ليس سراً أن الموارد التي تستخدمها البشرية اليوم محدودة ، علاوة على ذلك ، فإن المزيد من استخراجها واستخدامها يمكن أن يؤدي ليس فقط إلى الطاقة ، ولكن أيضًا إلى كارثة بيئية. الموارد المستخدمة تقليديا من قبل البشرية - الفحم والغاز والنفط - سوف تنفد في غضون بضعة عقود ، ويجب اتخاذ التدابير الآن ، في عصرنا. بالطبع ، يمكننا أن نأمل أن نجد مرة أخرى بعض الرواسب الغنية ، تمامًا كما كان الحال في النصف الأول من القرن الماضي ، لكن العلماء على يقين من أن هذه الرواسب الكبيرة لم تعد موجودة. ولكن على أي حال ، حتى اكتشاف الرواسب الجديدة لن يؤدي إلا إلى تأخير أمر لا مفر منه ، فمن الضروري إيجاد طرق لإنتاج طاقة بديلة والتحول إلى الموارد المتجددة مثل الرياح والشمس والطاقة الحرارية الأرضية وطاقة تدفق المياه وغيرها ، جنبًا إلى جنب مع هذا ، من الضروري الاستمرار في تطوير تقنيات توفير الطاقة.
في هذه المقالة ، سننظر في بعض الأفكار الواعدة ، في رأي العلماء المعاصرين ، والأفكار التي ستبنى عليها طاقة المستقبل.
محطات شمسية
لطالما تساءل الناس عما إذا كان من الممكن استخدام الطاقةالشمس على الأرض. تم تسخين الماء تحت أشعة الشمس ، وتم تجفيف الملابس والأواني الفخارية قبل إرسالها إلى الفرن ، ولكن لا يمكن وصف هذه الطرق بأنها فعالة. ظهرت الوسائل التقنية الأولى لتحويل الطاقة الشمسية في القرن الثامن عشر. أظهر العالم الفرنسي جي بوفون تجربة تمكن من خلالها من إشعال شجرة جافة بمساعدة مرآة مقعرة كبيرة في طقس صافٍ من مسافة حوالي 70 مترًا. استخدم مواطنه ، العالم الشهير A. Lavoisier ، العدسات لتركيز طاقة الشمس ، وفي إنجلترا ابتكروا زجاجًا ثنائي الوجه ، من خلال تركيز أشعة الشمس ، يذوب الحديد الزهر في بضع دقائق فقط.
أجرى علماء الطبيعة العديد من التجارب التي أثبتت أن استخدام الطاقة الشمسية على الأرض أمر ممكن. ومع ذلك ، ظهرت بطارية شمسية من شأنها تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة ميكانيكية مؤخرًا نسبيًا ، في عام 1953. تم إنشاؤه من قبل علماء من وكالة الفضاء الوطنية الأمريكية. بالفعل في عام 1959 ، تم استخدام بطارية شمسية لأول مرة لتجهيز قمر فضائي.
ربما حتى ذلك الحين ، إدراكًا أن مثل هذه البطاريات أكثر كفاءة في الفضاء ، توصل العلماء إلى فكرة إنشاء محطات شمسية فضائية ، لأنه في غضون ساعة تولد الشمس نفس القدر من الطاقة مثل البشرية جمعاء لا تستهلك في سنة فلماذا لا تستخدم هذا؟ ماذا ستكون الطاقة الشمسية في المستقبل؟
من ناحية ، يبدو أن استخدام الطاقة الشمسية خيار مثالي. ومع ذلك ، فإن تكلفة محطة الطاقة الشمسية الفضائية الضخمة مرتفعة للغاية ، بالإضافة إلى أن تشغيلها سيكون مكلفًا. لذاالوقت ، عندما يتم إدخال تقنيات جديدة لتسليم البضائع إلى الفضاء ، وكذلك المواد الجديدة ، سيصبح تنفيذ مثل هذا المشروع ممكنًا ، لكن في الوقت الحالي لا يمكننا استخدام سوى بطاريات صغيرة نسبيًا على سطح الكوكب. سيقول الكثير أن هذا أمر جيد أيضًا. نعم ، هذا ممكن في ظروف منزل خاص ، لكن بالنسبة لإمدادات الطاقة للمدن الكبيرة ، بناءً على ذلك ، هناك حاجة إلى الكثير من الألواح الشمسية ، أو تقنية تجعلها أكثر كفاءة.
