آیا روزی مانند داستان‌های علمی تخیلی می‌توانیم از انرژی‌های جایگزین استفاده کنیم؟

منابع انرژی جایگزین یکی از موضوعات برگزیده همیشگی در ادبیات علمی تخیلی است.

شاید معروف ترین رمانی که با این موضوع نوشته شده رمان خود خدایان (۱۹۷۲) اثر آیزاک آسیموف باشد که در آن دانشمندان برای به دست آوردن توان مورد نیاز شبکه برق مصرفی هم در کیهان ما و هم در یک کیهان موازی (به نام کیهان پارا) از طریق تبادل ماده میان این دو کیهان انرژی تولید می کنند. ببینید آسیموف چگونه این فناوری را توصیف می کند.

برهم کنش هسته ای قوی که قوی ترین نیروی شناخته شده در کیهان ما به شمار می رود در کیهان پارا حتی از این هم قوی تر است؛ چه بسا یکصد بار قوی تر باشد.

این بدان معنی است که پروتونها راحت تر در برابر جاذبه الکترواستاتیکی خودشان چسبیده به یکدیگر باقی می مانند و اینکه هسته نیازمند نوترونهای کمتری برای برقراری پایداری است.

پلوتونیم ۱۸۶ که در کیهان آنها پایدار است، نسبت به کیهان ما که برهم کنش هسته ای در آن کارایی کمتری دارد، محتوی پروتونهای خیلی بیشتر یا نوترون های خیلی کمتری است.

پلوتونیم ۱۸۶ یکبار دیگر در کیهان ما، شروع به گسیل پوزیترون کرده و در جریان این تابش انرژی آزاد می سازد، ضمن آنکه با هر پوزیترون تابیده شده، یک پروتون درون هسته به یک نوترون تبدیل می شود.

سرانجام، بیست پروتون به ازای هسته به نوترون تبدیل شده و پلوتونیم ۱۸۶ به تنگستن ۱۸۶ تبدیل می شود که براساس قوانین کیهان ما پایدار است.

در این فرایند، بیست پروتون به ازای هسته ها حذف شده اند. اینها با بیست الکترون روبه رو شده، با آنها ترکیب شده و نابود می شوند و در نتیجه انرژی بیشتری تولید می کنند، بطوری که به ازای هر هسته پلوتونیم ۱۸۶ که به سمت ما فرستاده می شود، کیهان ما در نهایت بیست الکترون کمتر دارد.

تا اینجا، اصلا مثل این نیست که می خواهیم مسئله کمبود جهانی انرژی را با کمک فرازمینی ها حل کنیم، چه رسد به کیهان های موازی. اما منابع انرژی جایگزین – باد، آب، خورشید و گرمای زمین – روی زمین چه می شوند؟

راجر کنراد، تحلیلگر انرژی و ویراستار Utility Forecaster، خبرنامه کاربردی صنعت، پیش بینی می کند که تا سال ۲۰۱۰، یک سوم انرژی ما از راه سوزاندن زغال سنگ، نیمی از راه گاز طبیعی و یک دهم از انرژی هسته ای تولید خواهد شد. تنها یک درصد توان شبکه مصرفی از راه سوزاندن نفت و پنج درصد به صورت نیروی هیدروالکتریکی و بقیه از راه منابع انرژی تجدیدپذیر» مانند باد یا زمین گرمایی تولید خواهد شد.

آسیاب های بادی بیش از ۱۳۰۰ سال است که مورد استفاده قرار می گیرند، نخست در سال ۷۰۰ پس از میلاد در سرزمین پارس به کار گرفته شده و سپس بوسیله فرانسوی ها در سال ۱۹۸۰ میلادی به اروپا معرفی شدند. مشکل آسیاب های بادی، مانند دیگر منابع انرژی جایگزین، این است که آنها کاملا به شرایط آب و هوایی وابسته اند: آسیاب های بادی هنگامی که باد نوزد هیچ انرژی تولید نمی کنند. از سوی دیگر، باد یک منبع انرژی تجدیدپذیر است. باد بوسیله گرمایش متغیر جو زمین توسط خورشید تولید می شود، بنابراین تا وقتی آفتاب می تابد و زمین جو دارد، باد هم خواهد بود.

