תוֹכֶן
- דלקים מאובנים הובילו את המהפכה התעשייתית
- נהרות ונחלים הם מקור חשוב לאנרגיה
- האוקיינוסים הם גם משאבי אנרגיה חשובים
- הטכנולוגיה רותמת את כוח השמש והרוח
- ייצור כוח גרעיני אלטרנטיבי לדלקים מאובנים
- אנרגיה גיאותרמית
- בני אדם צריכים לבחור
דרוש אנרגיה רבה כדי לטפח מין כמו הומו ספיינס. במאות השנים האחרונות מין זה התגלה כנוכחות גלובלית קשורה זו בזו באופן שעד כמה שהמדע לא ידע מעולם על פני כדור הארץ.
סוגי האנרגיה שבני אדם זקוקים להם כוללים חשמל להעברת בתיהם ותעשיותיהם, אנרגיה ביוכימית להזנת גופם ומשאבים דליקים לחמימות, תחבורה וייצור תעשייתי.
בקנה מידה רחב, יכולת הארצות לספק את מה שבני האדם צריכים תלויה בחמישה מקורות עיקריים:
בנוסף, אספקת אנרגיה חשובה לבני אדם נגזרת מגופם המתפרק של אורגניזמים שפרחו ומתו לאורך כל העידנים. אולם בשונה מהמשאבים המפורטים לעיל, היצע זה מוגבל.
דלקים מאובנים הובילו את המהפכה התעשייתית
דלקים מאובנים, הכוללים נפט, גז טבעי ופחם, הם למעשה צורה אחרת של אנרגיה סולארית. לפני אורחים, אורגניזמים חיים המירו את השמשות האור והחום למולקולות מבוססות הפחמן שיצרו את גופן. האורגניזמים מתו, וגופם שקע עמוק באדמה וקרקעית האוקיינוסים. כיום ניתן לשחרר את האנרגיה הנכללת בקשרי הפחמן הללו על ידי אחזור מה שהפך לשרידים שלהם ושריפתם.
נפט וגז טבעי מגיעים מפלנקטון ים מיקרוסקופי שחי לפני מיליוני שנים. הם מתו ושקעו בקרקעית האוקיינוסים, שם הפירוק ותהליכים כימיים אחרים הפכו אותם לשעווה קרוגן ומזג ביטומן. ערוגות האוקיינוס התייבשו בסופו של דבר, והחומרים הללו נקברו תחת סלע ואדמה. הם הפכו לחומרי הגלם לייצור, בנזין, סולר, נפט ועוד שלל מוצרי נפט אחרים.
הדרך המסורתית להשגת נפט גולמי מהאדמה היא על ידי קידוח, אך שבר הידראולי, או שבריר, הפכה לחלופה מודרנית המשמשת לעיתים קרובות. בתהליך זה, תערובת של חול, מים וכימיקלים שעלולים להיות מסוכנים נאלצת לקרקע כדי להעביר את הנפט. זיוף הוא תהליך יקר, ויש לו מספר השפעות מזיקות על הסלע, שולחן המים והאוויר שמסביב.
פחם מגיע מצמחים יבשתיים שהשתקעו בביצים ובביצות והפכו לכבול. הכבול התמצק עם התייבשות האדמה, ובסופו של דבר הוא כוסה על ידי סלעים פסולת אחרת. הלחץ הפך אותו לחומר השחור והסלעי שנשרף במפעלי תעשייה ותחנות כוח רבות. כל זה החל להתרחש לפני כ -300 מיליון שנה, כאשר הדינוזאורים שוטטו בכדור הארץ, אך בניגוד למיתוס הפופולרי, פחם אינו דינוזאורים מפורקים.
נהרות ונחלים הם מקור חשוב לאנרגיה
מזה אלפי שנים בני אדם רותמים את כוח המים לביצוע עבודות, ובפיזיקה העבודה היא שם נרדף לאנרגיה. גלגלי מים שהונחו ליד נחל או מפל השתמשו באנרגיה הנוצרת על ידי העברת מים לטחינת תבואה, השקיית גידולים, מסור עץ וביצוע שלל משימות אחרות. עם כניסתו של חשמל נהפכו גלגלי מים לתחנות כוח.
טורבינת המים היא ליבה של תחנת ייצור חשמל הידרואלקטרית והיא פועלת בגלל תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית, שהתגלה על ידי הפיזיקאי מייקל פאראדיי בשנת 1831. פאראדיי מצא שמגנט מסתובב בתוך סליל או תיל מוליך מייצר זרם חשמלי בתוך סליל, ופחות ממאה שנה לאחר מכן, גנרטור האינדוקציה הראשון עלה לרשת במפלי הניאגרה.
