Isegi kui termotuumasünteesi ajastu tuleb nähtavale

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Mööda raudteerööpaid põrisesid auruvedurid. Auruaurikud murravad mööda Murrayt. Dreadnoughti lahingulaevad, mis töötavad aurumootoritel.

Paljud meist arvavad, et auruajastu on läbi. Kuid kuigi aurumasinat on asendanud sisepõlemismootorid ja nüüd elektrimootorid, toetub kaasaegne maailm endiselt aurule. Peaaegu kõik soojuselektrijaamad, alates kivisöest kuni tuumani, peavad töötamiseks olema auruga. (Gaasijaamad tavaliselt mitte).

Aga miks? Selle põhjuseks on midagi, mille avastasime aastatuhandeid tagasi. Esimesel sajandil e.m.a leiutasid iidsed kreeklased aeolipiili – auruturbiini. Kuumus muutis vee auruks ja aurul on väga kasulik omadus: see on kergesti valmistatav gaas, mis võib suruda.

See lihtne fakt tähendab, et isegi unistus termotuumasünteesi jõust hiilib lähemale, jääme ikka auruajastule. Esimene kaubanduslik termotuumasünteesi tehas tugineb tipptasemel tehnoloogia suudab sisaldada plasmat, mis on palju kuumem kui päikese tuum, kuid see on siiski ühendatud tagasihoidliku auruturbiiniga, mis muudab soojuse liikumiseks elektriks.

termotuumasünteesi sees — Isegi kõrgtehnoloogilised termotuumajaamad kasutavad elektri tootmiseks auru. Pildi krediit: EUROfusion/Wikimedia Commons, CC BY

Miks me sõltume endiselt Steamist?

Vee keetmine võtab märkimisväärselt palju energiat, mis on meile tuttavatest tavalistest vedelikest ülekaalukalt kõrgeim. Vee aurustumiseks kulub umbes 2.5 korda rohkem energiat kui etanoolil ja 60 protsenti rohkem kui ammoniaagi vedelikul.

Miks me kasutame pigem auru kui muid gaase? Vesi on odav, mittetoksiline ja kergesti muundatav vedelast energeetiliseks gaasiks, enne kui see kondenseerub uuesti ja uuesti kasutamiseks vedelikuks.

Aur on nii kaua kestnud, sest meil on palju vett, mis katab 71 protsenti Maa pinnast, ja vesi on kasulik viis soojusenergia (soojuse) muundamiseks mehaaniliseks energiaks (liikumine) elektrienergiaks (elektrienergiaks). Otsime elektrit, sest see on kergesti edastatav ja seda saab kasutada meie heaks paljudes valdkondades töö tegemiseks.

Kui vesi keeratakse suletud anumas auruks, paisub see tohutult ja suurendab rõhku. Kõrgsurveaur võib salvestada tohutul hulgal soojust, nagu ka iga gaas. Väljalaskeava korral paiskub aur sellest läbi suure voolukiirusega. Asetage turbiin selle väljapääsuteele ja väljuva auru jõud paneb turbiini labad pöörlema. Elektromagnetid muudavad selle mehaanilise liikumise elektriks. Aur kondenseerub tagasi veeks ja protsess algab uuesti.

Aurumootorid kasutasid kivisütt vee soojendamiseks, et tekitada mootori käitamiseks auru. Tuuma lõhustumine lõhestab aatomeid, et tekitada soojust vee keetmiseks. Tuumasüntees sunnib vesiniku rasked isotoobid (deuteerium ja triitium) sulanduma heelium-3 aatomiteks ja tekitama veelgi rohkem soojust – keetma vett, et tekitada auru, et juhtida turbiine elektri tootmiseks.

Kui te vaataksite ainult enamiku soojuselektrijaamade lõppprotsessi – kivisüsi, diislikütust, tuuma lõhustumist või isegi tuumasünteesi –, näete, et vana aurutehnoloogia on viidud nii kaugele kui võimalik.

