بر کسی پوشیده نیست که منابع مورد استفاده بشر امروزی محدود است، علاوه بر این، استخراج و استفاده بیشتر از آنها می تواند نه تنها به انرژی، بلکه به فاجعه زیست محیطی منجر شود. منابعی که به طور سنتی توسط بشر استفاده می شود - زغال سنگ، گاز و نفت - در چند دهه آینده تمام می شود و باید اقداماتی در حال حاضر در زمان ما انجام شود. البته، می‌توان امیدوار بود که دوباره مانند نیمه اول قرن گذشته، ذخایر غنی پیدا کنیم، اما دانشمندان مطمئن هستند که دیگر چنین ذخایر بزرگی وجود ندارند. اما در هر صورت حتی کشف ذخایر جدید نیز امر اجتناب ناپذیر را به تأخیر می اندازد، باید راه هایی برای تولید انرژی های جایگزین و روی آوردن به منابع تجدیدپذیر مانند باد، خورشید، انرژی زمین گرمایی، انرژی جریان آب و غیره یافت و در کنار آن. این، ادامه توسعه فن آوری های صرفه جویی در انرژی ضروری است.
در این مقاله، از نظر دانشمندان مدرن، امیدوارکننده‌ترین ایده‌هایی را بررسی خواهیم کرد که انرژی آینده بر اساس آنها ساخته می‌شود.
ایستگاه های خورشیدی
مردم مدتهاست فکر می کردند که آیا می توان از انرژی استفاده کرد؟خورشید روی زمین آب را زیر آفتاب گرم می کردند، لباس ها و ظروف سفالی را قبل از فرستادن به تنور خشک می کردند، اما نمی توان این روش ها را موثر نامید. اولین ابزار فنی برای تبدیل انرژی خورشیدی در قرن 18 ظاهر شد. J. Buffon دانشمند فرانسوی آزمایشی را نشان داد که در آن موفق شد درخت خشکی را با کمک یک آینه مقعر بزرگ در هوای صاف از فاصله حدود 70 متری شعله ور کند. هموطن او دانشمند معروف A. Lavoisier با استفاده از عدسی ها انرژی خورشید را متمرکز می کند و در انگلستان شیشه های دو محدب ایجاد می کنند که با تمرکز پرتوهای خورشید، چدن را تنها در چند دقیقه ذوب می کند.
دانشمندان علوم طبیعی آزمایش های زیادی انجام دادند که ثابت کردند استفاده از انرژی خورشیدی در زمین امکان پذیر است. با این حال، یک باتری خورشیدی که انرژی خورشیدی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کرد، نسبتاً اخیراً در سال 1953 ظاهر شد. این توسط دانشمندان آژانس ملی هوافضای ایالات متحده ایجاد شده است. قبلاً در سال 1959، برای اولین بار از یک باتری خورشیدی برای تجهیز یک ماهواره فضایی استفاده شد.
شاید حتی در آن زمان، دانشمندان با درک اینکه چنین باتری‌هایی در فضا کارآمدتر هستند، ایده ایجاد ایستگاه‌های خورشیدی فضایی را مطرح کردند، زیرا خورشید در یک ساعت به اندازه کل بشریت انرژی تولید می‌کند. در یک سال مصرف نمی شود، پس چرا از این استفاده نکنید؟ انرژی خورشیدی آینده چه خواهد بود؟
از یک سو، به نظر می رسد که استفاده از انرژی خورشیدی یک گزینه ایده آل است. با این حال، هزینه یک ایستگاه خورشیدی فضایی عظیم بسیار بالا است و علاوه بر این، بهره برداری از آن گران تمام خواهد شد. بنابراینزمانی که فناوری‌های جدید برای ارسال کالا به فضا و همچنین مواد جدید معرفی شوند، اجرای چنین پروژه‌ای امکان‌پذیر می‌شود، اما در حال حاضر تنها می‌توانیم از باتری‌های نسبتاً کوچک در سطح سیاره استفاده کنیم. خیلی ها خواهند گفت که این هم خوب است. بله، در شرایط یک خانه شخصی امکان پذیر است، اما برای تامین انرژی شهرهای بزرگ، بر این اساس، یا به تعداد زیادی پنل خورشیدی نیاز است، یا فناوری که آنها را کارآمدتر کند.