الجانب الاقتصادي للقضية موجود هنا أيضًا: أي ميزانية ستعاني بشكل كبير إذا تم تكليفها بمهمة تحويل مدينة بأكملها (أو دولة بأكملها) إلى ألواح شمسية. يبدو أنه من الممكن إلزام سكان المدن بدفع بعض المبالغ لإعادة التجهيز ، لكن في هذه الحالة سيكونون غير سعداء ، لأن الناس لو كانوا مستعدين لتحمل مثل هذه النفقات ، لكانوا قد فعلوا ذلك بأنفسهم منذ فترة طويلة: كل شخص لديه الفرصة لشراء بطارية شمسية
هناك مفارقة أخرى بخصوص الطاقة الشمسية: تكاليف الإنتاج. إن تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء مباشرة ليس أكثر الأشياء كفاءة. حتى الآن ، لم يتم العثور على طريقة أفضل من استخدام أشعة الشمس لتسخين المياه ، والتي تتحول بدورها إلى بخار. في هذه الحالة ، يكون فقدان الطاقة ضئيلًا. تريد البشرية استخدام الألواح الشمسية "الخضراء" ومحطات الطاقة الشمسية للحفاظ على الموارد على الأرض ، لكن مثل هذا المشروع يتطلب قدرًا كبيرًا من نفس الموارد ، وطاقة "غير خضراء".على سبيل المثال ، في فرنسا ، تم بناء محطة للطاقة الشمسية مؤخرًا ، تغطي مساحة تبلغ حوالي كيلومترين مربعين. بلغت تكلفة البناء حوالي 110 مليون يورو ، غير شامل تكاليف التشغيل. مع كل هذا ، يجب ألا يغيب عن البال أن عمر خدمة هذه الآليات يبلغ حوالي 25 عامًا.
ريح
استخدم الناس طاقة الرياح أيضًا منذ العصور القديمة ، وأبسط مثال على ذلك هو الإبحار وطواحين الهواء. لا تزال طواحين الهواء قيد الاستخدام حتى اليوم ، خاصة في المناطق ذات الرياح المستمرة ، مثل الساحل. يطرح العلماء باستمرار أفكارًا حول كيفية تحديث الأجهزة الموجودة لتحويل طاقة الرياح ، من بينها توربينات الرياح في شكل توربينات عملاقة. بسبب الدوران المستمر ، يمكن أن "تتدلى" في الهواء على مسافة عدة مئات من الأمتار من الأرض ، حيث تكون الرياح قوية وثابتة. هذا من شأنه أن يساعد في كهربة المناطق الريفية حيث لا يمكن استخدام طواحين الهواء القياسية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تجهيز مثل هذه التوربينات المرتفعة بوحدات الإنترنت ، والتي من شأنها أن توفر للناس إمكانية الوصول إلى شبكة الويب العالمية.
المد والجزر والأمواج
الطفرة في الطاقة الشمسية وطاقة الرياح تتلاشى تدريجياً ، وقد اجتذبت الطاقة الطبيعية الأخرى اهتمام الباحثين. والأكثر وعدا هو استخدام المد والجزر. بالفعل ، هناك حوالي مائة شركة حول العالم تتعامل مع هذه المشكلة ، وهناك العديد من المشاريع التي أثبتت فاعلية طريقة التعدين هذه.كهرباء. الميزة على الطاقة الشمسية هي أن الخسائر أثناء نقل طاقة إلى أخرى ضئيلة: موجة المد والجزر تدور توربينًا ضخمًا يولد الكهرباء.
مشروع أويستر هو فكرة تركيب صمام مفصلي في قاع المحيط لجلب المياه إلى الشاطئ ، وبالتالي تحويل التوربينات الكهرومائية البسيطة. مجرد تركيب واحد من هذا القبيل يمكن أن يوفر الكهرباء لمنطقة صغيرة.
بالفعل ، يتم استخدام موجات المد والجزر بنجاح في أستراليا: في مدينة بيرث ، تم تركيب محطات تحلية المياه التي تعمل على هذا النوع من الطاقة. يسمح عملهم بتزويد حوالي نصف مليون شخص بالمياه العذبة. يمكن أيضًا الجمع بين الطاقة الطبيعية والصناعة في صناعة إنتاج الطاقة هذه.
يختلف استخدام طاقة المد والجزر إلى حد ما عن التقنيات التي اعتدنا على رؤيتها في محطات الطاقة الكهرومائية النهرية. في كثير من الأحيان ، تضر محطات الطاقة الكهرومائية بالبيئة: غمرت المياه المناطق المجاورة ، ودمر النظام البيئي ، لكن المحطات التي تعمل على موجات المد والجزر أكثر أمانًا في هذا الصدد.
الطاقة البشرية
يمكن تسمية أحد أروع المشاريع في قائمتنا باستخدام طاقة الأشخاص الأحياء. يبدو الأمر مذهلاً وحتى مرعبًا إلى حد ما ، لكن ليس كل شيء مخيفًا جدًا. يعتز العلماء بفكرة كيفية استخدام الطاقة الميكانيكية للحركة. تدور هذه المشاريع حول الإلكترونيات الدقيقة وتقنيات النانو مع استهلاك منخفض للطاقة. في حين أن الأمر يبدو وكأنه مدينة فاضلة ، إلا أنه لا توجد تطورات حقيقية ، لكن الفكرة شديدة الأهميةشيق ولا يترك اذهان العلماء. موافق ، ستكون الأجهزة المريحة للغاية ، مثل الساعات ذات الملء التلقائي ، سيتم شحنها من حقيقة أن المستشعر يتم تمريره بإصبع ، أو من حقيقة أن الجهاز اللوحي أو الهاتف يتدلى ببساطة في حقيبة عند المشي. ناهيك عن الملابس المليئة بأجهزة ميكروية مختلفة يمكنها تحويل طاقة حركة الإنسان إلى كهرباء.