Auruturbiinid, mis käitavad suuri elektrigeneraatoreid, mis toodavad 60 protsenti maailma elektrist, on iluasjad. Sajad aastad metallurgiatehnoloogiat, disaini ja keerukat tootmist on auruturbiini täiustanud.

Kas jätkame auru kasutamist? Uued tehnoloogiad toodavad elektrit auru kasutamata. Päikesepaneelid tugineda sellele, et sissetulevad footonid tabavad elektrone ränis ja tekitavad laengu tuuleturbiinid töötavad nagu auruturbiinid, välja arvatud juhul, kui tuul puhub turbiini, mitte auru. Mõned energia salvestamise vormid, näiteks pumbaga hüdroenergia, kasutavad turbiine, kuid vedela vee, mitte auru jaoks, samas kui akud ei kasuta auru üldse.

Need tehnoloogiad muutuvad kiiresti olulisteks energia- ja ladustamisallikateks. Kuid aur ei kao kuhugi. Kui kasutame soojuselektrijaamu, kasutame tõenäoliselt ikkagi auru.

Miks me ei saa soojust elektriks muundada?

Võite küsida, miks me vajame nii palju samme. Miks me ei saa soojust otse elektriks muundada?

See on võimalik. Termoelektriseadmed on juba kasutusel satelliitidel ja kosmosesondidel.

Need seadmed, mis on valmistatud spetsiaalsetest sulamitest, nagu plii-telluurium, sõltuvad nende materjalide kuumade ja külmade ühenduste vahelisest temperatuurivahest. Mida suurem on temperatuuride erinevus, seda suuremat pinget nad võivad tekitada.

Põhjus, miks neid seadmeid kõikjal ei leidu, on see, et need toodavad alalisvoolu (DC) ainult madalal pingel ja on 16–22 protsenti tõhusad soojuse muundamiseks elektriks. Seevastu tipptasemel soojuselektrijaamade efektiivsus on kuni 46 protsenti.

Kui me tahame juhtida ühiskonda nende soojusmuundurite mootoritega, vajaksime nende seadmete suuri massiive, et toota piisavalt suurt alalisvoolu ning seejärel kasutada invertereid ja trafosid, et muuta see vahelduvvooluks, millega oleme harjunud. Ehkki võite vältida aurutamist, peate lõpuks lisama uusi konversioone, et elektrit kasulikuks muuta.

On ka teisi viise, kuidas soojust elektriks muuta. Kõrge temperatuuriga tahkeoksiidkütuseelemendid on väljatöötamisel aastakümneid. Need töötavad kuumalt - vahemikus 500–1,000 kraadi Celsiuse järgi - ja võivad alalisvoolu elektri tootmiseks põletada vesinikku või metanooli (ilma tegeliku leegita).

Need kütuseelemendid on kuni 60 protsenti tõhusad ja potentsiaalselt isegi kõrgemad. Kuigi need kütuseelemendid on paljulubavad, ei ole need veel parimaks ajaks valmis. Neil on kallid katalüsaatorid ja intensiivse kuumuse tõttu lühike eluiga. Aga edasiminek on tehakse.

Kuni selliste tehnoloogiate küpsemiseni oleme ummikus auruga, mis võimaldab soojust elektriks muundada. See pole nii hull – aur töötab.

Kui näete auruvedurit mööda kõlisemas, võite arvata, et see on omapärane minevikutehnoloogia. Kuid meie tsivilisatsioon toetub endiselt väga suurel määral aurule. Kui termotuumasünteesi võimsus saabub, aitab aur ka tulevikku toita. Auruaeg ei lõppenud kunagi päriselt.

See artikkel avaldatakse uuesti Vestlus Creative Commonsi litsentsi all. Loe algse artikli.

Image Credit: Siemens Pressebild Wikimedia Commonsi kaudu