جنبه اقتصادی موضوع نیز در اینجا وجود دارد: هر بودجه ای اگر وظیفه تبدیل کل یک شهر (یا کل کشور) به پنل های خورشیدی را به آن سپرده شود، به شدت آسیب خواهد دید. به نظر می‌رسد می‌توان ساکنان شهرها را مجبور به پرداخت مبالغی برای تجهیز مجدد کرد، اما در این صورت ناراضی خواهند بود، زیرا اگر مردم آماده انجام چنین هزینه‌هایی بودند، از مدت‌ها قبل خودشان این کار را انجام می‌دادند: همه این فرصت را دارند که باتری خورشیدی بخرند.
در مورد انرژی خورشیدی پارادوکس دیگری وجود دارد: هزینه های تولید. تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به برق کارآمدترین کار نیست. تا کنون هیچ راهی بهتر از استفاده از پرتوهای خورشید برای گرم کردن آب پیدا نشده است که با تبدیل شدن به بخار، دینام را به چرخش در می آورد. در این حالت اتلاف انرژی به حداقل می رسد. بشریت می خواهد از پنل های خورشیدی و ایستگاه های خورشیدی "سبز" برای حفظ منابع روی زمین استفاده کند، اما چنین پروژه ای به مقدار زیادی از همان منابع و انرژی "غیر سبز" نیاز دارد.به عنوان مثال، در فرانسه، اخیراً یک نیروگاه خورشیدی ساخته شده است که مساحتی حدود دو کیلومتر مربع را پوشش می دهد. هزینه ساخت حدود 110 میلیون یورو بدون احتساب هزینه های عملیاتی بود. با تمام این اوصاف، باید در نظر داشت که عمر مفید چنین مکانیزم هایی حدود 25 سال است.
باد
انرژی باد نیز از دوران باستان توسط مردم استفاده می شده است که ساده ترین نمونه آن دریانوردی و آسیاب های بادی است. آسیاب‌های بادی هنوز هم امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند، به‌ویژه در مناطقی که بادهای دائمی دارند، مانند ساحل. دانشمندان دائماً در حال ارائه ایده هایی در مورد نحوه مدرن سازی دستگاه های موجود برای تبدیل انرژی باد هستند که یکی از آنها توربین های بادی به شکل توربین های سر به فلک کشیده است. به دلیل چرخش مداوم، آنها می توانند در هوا در فاصله چند صد متری از زمین، جایی که باد قوی و ثابت است، "آویزان" شوند. این به برقی‌سازی مناطق روستایی که استفاده از آسیاب‌های بادی استاندارد امکان‌پذیر نیست کمک می‌کند. علاوه بر این، چنین توربین های سر به فلک کشیده ای می توانند به ماژول های اینترنتی مجهز شوند که دسترسی مردم را به شبکه جهانی وب فراهم می کند.
جزر و مد و امواج
رونق انرژی خورشیدی و باد به تدریج در حال محو شدن است و دیگر انرژی های طبیعی توجه محققان را به خود جلب کرده است. امیدوارکننده تر، استفاده از جزر و مد است. در حال حاضر حدود صد شرکت در سراسر جهان با این موضوع دست و پنجه نرم می کنند و چندین پروژه وجود دارد که کارایی این روش استخراج را به اثبات رسانده است.برق مزیت نسبت به انرژی خورشیدی این است که تلفات در طول انتقال یک انرژی به انرژی دیگر بسیار کم است: موج جزر و مدی توربین عظیمی را می چرخاند که برق تولید می کند.
Project Oyster ایده نصب یک دریچه لولایی در انتهای اقیانوس است که آب را به ساحل می آورد و در نتیجه یک توربین هیدروالکتریک ساده را می چرخاند. فقط یک چنین نصب می تواند برق یک منطقه کوچک کوچک را تامین کند.
در حال حاضر، امواج جزر و مدی با موفقیت در استرالیا استفاده می شود: در شهر پرث، کارخانه های نمک زدایی که با این نوع انرژی کار می کنند نصب شده است. کار آنها اجازه می دهد تا حدود نیم میلیون نفر را با آب شیرین تامین کنند. انرژی طبیعی و صنعت را می توان در این صنعت تولید انرژی با هم ترکیب کرد.
استفاده از انرژی جزر و مدی تا حدودی با فناوری هایی که ما در نیروگاه های برق آبی رودخانه استفاده می کنیم متفاوت است. اغلب، نیروگاه های برق آبی به محیط زیست آسیب می رسانند: مناطق مجاور زیر آب می روند، اکوسیستم ویران می شود، اما ایستگاه هایی که بر روی امواج جزر و مدی کار می کنند از این نظر بسیار ایمن تر هستند.