מפעלים הידרואלקטריים מספקים כיום כשישה אחוזים מהחשמל הנצרך ברחבי העולם. שריפת דלקים מאובנים לייצור קיטור וסבב טורבינות, לעומת זאת, מייצרת כמעט 60 אחוז מהעולם החשמל. מרבית הכוח ההידרואלקטרי מופק על ידי סכרים ולא על ידי מפלים.
סכר, כמו נחל או מפל, תלוי בכוח המשיכה. המים נכנסים למעבר בראש הסכר, זורמים דרך צינור המגדיל את האנרגיה שלו ומסתובב טורבינה לפני שהם יוצאים בסמוך לבסיס הסכר. שניים מהסכרים ההידרו-אלקטריים הגדולים בעולם הם סכר שלושת הערוצים בסין, שמייצר 22.5 גיגה-ואט אנרגיה וסכר איטיפו בגבול ברזיל / פרגוואי, שמייצר 14 ג'יגה-וואט. הסכר הגדול ביותר בצפון אמריקה הוא סכר Grand Coulee במדינת וושינגטון, המייצר רק כ -7 מגה וואט.
האוקיינוסים הם גם משאבי אנרגיה חשובים
האוקיאנוסים הם אחד ממקורות האנרגיה החשובים בעולם משתי סיבות. הראשון הוא שיש להם זרמים, אשר בשילוב עם הרוחות, יוצרים גלים. ניתן להפוך גלים לחשמל. מכיוון שהם תוצאה של הפרשי טמפרטורות הנגרמים מחום השמש, הגלים והזרמים היוצרים אותם הם באופן טכני סוג של אנרגיה סולארית.
משאב האנרגיה הנוסף באוקיינוסים הוא הגאות והשפל, אשר נגרמים כתוצאה מהשפעות הכבידה של הירח והשמש, כמו גם כתוצאה מתנועות האדמה עצמה. קיימות טכנולוגיות גם כדי להמיר את האנרגיה בגאות והשפל לחשמל.
תחנות לייצור גלים אינן עדיין הזרם המרכזי, ואב-הטיפוס שהוצב מול חופי סקוטלנד מייצר 0.5 מגוואט בלבד. טכנולוגיות גל זמינות כוללות:
תחנות כוח גאות ושפל יכולות להשתמש בכוח של גאות ושפל נכנסות ויוצאות כדי לסובב ישירות טורבינות. מים צפופים בערך פי 800 מהאוויר, כך שאם מונחים טורבינה על קרקעית האוקיינוס, תנועות הגאות והשפל מייצרות כוח משמעותי לסובב אותן. עם זאת, מערכות מטח גאות נפוצות יותר.
מטח גאות ושפל הוא מחסום המוקם על פני אגן גאות ושפל המאפשר למים מהגאות העולה להיכנס, ואז סוגר ושולט על היציאה בגאות הגאות. הגנרטור הגדול ביותר כזה הוא תחנת הכוח של אגם סיהווה בשפלה בדרום קוריאה. הוא מייצר כ- 254 מגוואט.
הטכנולוגיה רותמת את כוח השמש והרוח
שתי הדרכים הידועות ביותר לייצור חשמל באופן שאינו מסתמך על היעלמות דלקים מאובנים ואינן יוצרים זיהום הן פריסת טורבינות רוח או לוחות פוטו וולטאיים. מכיוון שהשמש אחראית להפרשי הטמפרטורה שיוצרים רוח, שניהם הם באופן קפדני צורות של אנרגיה סולארית.
גנרטורים רוח פועלים בדיוק כמו אלה הידרו-חשמליים או מונעי-גל. כאשר הרוח נושבת, הוא מסתובב פיר המחובר באמצעות הילוכים לטורבינה בסגנון אינדוקציה המייצרת חשמל. הטורבינות המודרניות מכוילות כדי לספק זרם זרם חילופין באותה תדר כמו הספק זרם חילופין קונבנציונאלי, מה שהופך אותו לזמין לשימוש מיידי. חוות רוח ברחבי העולם מספקות כמעט חמישה אחוזים מכלל החשמל העולמי.
לוחות סולאריים מסתמכים על האפקט הפוטו-וולטאי, לפיו קרינת השמשות יוצרת מתח בחומר מוליך למחצה. המתח יוצר זרם DC שיש להמיר אותו לזרם חילופין על ידי העברתו דרך מהפך. פאנלים סולאריים מייצרים חשמל רק כאשר השמש בחוץ, ולכן הם משמשים לרוב לטעינת סוללות, המאחסנות את הכוח לשימוש מאוחר יותר.
