałów kopalnych. Efektywność energetyczna może być bardzo wysoka. No i obecnie najważniejsze – brak emisji CO2. To wszystko rysuje obraz niemal energetycznego ideału, jednak nie jest tak w istocie i fuzja ma pewne wady.
Do pierwszej należy zaliczyć radioaktywność. Choć efektem ubocznym pracy tokamaka jest tylko hel, to już komponenty elektrowni mogą z czasem ulec napromieniowaniu. Drugą wadą jest obecny stan tej technologii. Choć możemy już utrzymać fuzję przez kilkanaście minut, nadal jej bilans energetyczny jest negatywny – więcej energii pochłania praca tokamaka niż uzyskuje się z łączenia jąder atomów. Technologia wymaga jeszcze wielu lat badań i pracy.
WPŁYW PROMIENIOWANIA NA MATERIĘ
Warto wiedzieć, że promieniowanie jonizujące występuje w kilku postaciach – strumieni cząstek alfa (jądra izotopu helu-4), beta (elektrony) i fotonów gamma, a także neutronów. Te ostatnie, są w stanie wpływać na materię nieożywioną w dość ciekawy sposób. Mogą „dodawać” się do atomów w przedmiocie nimi bombardowanym. Tworzą się w ten sposób izotopy, czyli odmiany pierwiastków o większej liczbie neutronów w jądrze. Niektóre z nich są niestabilne, czyli samorzutnie może w nich zajść reakcja rozpadu, połączona z emisją radiacji. Tak jest np. w przypadku radioaktywnego izotopu węgla C14. Strumienie neutronów są charakterystyczne dla pracy reaktora jądrowego, ale także termojądrowego. Dlatego zarówno jeden, jak i drugi może „napromieniować” elementy, z których jest zbudowany.