انرژی انسانی
یکی از خارق العاده ترین پروژه های لیست ما را می توان استفاده از انرژی افراد زنده نامید. به نظر می رسد خیره کننده و حتی تا حدودی وحشتناک است، اما همه چیز آنقدر ترسناک نیست. دانشمندان ایده چگونگی استفاده از انرژی مکانیکی حرکت را گرامی می دارند. این پروژه ها در مورد میکروالکترونیک و فناوری نانو با مصرف انرژی کم هستند. در حالی که به نظر می رسد یک مدینه فاضله است، هیچ تحول واقعی وجود ندارد، اما ایده بسیار استجالب است و از ذهن دانشمندان خارج نمی شود. موافقم، دستگاه هایی بسیار راحت خواهند بود که مانند ساعت هایی با سیم پیچی خودکار، از این واقعیت که سنسور با انگشت کشیده می شود، یا از این واقعیت که یک تبلت یا تلفن به سادگی در یک کیسه در هنگام راه رفتن آویزان می شود، شارژ می شوند. ناگفته نماند لباس‌هایی که پر از ریزدستگاه‌های مختلف هستند، می‌توانند انرژی حرکت انسان را به الکتریسیته تبدیل کنند.
به عنوان مثال، در برکلی، در آزمایشگاه لارنس، دانشمندان سعی کردند ایده استفاده از ویروس ها برای تبدیل انرژی فشار به الکتریسیته را تحقق بخشند. مکانیسم‌های کوچکی نیز وجود دارد که با حرکت نیرو می‌گیرند، اما تاکنون چنین فناوری در جریان قرار نگرفته است. بله، با بحران جهانی انرژی نمی توان به این شکل برخورد کرد: چند نفر باید دستفروشی کنند تا کل کارخانه کار کند؟ اما به عنوان یکی از معیارهای مورد استفاده در ترکیب، این نظریه کاملاً قابل اجرا است.
به خصوص چنین فناوری هایی در مکان های صعب العبور، در ایستگاه های قطبی، در کوهستان ها و تایگا، در میان مسافران و گردشگرانی که همیشه فرصت شارژ وسایل خود را ندارند، موثر خواهند بود، اما حفظ ارتباط باعث می شود. مهم است، به خصوص اگر گروه در شرایط بحرانی قرار گیرد. اگر مردم همیشه یک وسیله ارتباطی قابل اعتماد داشته باشند که به «پریز» وابسته نباشد، چقدر می‌توان پیشگیری کرد.
پیل‌های سوختی هیدروژنی
شاید هر صاحب خودرو با نگاهی به نشانگر نزدیک شدن مقدار بنزین به صفر،فکر می کردم چقدر عالی می شود اگر ماشین روی آب کار کند. اما اکنون اتم های آن به عنوان اجسام واقعی انرژی مورد توجه دانشمندان قرار گرفته اند. واقعیت این است که ذرات هیدروژن - رایج ترین گاز در جهان - حاوی مقدار زیادی انرژی است. علاوه بر این، موتور این گاز را تقریباً بدون هیچ محصول جانبی می سوزاند، که به این معنی است که ما یک سوخت بسیار سازگار با محیط زیست دریافت می کنیم.
هیدروژن توسط برخی از ماژول‌ها و شاتل‌های ISS تامین می‌شود، اما در زمین عمدتاً به شکل ترکیباتی مانند آب وجود دارد. در دهه هشتاد در روسیه پیشرفت هایی در مورد هواپیماهایی با استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت وجود داشت ، این فناوری ها حتی در عمل به کار گرفته شدند و مدل های آزمایشی کارایی آنها را ثابت کردند. هنگامی که هیدروژن جدا می شود، به یک پیل سوختی ویژه منتقل می شود و پس از آن می توان مستقیماً برق تولید کرد. این انرژی آینده نیست، این در حال حاضر یک واقعیت است. خودروهای مشابه در حال حاضر و در دسته های نسبتاً بزرگ تولید می شوند. هوندا، به منظور تأکید بر تطبیق پذیری منبع انرژی و خودرو به طور کلی، آزمایشی را انجام داد که در نتیجه آن خودرو به شبکه برق خانگی متصل شد، اما نه برای شارژ مجدد. یک ماشین می تواند یک خانه شخصی را برای چند روز برق رسانی کند یا تقریباً پانصد کیلومتر را بدون سوخت گیری رانندگی کند.
تنها عیب چنین منبع انرژی در حال حاضر هزینه نسبتاً بالای چنین خودروهای دوستدار محیط زیست و البته تعداد نسبتاً کمی ایستگاه های هیدروژن است، اما بسیاری از کشورها در حال برنامه ریزی برای ساخت آنها هستند. به عنوان مثال، درآلمان قبلاً برنامه ای برای نصب 100 پمپ بنزین تا سال 2017 دارد.