چرخهای آبی که منبع انرژی قدیمی تری نسبت به آسیاب ها هستند، هیچ وابستگی به وضع آب و هوا ندارند، اما مقید به مکان هایی نزدیک جریانهای تند آبی هستند. خوشبختانه، جایی روی زمین هست که آب همیشه با انرژی جنبشی غیر قابل محاسبه در آن جریان دارد: اقیانوس. اگر تا به حال برای شنا به اقیانوس رفته باشید و امواج آن شما را کوبیده یا دچار کشش جریان آب زیر دریا شده باشید، این نیرو را احساس کرده اید. امروزه مهندسان در چندین کشور در سراسر جهان در حال ساخت دستگاه هایی هستند که می توانند نیروی امواج، موجهای مرده و جزر و مدهای اقیانوسی را به انرژی سودمند تبدیل کنند.

یکی از این دستگاه ها به نام پمپ موجی Seadog از انرژی مکانیکی موجهای مرده برای پمپ کردن آب دریا به توربین های هیدروالکتریکی مستقر در خشکی استفاده می کند. آب از میان توربین ها گذشته، تیغه ها را می چرخاند تا الکتریسیته تولید شود و سپس به دریا باز می گردد. اما توربین ها باید نزدیک ساحل باشند؛ نمی توانید پمپ موجی Seadog را در آریزونا برپا کنید. دستگاه دیگری که قرار است از امواج اقیانوس الکتریسیته درست کند شامل شناورهایی است که به ژنراتور وصل هستند. با عبور امواج، شناورها بالا و پایین رفته و جریانی از شاره هیدرولیک را به وجود می آورند. جریان شاره انرژی ژنراتور الکتریکی مهر و موم شده در محفظه ضد آب روی سطح اقیانوس را تامین می کند. یک کابل الکتریسیته را از ژنراتور به ترانسفورماتوری که در ساحل نصب شده می رساند. شناورها ۴.۵ متر قطر و ۱۲ متر درازا دارند. هر کدام می تواند بیش از پنجاه کیلووات برق تولید کند که برای روشن کردن پنجاه خانه کافی است. به طور طبیعی، مناطقی که بیشتر می توانند از این فناوری بهره مند شوند عبارتند از شهرهای کوچک و بزرگی که نزدیک اقیانوس هستند.

در سال ۲۰۰۳، یک سامانه مبتنی بر موج تولید برق، کار برق رسانی به خانه ها را در منطقه آرکتیک نروژ آغاز کرد. جریان های مدی در کانال دریای کوالسوند تیغه های ۱۰ متری توربینی را که به کف اقیانوس پیچ شده می گردانند. در مدت ۱۲ ساعت در هر روز وقتی مد بالا آمده و پایین می رود، اینها آب را با سرعت ۲.۴ متر در ثانیه به داخل کانال فرستاده و از آن خارج می کنند. سامانه توربینی کوالسوند حدود ۱۱ میلیون دلار هزینه در برداشته. این سامانه تقریبا هفتصد هزار کیلووات ساعت انرژی در سال تولید می کند که برای روشن کردن و گرما دادن به حدود سی خانه مناسب است.

آرتور سی کلارک تولید برق از اقیانوس را در داستان کوتاهش به نام درخشندگان» به سال ۱۹۶۲ پیش بینی کرد. وی انرژی گرمایی را به جای جنبشی برای تبدیل به برق در رویا دید:

جاه طلبانه ترین تلاشی که تاکنون برای مهار کردن انرژی گرمایی دریا انجام شده … به حقیقت شگفت انگیزی وابسته است. حتی در مناطق گرمسیری استوایی نیز دریا در عمق ۱.۶ کیلومتری تقریبا در نقطه انجماد است. جایی که حرف میلیاردها تن آب است، این اختلاف دما نشانگر مقدار بسیار زیادی انرژی است ضمن آنکه چالش ظریفی پیش روی مهندسان کشورهایی قرار دارد که تشنه انرژی هستند.

بیش از یکصد سال است که می دانیم جریان های الکتریکی در بسیاری از مواد در صورتی جریان می یابند که یک انتها گرم و انتهای دیگر سرد شود و از دهه ۱۹۴۰ نیز مهندسان روسی روی استفاده عملی از این اثر «ترموالکتریکی» کار می کرده اند.

دستگاه نخستین آنها چندان کارآمد نبود – اگر چه آنقدر خوب بود که بتواند انرژی هزاران رادیو را بوسیله لامپ های کروسن تامین نماید. اما در سال ۱۹۷۴ آنها به پیشرفت بزرگ و همچنان محرمانهای دست یافتند. گرچه من عناصر نیرو را در انتهای سرد سامانه جای دادم، اما هرگز براستی آنها را ندیدم؛ آنها کاملا در رنگ ضد خورندهای پوشیده شده بودند. تنها می دانم آنها شبکه بزرگی درست کردند مانند بسیاری از رادیاتورهای بخار مدل قدیمی که به هم پیچ می شدند.