פאנלים סולאריים מייצגים אולי אחת השיטות הנגישות ביותר לייצור חשמל, אך הם מספקים רק חלק קטן מהעולמות חשמל - פחות מאחוז אחד.
ייצור כוח גרעיני אלטרנטיבי לדלקים מאובנים
באופן קפדני, תהליך הביקוע הגרעיני אינו תופעה טבעית, אלא הוא נובע מהטבע. ביקוע גרעיני הומצא זמן קצר לאחר שהמדענים הצליחו להבין את האטום ואת התופעה הטבעית של רדיואקטיביות. למרות שבמקור שימש ביקוע לייצור פצצות, תחנת הכוח הגרעינית הראשונה יצאה לרשת רק שלוש שנים לאחר שהפצצה הראשונה התפוצצה באתר טריניטי שבמדבר ניו מקסיקו.
תגובות ביקוע מבוקרות מתרחשות בכל תחנות הכוח הגרעיניות העולמיות. הוא מייצר חום לרתיחת מים, המייצר את הקיטור הדרוש להנעת טורבינות חשמל. ברגע שתגובת הביקוע תתחיל, היא זקוקה למעט דלק כדי להמשיך ללא הגבלת זמן.
מחוללי כוח גרעיני מספקים כמעט 20 אחוז מהצרכים החשמליים העולמיים. במקור, שנחשב למקור זול לכוח בלתי מוגבל כמעט, יש לביקוע גרעיני חסרונות חמורים, שהאחד מהם הוא האפשרות להתמוטטות ושחרור בלתי נשלט של קרינה מזיקה. שתי תאונות ידועות, האחת בתחנת הכוח של רוסיה צ'רנוביל, והשנייה במתקן פוקושימה של ג'אפנס, שמרו את הסכנות הללו והפכו את ייצור הכוח הגרעיני למושך פחות ממה שהיה פעם.
אנרגיה גיאותרמית
עמוק בתוך האדמה קרום, הלחצים והטמפרטורות כה גדולים עד שהם מחלים סלע ללבה מותכת. חומר מחומם-על זה עובר דרך ורידים בקרום שמפנים אותו מדי פעם קרוב לפני השטח. יישובים באזורים שבהם הדבר מתרחש יכולים להשתמש בחום לייצור חשמל וכדי לספק חום לבתיהם. זה נקרא אנרגיה גיאותרמית, ובמקרים מסוימים הוא מוגבר על ידי חומרים רדיואקטיביים באדמה, המייצרים גם חום.
כדי להשתמש באנרגיה גיאותרמית, מפתחים מקדחים מנהרה לאדמה באתר מתאים ומפזרים מים דרך המנהרה. המים המחוממים מגיעים לפני השטח כאדים, שם ניתן להשתמש בהם ישירות לחימום או לסיבוב טורבינה. במקרים מסוימים, החום מועבר מהמים לחומר אחר עם נקודת רתיחה נמוכה יותר, כגון איזובוטן, והאדים שנוצרים מסתובבים את הטורבינות.
בצורתו הפשוטה ביותר, אנרגיה גיאותרמית סיפקה ריפוי ונוחות במכוני ספא טבעיים ובמעיינות חמים כל עוד היו אנשים שתדירו אותם. יפן היא אחת המדינות הפעילות ביותר מבחינה גאולוגית בעולם, ויש לה רשת גדולה של מעיינות חמים טבעיים והיסטוריה ארוכה של השרייה. מומחים מעריכים כי יש לה מספיק משאבים גיאותרמיים כדי לעמוד בעשרה אחוזים מצרכי החשמל שלה, מה שהופך את הפוטנציאל הגאותרמי שלה לשלישי בעולם, רק מאחורי ארצות הברית ואינדונזיה.
בני אדם צריכים לבחור
חלק מהמשאבים שבריריים ונעלמים, והפיכתם לאנרגיה שמישה יוצרת מזהמים המשנים את הסביבה הפלנטרית. משאבים אחרים תלויים רק בדינמיקה סולארית ופלנטרית שמבטיחים להישאר ללא שינוי במשך מיליארד השנים הבאות. ברגע הנוכחי, לאנושות יש ברירה דחופה לבצע. עצם ההישרדות שלה עשויה להיות תלויה ביכולתה להחליף את הסתמכותה מהראשונה לאחרונה בפרק זמן קצר.