گرمای زمین
تبدیل انرژی حرارتی به الکتریسیته جوهره انرژی زمین گرمایی است. در برخی از کشورها که استفاده از صنایع دیگر دشوار است، به طور گسترده استفاده می شود. به عنوان مثال، در فیلیپین، 27٪ از کل برق از نیروگاه های زمین گرمایی تامین می شود، در حالی که در ایسلند این رقم حدود 30٪ است. ماهیت این روش تولید انرژی بسیار ساده است، مکانیسم آن شبیه به یک موتور بخار ساده است. قبل از "دریاچه" ادعایی ماگما، لازم است چاهی حفر شود که از طریق آن آب تامین می شود. پس از تماس با ماگمای داغ، آب بلافاصله به بخار تبدیل می شود. جایی که توربین مکانیکی را می چرخاند بالا می رود و در نتیجه برق تولید می کند.
آینده انرژی زمین گرمایی یافتن "ذخایر" بزرگ ماگما است. به عنوان مثال، در ایسلند فوق، آنها موفق شدند: در کسری از ثانیه، ماگمای داغ تمام آب پمپ شده را در دمای حدود 450 درجه سانتیگراد به بخار تبدیل کرد که یک رکورد مطلق است. چنین بخار پرفشاری می تواند کارایی یک نیروگاه زمین گرمایی را چندین برابر افزایش دهد، می تواند انگیزه ای برای توسعه انرژی زمین گرمایی در سراسر جهان، به ویژه در مناطق اشباع شده از آتشفشان ها و چشمه های حرارتی باشد.
استفاده از زباله های هسته ای
انرژی هسته ای، در یک زمان، غوغا کرد. همینطور بود تا اینکه مردم متوجه خطر این صنعت شدندانرژی. حوادث ممکن است، هیچ کس از چنین مواردی مصون نیست، اما بسیار نادر هستند، اما زباله های رادیواکتیو به طور پیوسته ظاهر می شوند و تا همین اواخر، دانشمندان نمی توانستند این مشکل را حل کنند. واقعیت این است که میله های اورانیوم - "سوخت" سنتی نیروگاه های هسته ای، فقط تا 5٪ قابل استفاده هستند. پس از کار کردن این بخش کوچک، کل میله به محل دفن زباله فرستاده می شود.
پیش از این، از فناوری استفاده می شد که در آن میله ها در آب غوطه ور می شدند، که باعث کاهش سرعت نوترون ها و حفظ یک واکنش ثابت می شد. اکنون به جای آب از سدیم مایع استفاده شده است. این جایگزینی نه تنها امکان استفاده از کل حجم اورانیوم، بلکه پردازش ده ها هزار تن زباله رادیواکتیو را نیز فراهم می کند.
پاکسازی سیاره از زباله های هسته ای مهم است، اما یک "اما" در خود فناوری وجود دارد. اورانیوم یک منبع است و ذخایر آن در زمین محدود است. اگر کل سیاره به طور انحصاری به انرژی دریافتی از نیروگاه های هسته ای تبدیل شود (به عنوان مثال، در ایالات متحده، نیروگاه های هسته ای تنها 20 درصد کل برق مصرفی را تولید می کنند)، ذخایر اورانیوم به سرعت تخلیه می شود و این دوباره باعث هدایت بشر خواهد شد. تا آستانه یک بحران انرژی، بنابراین انرژی هسته ای، هر چند مدرن شده، تنها یک اقدام موقت است.
سوخت گیاهی
حتی هنری فورد که "مدل T" خود را ساخته بود، انتظار داشت که از قبل با سوخت زیستی کار کند. با این حال، در آن زمان، میادین نفتی جدید کشف شد و نیاز به منابع انرژی جایگزین برای چندین دهه از بین رفت، اما اکنوندوباره برگشت.
در طول پانزده سال گذشته، استفاده از سوخت‌های گیاهی مانند اتانول و بیودیزل چندین برابر افزایش یافته است. آنها به عنوان منابع مستقل انرژی و به عنوان مواد افزودنی به بنزین استفاده می شوند. مدتی پیش امیدها به فرهنگ ارزن خاصی به نام کلزا بسته شد. برای غذای انسان یا دام کاملاً نامناسب است، اما مقدار روغن بالایی دارد. از این روغن آنها شروع به تولید "بیودیزل" کردند. اما اگر سعی کنید به اندازه کافی از آن بکارید تا حداقل بخشی از سیاره را تامین کنید، این محصول فضای زیادی اشغال خواهد کرد.
