แม้ว่ายุคฟิวชั่นจะเกิดขึ้น—เรายังอยู่ในยุค Steam

แม้ว่ายุคฟิวชั่นจะเกิดขึ้น—เรายังอยู่ในยุค Steam

ประทับเวลา: 19 มีนาคม 2024 2:58 น

รถจักรไอน้ำส่งเสียงกระทบกันตามรางรถไฟ เรือกลไฟแล่นไปตามแม่น้ำเมอร์เรย์ เรือประจัญบานจต์นอตที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ไอน้ำ

พวกเราหลายคนคิดว่ายุคแห่งไอน้ำได้สิ้นสุดลงแล้ว แต่ในขณะที่เครื่องจักรไอน้ำถูกแทนที่ด้วยเครื่องยนต์สันดาปภายในและปัจจุบันมีมอเตอร์ไฟฟ้า แต่โลกสมัยใหม่ยังคงพึ่งพาไอน้ำ โรงไฟฟ้าพลังความร้อนเกือบทั้งหมด ตั้งแต่ถ่านหินจนถึงนิวเคลียร์ ต้องมีไอน้ำจึงจะสามารถทำงานได้ (โรงงานแก๊สปกติไม่ทำ)

แต่ทำไม? เป็นเพราะสิ่งที่เราค้นพบเมื่อหลายพันปีก่อน ในศตวรรษแรกสากลศักราช ชาวกรีกโบราณได้ประดิษฐ์เอโอลิไพล์ ซึ่งเป็นกังหันไอน้ำ ความร้อนเปลี่ยนน้ำให้เป็นไอน้ำ และไอน้ำก็มีคุณสมบัติที่มีประโยชน์มาก เป็นก๊าซที่ง่ายต่อการผลิตและดันได้

ข้อเท็จจริงง่ายๆ นี้หมายความว่าแม้ในขณะที่ความฝันของพลังฟิวชั่น คืบคลานเข้ามาใกล้เราก็จะยังอยู่ในยุคไอน้ำ โรงงานฟิวชันเชิงพาณิชย์แห่งแรกจะต้องพึ่งพา เทคโนโลยีล้ำสมัย สามารถบรรจุพลาสมาได้ร้อนกว่าแกนกลางของดวงอาทิตย์มาก—แต่มันจะยังคงถูกเชื่อมเข้ากับกังหันไอน้ำธรรมดาที่แปลงความร้อนเป็นการเคลื่อนที่เป็นไฟฟ้า

ภายในพรูฟิวชั่น
แม้แต่โรงงานฟิวชันเทคโนโลยีขั้นสูงก็ยังใช้ไอน้ำเพื่อผลิตไฟฟ้า เครดิตรูปภาพ: ยูโรฟิวชั่น / วิกิมีเดียคอมมอนส์, CC BY

เหตุใดเราจึงยังคงพึ่งพา Steam?

น้ำเดือดใช้พลังงานจำนวนมาก ซึ่งสูงที่สุดเมื่อเทียบกับของเหลวทั่วไปที่เราคุ้นเคย น้ำใช้พลังงานในการระเหยมากกว่าเอธานอลประมาณ 2.5 เท่า และมากกว่าของเหลวแอมโมเนียถึง 60 เปอร์เซ็นต์

เหตุใดเราจึงใช้ไอน้ำมากกว่าก๊าซอื่นๆ น้ำมีราคาถูก ปลอดสารพิษ และเปลี่ยนจากของเหลวเป็นก๊าซพลังงานได้ง่ายก่อนจะควบแน่นกลับเป็นของเหลวเพื่อใช้ซ้ำแล้วซ้ำเล่า