مشکل پایستگی انرژی گرمایی این است که تنها در مناطقی کار می کند که گرمای کافی روی زمین بوده یا آبی که بتوان از آن برای تبدیل کارآمد به نیروی برق استفاده کرد، به اندازه کافی وجود داشته باشد. متاسفانه، تنها چند منطقه زمین فعالیت زمین گرمایی کافی دارد که بتوان از آن انرژی به عنوان منبع انرژی جایگزین استفاده کرد. استرالیا ذخایر انرژی زمین گرمایی بزرگی در گرانیت مدفون شده در ۹.۶ تا ۱۶ کیلومتری سطح زمین دارد. یک کیلومتر مربع از گرانیت داغ در دمای ۲۵۰ درجه سانتی گراد دارای انرژی زمین گرمایی برابر چهل میلیون بشکه نفت است. ایسلند نیز میدان های زمین گرمایی غنی به همراه چندین رودخانه پرسرعت دارد که برای تولید نیروی هیدروالکتریکی (برق آبی) ایده آل هستند. در نتیجه، دو سوم انرژی ایسلند از منابع انرژی جایگزین (تجدیدپذیر) به ویژه آب و زمین گرمایی تولید می شود دستاورد بزرگی که با هیچ کشور دیگری قابل مقایسه نیست.

باد و دیگر منابع انرژی تجدیدپذیر یک پنجم برق دانمارک را تولید می کنند. از سویی پژوهشگران در تایلند در حال توسعه روشی برای تبدیل روغن خرما به مادهای جایگزین برای سوخت دیزل هستند. نیروگاه های برق جدیدی برای سوزاندن براده های چوب، ساقه های ذرت و پوست خشک میوه ها به جای نفت، زغال سنگ یا گاز طبیعی طراحی می شوند.

در فیلم ماتریس، گروهی از انسانها که برای آزادی در برابر رایانه ها می جنگند و زندگی زمینی را به شهری زیرزمینی به نام زایون که نزدیک مرکز زمین قرار دارد آورده اند، انرژی را از گرمای مواد مذابی که نزدیک آنها جریان دارد به دست می آورند. انرژی زمین گرمایی برای به کار انداختن شهری با جمعیتی نزدیک به ۲۵۰ هزار نفر کفایت می کند.

انرژی خورشیدی نیز نمونه ای عمومی میان نویسندگان علمی تخیلی و نیز آنهایی است که در پی یافتن منابع انرژی جدید هستند. جیمز گان در داستان «فرزند خورشید» به سال ۱۹۷۷ یک پروژه انرژی خورشیدی را چنین توصیف می کند:

جانسون گفت «همه با پروژه انرژی خورشیدی آشنا هستند. این پروژه سری نیست.»

مهندس گفت، «فکر نکنم اینطور باشد.» او نگاهی به میز فلزی با نقش و

نگارهای چوبی چاپ شده روی آن انداخت انگار در دلش آرزو می کرد کاش آن میز یک تخته رسم بود.

این یک پروژه تجربی است و ما نشان داده ایم که می توانیم مقادیر زیادی

انرژی از خورشید به دست بیاوریم.»

جانسون پرسید «پس چرا پروژه هنوز در مرحله آزمایش است؟»

مرد جوان در حالیکه چانه اش را می مالید و ریش کم پشتش را با انگشت هایش

می خاراند گفت «راستش مشکلی وجود دارد که آن را حل نکرده ایم.»

مشکل نور خورشید؟

نه، انرژی را همیشه می توان با پمپ کردن آب، تجزیه آن به هیدروژن و اکسیژن، با باطری یا چرخ لنگر ذخیره کرد. مشکل ما با بخش اقتصادی آن است: سوزاندن زغال سنگ آسان تر است حتی اگر هزینه کنترل های زیست محیطی و آسیب را نیز به آن بیفزایید باز حدود یک پنجم ارزان تر است. از سویی انرژی هسته ای هزینه ای کمتر از آن دارد. اشکال دیگر انرژی خورشیدی این است که سلول های خورشیدی برای تبدیل مستقیم نور خورشید به برق، یا بازده کمتری دارند و یا بسیار گران تمام می شوند.»

با وجودی که زمین ۱۴۸ میلیون کیلومتر از خورشید دور است، اما نزدیک به هشتاد و پنج تریلیون کیلووات انرژی ثابت از خورشید دریافت می کنیم که برابر است با سوزاندن ۱۱۵۰ میلیارد تن زغال سنگ در سال. با این حال انرژی خورشیدی به روزهای آفتابی وابسته است، و مناطق زیادی در دنیا وجود دارند که آب و هوای کافی آفتابی برای استفاده از انرژی خورشیدی در شبکه برق یا به عنوان یک مکمل در اختیار دارند.