اکنون دانشمندان در مورد استفاده از جلبک صحبت می کنند. محتوای روغن آنها حدود 50 درصد است که استخراج روغن را به همان اندازه آسان می کند و ضایعات را می توان به کود تبدیل کرد که بر اساس آن جلبک های جدید رشد می کنند. این ایده جالب در نظر گرفته می شود، اما قابلیت حیات آن هنوز ثابت نشده است: انتشار آزمایش های موفق در این زمینه هنوز منتشر نشده است.
Fusion
انرژی آینده جهان، به گفته دانشمندان مدرن، بدون فناوری های همجوشی گرما هسته ای غیرممکن است. این در حال حاضر امیدوارکننده ترین پیشرفتی است که میلیاردها دلار در حال حاضر در آن سرمایه گذاری شده است.
نیروگاه های هسته ای از انرژی شکافت استفاده می کنند. این خطرناک است زیرا خطر یک واکنش کنترل نشده وجود دارد که راکتور را از بین می برد و منجر به انتشار مقدار زیادی از مواد رادیواکتیو می شود: شاید همه حادثه نیروگاه هسته ای چرنوبیل را به خاطر داشته باشند.
در واکنش های همجوشی کههمانطور که از نام آن پیداست، انرژی آزاد شده در طی همجوشی اتم ها استفاده می شود. در نتیجه، برخلاف شکافت اتمی، هیچ زباله رادیواکتیو تولید نمی‌شود.
مشکل اصلی این است که در نتیجه همجوشی، ماده ای تشکیل می شود که دمای آن چنان بالاست که می تواند کل راکتور را از بین ببرد.
این انرژی آینده یک واقعیت است. و خیال‌پردازی‌ها در اینجا نامناسب هستند، در حال حاضر ساخت رآکتور در فرانسه آغاز شده است. چندین میلیارد دلار در یک پروژه آزمایشی سرمایه گذاری شده است که توسط بسیاری از کشورها، علاوه بر اتحادیه اروپا، شامل چین و ژاپن، ایالات متحده آمریکا، روسیه و دیگران است. در ابتدا قرار بود اولین آزمایش ها در اوایل سال 2016 راه اندازی شود، اما محاسبات نشان داد که بودجه بسیار ناچیز است (به جای 5 میلیارد، 19 سال طول کشید) و پرتاب به مدت 9 سال دیگر به تعویق افتاد. شاید چند سال دیگر ببینیم که قدرت همجوشی چه توانایی هایی دارد.
چالش های حال و فرصت هایی برای آینده
نه تنها دانشمندان، بلکه نویسندگان داستان های علمی تخیلی نیز ایده های زیادی برای اجرای فناوری آینده در انرژی ارائه می دهند، اما همه موافقند که تاکنون هیچ یک از گزینه های پیشنهادی نمی تواند به طور کامل تمام نیازهای تمدن ما را برآورده کند. به عنوان مثال، اگر همه خودروها در ایالات متحده با سوخت زیستی کار کنند، مزارع کلزا باید مساحتی معادل نیمی از کل کشور را پوشش دهد، صرف نظر از این واقعیت که در ایالات متحده زمین چندان مناسب برای کشاورزی وجود ندارد. علاوه بر این، تا کنون تمام روش های تولیدانرژی جایگزین - جاده ها شاید هر شهروند عادی موافق باشد که استفاده از منابع تجدیدپذیر و سازگار با محیط زیست مهم است، اما نه زمانی که هزینه چنین انتقالی در حال حاضر به آنها گفته شود. دانشمندان هنوز در این زمینه کارهای زیادی برای انجام دادن دارند. اکتشافات جدید، مواد جدید، ایده های جدید - همه اینها به بشریت کمک می کند تا با موفقیت با بحران منابع رو به رو مقابله کند. مشکل انرژی سیاره تنها با اقدامات جامع قابل حل است. در برخی مناطق، استفاده از تولید برق بادی راحت تر است، در جایی - پانل های خورشیدی و غیره. اما شاید عامل اصلی کاهش مصرف انرژی به طور کلی و ایجاد فناوری های صرفه جویی در مصرف انرژی باشد. هر فردی باید بفهمد که مسئولیت سیاره را بر عهده دارد و هر یک باید این سوال را از خود بپرسد: "چه نوع انرژی را برای آینده انتخاب می کنم؟" قبل از رفتن به منابع دیگر، همه باید بدانند که این واقعا ضروری است. تنها با یک رویکرد یکپارچه می توان مشکل مصرف انرژی را حل کرد.