ไอน้ำดำรงอยู่ได้นานขนาดนี้เพราะเรามีน้ำปริมาณมาก ครอบคลุมถึง 71 เปอร์เซ็นต์ของพื้นผิวโลก และน้ำเป็นวิธีที่มีประโยชน์ในการแปลงพลังงานความร้อน (ความร้อน) เป็นพลังงานกล (การเคลื่อนไหว) เป็นพลังงานไฟฟ้า (ไฟฟ้า) เราแสวงหาไฟฟ้าเพราะสามารถส่งผ่านได้ง่ายและสามารถนำมาใช้งานให้เราได้ในหลายพื้นที่

เมื่อน้ำกลายเป็นไอน้ำในภาชนะปิด น้ำจะขยายตัวอย่างมากและเพิ่มแรงดัน ไอน้ำแรงดันสูงสามารถกักเก็บความร้อนได้จำนวนมหาศาล เช่นเดียวกับก๊าซอื่นๆ หากมีช่องทางออก ไอน้ำจะพุ่งทะลุผ่านด้วยอัตราการไหลที่สูง วางกังหันไว้ในทางทางออก แล้วพลังของไอน้ำที่ปล่อยออกมาจะหมุนใบพัดของกังหัน แม่เหล็กไฟฟ้าแปลงการเคลื่อนไหวทางกลนี้เป็นไฟฟ้า ไอน้ำจะควบแน่นกลับเป็นน้ำและกระบวนการเริ่มต้นอีกครั้ง

เครื่องยนต์ไอน้ำใช้ถ่านหินในการทำน้ำร้อนเพื่อสร้างไอน้ำเพื่อขับเคลื่อนเครื่องยนต์ การแยกตัวของนิวเคลียร์จะแยกอะตอมเพื่อสร้างความร้อนเพื่อต้มน้ำ นิวเคลียร์ฟิวชันจะบังคับให้ไอโซโทปหนักของไฮโดรเจน (ดิวทีเรียมและทริเทียม) หลอมรวมเป็นอะตอมฮีเลียม-3 และสร้างความร้อนมากยิ่งขึ้น เพื่อต้มน้ำเพื่อผลิตไอน้ำเพื่อขับเคลื่อนกังหันเพื่อผลิตไฟฟ้า

หากคุณดูเฉพาะกระบวนการสุดท้ายในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนส่วนใหญ่ เช่น ถ่านหิน ดีเซล นิวเคลียร์ฟิชชัน หรือแม้แต่นิวเคลียร์ฟิวชัน คุณจะเห็นเทคโนโลยีไอน้ำแบบเก่าที่นำไปใช้ได้ไกลที่สุด

กังหันไอน้ำที่ขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับขนาดใหญ่ซึ่งผลิตไฟฟ้าได้ถึงร้อยละ 60 ของโลกถือเป็นสิ่งสวยงาม เทคโนโลยีโลหะวิทยา การออกแบบ และการผลิตอันซับซ้อนที่สั่งสมมาเป็นเวลาหลายร้อยปี ล้วนแต่ทำให้กังหันไอน้ำสมบูรณ์แบบ

เราจะใช้ไอน้ำต่อไปหรือไม่? เทคโนโลยีใหม่ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยไม่ต้องใช้ไอน้ำเลย แผงเซลล์แสงอาทิตย์ อาศัยโฟตอนที่เข้ามาชนอิเล็กตรอนในซิลิคอนและสร้างประจุในขณะที่ กังหันลม ทำงานเหมือนกังหันไอน้ำ เว้นแต่ลมจะพัดกังหัน ไม่ใช่ไอน้ำ การจัดเก็บพลังงานบางรูปแบบ เช่น พลังน้ำแบบสูบ จะใช้กังหัน แต่สำหรับน้ำของเหลว ไม่ใช่ไอน้ำ ในขณะที่แบตเตอรี่ไม่ใช้ไอน้ำเลย

เทคโนโลยีเหล่านี้กำลังกลายเป็นแหล่งพลังงานและการกักเก็บที่สำคัญอย่างรวดเร็ว แต่ไอน้ำก็ไม่หายไป หากเราใช้โรงไฟฟ้าพลังความร้อน เราก็จะยังคงใช้ไอน้ำอยู่

ทำไมเราไม่สามารถแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าได้?