کارآمدترین سامانه های انرژی خورشیدی از نوعی بشقاب یا بازتابنده برای گیرش و متمرکز ساختن پرتوهای خورشیدی استفاده می کنند. آینه ها نور خورشید را روی لوله ای متمرکز می سازند که از مرکز یک ناودان می گذرد و روغن موجود در لوله را به این شکل گرم می کنند. گرمای روغن به آب منتقل شده و آن را برای تولید بخار به جوش می آورد. بخار برای تولید برق به کار گرفته می شود. روغن خنک شده به لوله بازگردانده می شود تا بتوان دوباره آن را با پرتوهای خورشیدی گرم کرد.

در یک سلول خورشیدی، فوتونها به سیلیکون برخورد کرده و کاری می کنند تا الکترونهای ماده به حرکت درآیند. این حرکت به توزیع نامتوازن الکترونها در سیلیکون می انجامد. وقتی یک سیم بین دو سمت سلول وصل می شود الکترونها از آنجا که تمرکز بیشتر است (قطب منفی) به آنجا که کمتر است (قطب مثبت) جریان پیدا می کنند و یک جریان الکتریکی به وجود می آورند. فرایند فوتوولتایی سیلیکون را خالی از الکترون نمی کند، از اینرو سلول خورشیدی به طور نامحدود بدون آنکه مصرف و تمام شود جریان تولید می کند. هرچند سیلیکون یکی از عناصر فراوان است، اما تولید صنعتی سلولهای فوتوولتایی گران است. این از آن روست که این سلول ها به سیلیکون فراخالصی نیاز دارند که باید آن را از راه فرایندی گران و هزینه بر به دست آورد.

یکی از دلایل کاربرد تجاری محدود انرژی خورشیدی هزینه آن است: ناکارآمدی های فرایند تبدیل انرژی خورشیدی، قیمت انرژی خورشیدی را بر پایه دلار به کیلووات بسیار گران تر از زغال سنگ، گاز طبیعی، نفت یا هسته ای می کند. اما هزینه فزاینده انرژی های معمول همراه با فناوری های خورشیدی کارآمدتر و جدیدتر به سرعت در حال تبدیل انرژی خورشید به رقیبی جایگزین از نظر هزینه برای سوخت های فسیلی و اتمی است.

همچنین سلول های خورشیدی کوچک شده و از نظر وزنی در حال سبک شدن هستند که این نیز خود ساخت مبدل های انرژی خورشیدی قابل حمل را شدنی می سازد. یک گروه پژوهشی در اتحادیه اروپا صفحات سبک انعطاف پذیر خورشیدی درست کرده که نازک تر از فیلم عکاسی هستند و می توان به آسانی آنها را در هر ساختار و بافتی به کار گرفت. همچنین می شود آنها را به صورت توپی های استوانه ای پارچه مانند تولید کرد که قابل بریدن و چسباندن روی پشت بام به عنوان منبع انرژی خورشیدی باشند.

سوزاندن زباله – یا به عبارت سیاسی درست، بیوماس – منبع انرژی شدنی اما هنوز مشکل داری است. یکی از مشکلات آن بازدهی است: سوزاندن بیوماس به گونه ای که بخش زیادی از انرژی آن به توان قابل استفاده تبدیل شود. مشکل دوم آلودگی است: آزاد نشدن یا عدم تولید آلاینده ها هنگام سوزاندن بیوماس فناوری گازی کردن یکی از روش های تبدیل بیوماس به انرژی است. سامانه های گازی سازی از راه سوزاندن فراورده های هرز با پایه کربن مانند زباله های زیستی، زباله های کشاورزی و فاضلاب شهری انرژی تولید می کنند. ماده ارگانیک موجود در زباله با بخار و اکسیژن در دما و فشار زیاد واکنش نشان میدهد که به طور شیمیایی آن را به گاز سنتزی تبدیل می کند. بیوماس به گونه ای خاکستر می شود که سوزاندن آن «گاز سنتزی» یا سینگاز تولید می کند. سینگاز دارای هیدروژن، مونوکسید کربن دی اکسید کربن و نیتروژن است. محتوای انرژی بالایی داشته و می توان آن را فشرده و برای استفاده های آینده مانند به راه انداختن موتور توربین ذخیره کرد. یا می توان آن را به طور کاتالیکتی برای تولید اتانول، گاز طبیعی یا آمونیاک بی آب تبدیل کرد. دماهای بسیار زیاد، مواد غیر ارگانیک موجود در زباله مانند فلزات و پلاستیک ها را خاکستر می کنند. این خاکستر بدون اثر شیمیایی بوده و دارای گستره ای از کاربردها در صنایع ساختمانی است.

