Även när Fusion-eran kommer till synen—vi är fortfarande i Steam-åldern

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Ånglok slamrar längs järnvägsspår. Paddla ångbåtar som väller nerför Murray. Dreadnought-slagskepp som drivs av ångmaskiner.

Många av oss tror att ångtiden är över. Men medan ångmaskinen har ersatts av förbränningsmotorer och nu elmotorer, är den moderna världen fortfarande beroende av ånga. Nästan alla värmekraftverk, från kol till kärnkraft, måste ha ånga för att fungera. (Gasanläggningar brukar inte göra det).

Men varför? Det är på grund av något vi upptäckte för årtusenden sedan. Under det första århundradet e.Kr. uppfann de gamla grekerna aeolipilen – en ångturbin. Värme förvandlade vatten till ånga, och ånga har en mycket användbar egenskap: Det är en lätttillverkad gas som kan trycka.

Detta enkla faktum innebär att även som drömmen om fusionskraft kryper närmare, vi kommer fortfarande att vara i ångtiden. Den första kommersiella fusionsanläggningen kommer att förlita sig på spetsteknik kan innehålla plasma som är mycket varmare än solens kärna - men den kommer fortfarande att vara bunden till en ödmjuk ångturbin som omvandlar värme till rörelse till elektricitet.

inuti en fusionstorus — Även högteknologiska fusionsanläggningar kommer att använda ånga för att producera el. Bildkredit: EUROfusion/Wikimedia Commons, CC BY

Varför är vi fortfarande beroende av Steam?

Att koka vatten tar en betydande mängd energi, den överlägset högsta av de vanliga vätskorna vi känner till. Vatten tar cirka 2.5 gånger mer energi att avdunsta än etanol gör och 60 procent mer än ammoniakvätskor.

Varför använder vi ånga istället för andra gaser? Vatten är billigt, ogiftigt och lätt att omvandla från flytande till energisk gas innan det kondenserar tillbaka till vätska för användning om och om igen.

Ånga har varat så länge eftersom vi har ett överflöd av vatten, som täcker 71 procent av jordens yta, och vatten är ett användbart sätt att omvandla termisk energi (värme) till mekanisk energi (rörelse) till elektrisk energi (elektricitet). Vi söker el eftersom den lätt kan överföras och kan användas för att utföra arbete åt oss inom många områden.

När vatten förvandlas till ånga inuti en stängd behållare, expanderar det enormt och ökar trycket. Högtrycksånga kan lagra enorma mängder värme, liksom vilken gas som helst. Om det ges ett utlopp kommer ångan att strömma genom det med höga flödeshastigheter. Sätt en turbin i dess utgångsväg och kraften från den utströmmande ångan kommer att snurra turbinens blad. Elektromagneter omvandlar denna mekaniska rörelse till elektricitet. Ångan kondenserar tillbaka till vatten och processen startar igen.

Ångmaskiner använde kol för att värma vatten för att skapa ånga för att driva motorn. Kärnklyvning delar atomer för att få värme att koka vatten. Kärnfusion kommer att tvinga tunga isotoper av väte (deuterium och tritium) att smälta samman till helium-3-atomer och skapa ännu mer värme - för att koka vatten för att göra ånga för att driva turbiner för att göra elektricitet.

Om du bara tittade på slutprocessen i de flesta värmekraftverk – kol, diesel, kärnklyvning eller till och med kärnfusion – skulle du se den gamla tekniken med ånga tagen så långt den kan tas.

Ångturbinerna som driver de stora elektriska generatorerna som producerar 60 procent av världens elektricitet är skönhetssaker. Hundratals år av metallurgisk teknik, design och komplicerad tillverkning har nästan fulländat ångturbinen.

Kommer vi att fortsätta använda ånga? Ny teknik producerar elektricitet utan att använda ånga alls. Solpaneler lita på att inkommande fotoner träffar elektroner i kisel och skapar en laddning, medan vindkraftverk fungerar som ångturbiner förutom med vind som blåser turbinen, inte ånga. Vissa former av energilagring, som pumpad vattenkraft, använder turbiner men för flytande vatten, inte ånga, medan batterier inte använder någon ånga alls.

Dessa tekniker håller snabbt på att bli viktiga energikällor och lagring. Men ångan försvinner inte. Om vi använder värmekraftverk kommer vi sannolikt fortfarande att använda ånga.

Varför kan vi inte bara omvandla värme till el?

Du kanske undrar varför vi behöver så många steg. Varför kan vi inte omvandla värme direkt till el?

Det är möjligt. Termoelektriska enheter används redan i satelliter och rymdsonder.

Dessa enheter är byggda av speciella legeringar som bly-tellur och förlitar sig på ett temperaturgap mellan varma och kalla förbindelser mellan dessa material. Ju större temperaturskillnaden är, desto högre spänning kan de generera.

Anledningen till att dessa enheter inte finns överallt är att de bara producerar likström (DC) vid låga spänningar och är mellan 16–22 procent effektiva när det gäller att omvandla värme till el. Däremot är toppmoderna termiska kraftverk upp till 46 procent effektiva.

Om vi ville driva ett samhälle på dessa värmekonverteringsmotorer, skulle vi behöva stora uppsättningar av dessa enheter för att producera tillräckligt hög likström och sedan använda växelriktare och transformatorer för att omvandla den till den växelström vi är vana vid. Så även om du kanske undviker ånga, måste du lägga till nya omvandlingar för att göra elen användbar.

Det finns andra sätt att förvandla värme till el. Högtemperaturbränsleceller med fast oxid har varit under utveckling i årtionden. Dessa är varma – mellan 500–1,000 XNUMX grader celsius – och kan bränna väte eller metanol (utan en egentlig låga) för att producera DC-elektricitet.

Dessa bränsleceller är upp till 60 procent effektiva och potentiellt ännu högre. Även om de är lovande är dessa bränsleceller ännu inte redo för bästa sändningstid. De har dyra katalysatorer och kort livslängd på grund av den intensiva värmen. Men framsteg är det skapas.

Tills tekniker som dessa mognar har vi fastnat för ånga som ett sätt att omvandla värme till elektricitet. Det är inte så illa – steam fungerar.

När du ser ett ånglok skramla förbi kanske du tror att det är en pittoresk teknik från det förflutna. Men vår civilisation är fortfarande väldigt starkt beroende av ånga. Om fusionskraft kommer, kommer steam att hjälpa till att driva framtiden också. Ångåldern tog aldrig riktigt slut.

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

Image Credit: Siemens Pressebild via Wikimedia Commons