Még akkor is, ha a fúziós korszak megjelenik – még mindig a gőzkorszakban vagyunk

Gőzmozdonyok csörömpölnek a vasúti sínek mentén. Lapátos gőzhajók kavargatják a Murrayt. Gőzgépekkel hajtott Dreadnought csatahajók.

Sokan azt gondoljuk, hogy a gőz korszaka véget ért. De míg a gőzgépet felváltották a belső égésű motorok és most az elektromos motorok, a modern világ még mindig a gőzre támaszkodik. A széntől az atomerőműig szinte minden hőerőműnek gőzzel kell működnie. (A gázüzemek általában nem).

De miért? Valami miatt, amit évezredekkel ezelőtt fedeztünk fel. Az i.sz. első században az ókori görögök feltalálták az eolipilet – egy gőzturbinát. A hő a vizet gőzzé változtatta, és a gőznek van egy nagyon hasznos tulajdonsága: egy könnyen előállítható gáz, amely lökdösni képes.

Ez az egyszerű tény azt jelenti, hogy még a fúziós energia álmaként is közelebb kúszik, még a gőzkorban leszünk. Az első kereskedelmi fúziós üzem támaszkodni fog legújabb technológia képes befogadni a napmagnál jóval melegebb plazmát – de még mindig egy szerény gőzturbinához kötődik, amely a hőt mozgássá alakítja elektromossággá.

Miért támaszkodunk még mindig a Steamre?

A forrásban lévő víz jelentős mennyiségű energiát igényel, a legtöbbet az általunk ismert közönséges folyadékok közül. A víz elpárologtatása körülbelül 2.5-szer több energiát igényel, mint az etanol, és 60 százalékkal több, mint az ammónia.

Miért használunk gőzt más gázok helyett? A víz olcsó, nem mérgező, és könnyen átalakul folyékonyból energikus gázzá, mielőtt újra és újra folyékonyná kondenzálódik.

A gőz azért tartott ilyen sokáig, mert rengeteg víz van, amely a Föld felszínének 71 százalékát borítja, és a víz hasznos módja a hőenergia (hő) mechanikai energiává (mozgás) elektromos energiává (villamos energiává) történő átalakításának. Az áramot azért keressük, mert könnyen továbbítható, és sok területen elvégezhető számunkra.

Amikor a vizet egy zárt edényben gőzzé alakítják, az hatalmasan kitágul és növeli a nyomást. A nagynyomású gőz hatalmas mennyiségű hőt képes tárolni, akárcsak bármely gáz. Ha van egy kivezetés, a gőz nagy áramlási sebességgel áramlik át rajta. Helyezzen egy turbinát a kilépési útvonalába, és a kiáramló gőz ereje megforgatja a turbina lapátjait. Az elektromágnesek ezt a mechanikai mozgást elektromos árammá alakítják. A gőz visszacsapódik vízzé, és a folyamat újraindul.

A gőzgépek szenet használtak a víz melegítésére, hogy gőzt állítsanak elő a motor meghajtásához. Az atommaghasadás során az atomok felhasadnak, és hőt készítenek a víz forralásához. A magfúzió arra kényszeríti a hidrogén nehéz izotópjait (deutérium és trícium), hogy hélium-3 atomokká olvadjanak össze, és még több hőt termeljenek – hogy vizet forraljanak fel, hogy gőzt hajtsanak végre, hogy turbinákat hajtsanak elektromos áram előállításához.

Ha a legtöbb hőerőműben csak a végfolyamatot néznéd – szén, dízel, maghasadás vagy akár magfúzió –, akkor láthatnád, hogy a gőz régi technológiája a lehető legmesszebb van.

A nagy elektromos generátorokat hajtó gőzturbinák, amelyek a világ elektromos áramának 60 százalékát állítják elő, gyönyörűek. A több száz éves kohászati ​​technológia, a tervezés és a bonyolult gyártás csaknem tökéletesítette a gőzturbinát.

Továbbra is használjuk a steam-et? Az új technológiák gőz felhasználása nélkül termelnek áramot. Napelemek támaszkodnak arra, hogy a bejövő fotonok eltalálják a szilíciumban lévő elektronokat és töltést hoznak létre szélturbinák úgy működnek, mint a gőzturbinák, kivéve, ha a szél fújja a turbinát, nem a gőz. Az energiatárolás egyes formái, például a szivattyús víz, turbinákat használnak, de folyékony vizet használnak, nem gőzt, míg az akkumulátorok egyáltalán nem használnak gőzt.

Ezek a technológiák gyorsan válnak fontos energia- és tárolási forrásokká. De a gőz nem megy el. Ha hőerőműveket használunk, valószínűleg továbbra is gőzt használunk.

Miért nem tudjuk csak a hőt villamos energiává alakítani?

Elgondolkodhat, miért van szükségünk ennyi lépésre. Miért nem tudjuk a hőt közvetlenül elektromos árammá alakítani?

Lehetséges. A hőelektromos eszközöket már használják műholdakban és űrszondákban.

Speciális ötvözetekből, például ólom-tellúriumból készült eszközök az anyagok közötti meleg és hideg csomópontok közötti hőmérsékleti különbségre támaszkodnak. Minél nagyobb a hőmérséklet-különbség, annál nagyobb feszültséget tudnak generálni.

Az ok, amiért ezek az eszközök nincsenek mindenhol, az az, hogy csak alacsony feszültségen termelnek egyenáramot (DC), és 16-22 százalék közötti hatékonyságuk van a hő elektromos árammá alakításában. Ezzel szemben a legkorszerűbb hőerőművek akár 46 százalékos hatásfokúak.

Ha egy társadalmat akarunk működtetni ezekkel a hőátalakító motorokkal, akkor ezeknek az eszközöknek nagy tömbjeire lenne szükségünk ahhoz, hogy elég nagy egyenáramot állítsanak elő, majd inverterekkel és transzformátorokkal alakítsuk át azt a váltakozó árammá, amit megszoktunk. Így bár elkerülheti a gőzt, végül új konverziókat kell hozzáadnia ahhoz, hogy hasznos legyen az áram.

Vannak más módok is a hő elektromos árammá alakítására. A magas hőmérsékletű szilárd-oxid üzemanyagcellák fejlesztése folyamatban van évtizedek óta. Ezek melegen működnek – 500–1,000 Celsius fok között –, és hidrogént vagy metanolt égethetnek el (valódi láng nélkül), hogy egyenáramú elektromosságot állítsanak elő.

Ezek az üzemanyagcellák akár 60 százalékos hatásfokúak, és potenciálisan még magasabbak is. Bár ígéretes, ezek az üzemanyagcellák még nem állnak készen a főműsoridőre. Drága katalizátorral és rövid élettartammal rendelkeznek az erős hő miatt. De a haladás igen készül.

Amíg az ehhez hasonló technológiák kifejlődnek, addig ragadunk a gőzzel, mint a hő elektromos árammá alakításának módszerével. Ez nem olyan rossz – a gőz működik.

Amikor egy gőzmozdonyt lát a múltban, azt gondolhatja, hogy ez a múlt furcsa technológiája. De civilizációnk továbbra is erősen a gőzre támaszkodik. Ha fúziós erő megérkezik, a gőz a jövőt is megerősíti. A gőzkorszak igazából sosem ért véget.

Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.

Kép: Siemens Presse a Wikimedia Commonson keresztül

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://singularityhub.com/2024/03/19/even-as-the-fusion-era-comes-into-view-were-still-in-the-steam-age/