پساب را نیز می توان به انرژی تبدیل کرد. در این فرایند، آب به درون یک پیل سوختی با الکترودهای گرافیتی و غشای کاتالیزوری از جنس کربن، پلاستیک و پلاتین پمپ می شود. میکروب های داخل پساب با شکستن قند، پروتئین ها و چربی ها به وسیله آنزیم های خود الکترونهای آزاد تولید می کنند. در طول این فرایند، تا هفتاد و هشت درصد پسماند موجود در آب از آن خارج می شود.

الکترونهای آزاد در این بین ده تا پنجاه میلی وات به ازای متر مربع از سطح الکترود، توان تولید می کنند.

مزرعه صنوبر آبی که یک مزرعه لبنیات در ورمونت ایالات متحده است از سامانه بیوماس برای تولید برق خود استفاده می کند. آنها کود حاصل از ۱۵۰۰ گاو خود را گرما می دهند تا گاز متان تولید کنند که گردآوری شده و به عنوان نیروی پیشران یک ژنراتور از آن استفاده می شود. صاحب مزرعه تخمین می زند که گاوهایش سرانجام برق لازم برای بیش از سیصد خانوار را تامین خواهند کرد. از سویی چنانچه نگران بوی گند هستید، خارج کردن متان از کود، شر بوی بد را کم می کند.

همچنین در رنتن ایالت واشنگتن در حومه سیاتل، نزدیک هفتصد هزار خانه روزانه هشتاد و شش میلیون گالن فاضلاب را روانه سامانه پسابی می کنند. نزدیک به سی میلیون گالن از این پساب به مخازنی فرستاده می شود که در آنها باکتریها بیشتر پسماند را به متان تبدیل می کنند. گاز متان به هیدروژن و دی اکسید کربن شکسته می شود. هیدروژن به عنوان سوخت در یک نیروگاه پیل سوختی هزار مگاواتی به کار گرفته می شود که می تواند برق کافی برای هزار خانه را تولید کند.

گاز متان را می توان با استفاده از فناوری توسعه یافته به وسیله ویکتور پوپوف از موسسه فناوری غرب از زباله های دفن شده نیز به دست آورد. زباله دفن شده به وسیله یک غشا لایه قابل نفوذ میانی بین دو لایه غیر قابل نفوذ تبدیل می شود تا مانع از آن شود که هوا با متان آلوده شود. دی اکسید کربن بیرون آمده از زباله دفن شده به درون لایه نفوذپذیر پمپ شده که در آنجا کمی بالاتر از فشار جو قرار دارد و این مانع از آن است که هوا به درون زباله کشیده شود. با پمپ شدن متان به خارج از زمین، دی اکسید کربن از راه لوله ای به درون زباله دفن شده از راه غشا کشیده می شود.

انگیزه جستجو برای یافتن انرژی های جایگزین این باور است که این منابع پاک تر از سوزاندن زغال سنگ، نفت و دیگر هیدروکربن ها هستند. اما موضوع همیشه این نیست. سدهای برق آبی می توانند در برخی موارد گازهای گلخانه ای – دی اکسید کربن و متان – بیشتری نسبت به نیروگاه های برق معمولی تولید کنند که با سوخت های فسیلی کار می کنند. وقتی آب پشت سد به جریان می افتد،

آب گیاهان را در بر می گیرد. گیاهان می پوسند و متان نامحلول تولید می شود که وقتی آب وارد چرخه توربین کارخانه برق آبی می شود به داخل جو رها می شود.

حتی آسیاب های بادی هم خالی از اشکال نیستند: مطالعه ای در دانشگاه پرینستون نشان داد که مزارع بادی بزرگ با ده هزار توربین، به راستی می توانند با زیاد کردن شکل گیری ابر و باران، تغییری ناخواسته در الگوی آب و هوایی منطقه ایجاد کنند.

دیدگاه خود را با ما اشتراک بگذارید:

ایمیل شما نزد ما محفوظ است و از آن تنها برای پاسخگویی احتمالی استفاده می‌شود و در سایت درج نخواهد شد.
نوشتن نام و ایمیل ضروری است. اما لازم نیست که کادر نشانی وب‌سایت پر شود.
لطفا تنها در مورد همین نوشته اظهار نظر بفرمایید و اگر درخواست و فرمایش دیگری دارید، از طریق فرم تماس مطرح کنید.