คุณอาจสงสัยว่าทำไมเราต้องมีขั้นตอนมากมายขนาดนี้ ทำไมเราไม่สามารถแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าโดยตรงได้?

มันเป็นไปได้. อุปกรณ์เทอร์โมไฟฟ้ามีการใช้งานแล้วในดาวเทียมและยานสำรวจอวกาศ

สร้างขึ้นจากโลหะผสมพิเศษ เช่น ตะกั่ว-เทลลูเรียม อุปกรณ์เหล่านี้อาศัยช่องว่างอุณหภูมิระหว่างจุดเชื่อมต่อร้อนและเย็นระหว่างวัสดุเหล่านี้ ยิ่งอุณหภูมิต่างกันมากเท่าใด แรงดันไฟฟ้าก็จะยิ่งสร้างได้มากขึ้นเท่านั้น

เหตุผลที่อุปกรณ์เหล่านี้ไม่ได้มีอยู่ทุกที่ก็เพราะว่าอุปกรณ์เหล่านี้ผลิตเฉพาะกระแสตรง (DC) ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำเท่านั้น และมีประสิทธิภาพในการแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าระหว่าง 16-22 เปอร์เซ็นต์ ในทางตรงกันข้าม โรงไฟฟ้าพลังความร้อนอันทันสมัยมีประสิทธิภาพสูงสุดถึง 46 เปอร์เซ็นต์

หากเราต้องการสร้างสังคมด้วยเครื่องยนต์แปลงความร้อน เราจำเป็นต้องมีอุปกรณ์เหล่านี้จำนวนมากเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้ากระแสตรงที่สูงเพียงพอ จากนั้นจึงใช้อินเวอร์เตอร์และหม้อแปลงไฟฟ้าเพื่อแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับที่เราคุ้นเคย ดังนั้นแม้ว่าคุณอาจหลีกเลี่ยงไอน้ำ แต่สุดท้ายกลับต้องเพิ่มการแปลงใหม่เพื่อให้ไฟฟ้ามีประโยชน์

มีวิธีอื่นในการเปลี่ยนความร้อนเป็นไฟฟ้า เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์อุณหภูมิสูงอยู่ระหว่างการพัฒนา สำหรับทศวรรษที่ผ่านมา. สิ่งเหล่านี้ร้อน—ระหว่าง 500–1,000 องศาเซลเซียส—และสามารถเผาไฮโดรเจนหรือเมทานอล (โดยไม่มีเปลวไฟจริง) เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้ากระแสตรง

เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้มีประสิทธิภาพสูงสุดถึง 60 เปอร์เซ็นต์และอาจสูงกว่านั้นด้วยซ้ำ แม้ว่าจะมีแนวโน้มดี แต่เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ยังไม่พร้อมสำหรับช่วงไพรม์ไทม์ พวกเขามีตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีราคาแพงและมีอายุการใช้งานสั้นเนื่องจากความร้อนจัด แต่ความก้าวหน้าก็คือ กำลังสร้าง.

จนกว่าเทคโนโลยีเหล่านี้จะเติบโตเต็มที่ เราก็ติดอยู่กับไอน้ำในการแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้า นั่นก็ไม่ได้แย่ขนาดนั้น—งานไอน้ำ

เมื่อคุณเห็นรถจักรไอน้ำส่งเสียงดังในอดีต คุณอาจคิดว่ามันเป็นเทคโนโลยีที่แปลกตาในอดีต แต่อารยธรรมของเรายังคงพึ่งพาไอน้ำเป็นอย่างมาก ถ้า พลังฟิวชั่น มาถึงแล้วไอน้ำจะช่วยขับเคลื่อนอนาคตด้วย ยุคไอน้ำไม่เคยสิ้นสุดจริงๆ

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

เครดิตภาพ: Siemens Pressebild ผ่านวิกิมีเดียคอมมอนส์

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก Hub เอกพจน์