في بيركلي ، في مختبر لورانس ، على سبيل المثال ، حاول العلماء إدراك فكرة استخدام الفيروسات لتحويل طاقة الضغط إلى كهرباء. هناك أيضًا آليات صغيرة تعمل بالحركة ، ولكن حتى الآن لم يتم تشغيل هذه التكنولوجيا. نعم ، لا يمكن التعامل مع أزمة الطاقة العالمية بهذه الطريقة: كم عدد الأشخاص الذين سيتعين عليهم "التجوال" لجعل المصنع بأكمله يعمل؟ ولكن كواحد من التدابير المستخدمة مجتمعة ، فإن النظرية قابلة للتطبيق تمامًا.
على وجه الخصوص ، ستكون هذه التقنيات فعالة في الأماكن التي يصعب الوصول إليها ، وفي المحطات القطبية ، وفي الجبال والتايغا ، بين المسافرين والسائحين الذين لا تتاح لهم دائمًا الفرصة لشحن أجهزتهم ، ولكن البقاء على اتصال دائم هو مهم ، خاصة إذا دخلت المجموعة في موقف حرج. ما المقدار الذي يمكن منعه إذا كان لدى الأشخاص دائمًا جهاز اتصال موثوق به لا يعتمد على "القابس".
خلايا وقود الهيدروجين
ربما كان كل مالك سيارة ، بالنظر إلى مؤشر كمية البنزين التي تقترب من الصفر ، قد فعل ذلكفكرة كم سيكون رائعًا إذا كانت السيارة تسير على الماء. لكن ذراتها الآن لفتت انتباه العلماء كأشياء حقيقية للطاقة. الحقيقة هي أن جسيمات الهيدروجين - الغاز الأكثر شيوعًا في الكون - تحتوي على كمية هائلة من الطاقة. علاوة على ذلك ، يحرق المحرك هذا الغاز بدون أي منتجات ثانوية تقريبًا ، مما يعني أننا نحصل على وقود صديق للبيئة.
يتم تغذية الهيدروجين بواسطة بعض وحدات ISS والمكوكات ، ولكن على الأرض يوجد بشكل أساسي في شكل مركبات مثل الماء. في الثمانينيات في روسيا ، كانت هناك تطورات في الطائرات التي تستخدم الهيدروجين كوقود ، وتم وضع هذه التقنيات موضع التنفيذ ، وأثبتت النماذج التجريبية فعاليتها. عندما يتم فصل الهيدروجين ، ينتقل إلى خلية وقود خاصة ، وبعد ذلك يمكن توليد الكهرباء مباشرة. هذه ليست طاقة المستقبل ، إنها حقيقة واقعة. يتم بالفعل إنتاج سيارات مماثلة وعلى دفعات كبيرة إلى حد ما. من أجل التأكيد على تنوع مصدر الطاقة والسيارة ككل ، أجرت هوندا تجربة نتج عنها توصيل السيارة بالشبكة الكهربائية المنزلية ، ولكن ليس من أجل إعادة شحنها. يمكن للسيارة تشغيل منزل خاص لعدة أيام ، أو القيادة لما يقرب من خمسمائة كيلومتر دون التزود بالوقود.
العيب الوحيد لمصدر الطاقة هذا في الوقت الحالي هو التكلفة المرتفعة نسبيًا لمثل هذه السيارات الصديقة للبيئة ، وبالطبع عدد صغير نسبيًا من محطات الهيدروجين ، لكن العديد من البلدان تخطط بالفعل لبناء هذه السيارات. على سبيل المثال ، فيألمانيا لديها بالفعل خطة لتركيب 100 محطة تعبئة بحلول عام 2017.
حرارة الأرض
تحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء هو جوهر الطاقة الحرارية الأرضية. في بعض البلدان حيث يصعب استخدام الصناعات الأخرى ، يتم استخدامه على نطاق واسع. على سبيل المثال ، في الفلبين ، يأتي 27٪ من إجمالي الكهرباء من محطات الطاقة الحرارية الأرضية ، بينما يصل هذا الرقم في آيسلندا إلى حوالي 30٪. إن جوهر طريقة إنتاج الطاقة هذه بسيط للغاية ، فالآلية تشبه المحرك البخاري البسيط. قبل "بحيرة" الصهارة المزعومة ، من الضروري حفر بئر يتم من خلالها توفير المياه. عند ملامسة الصهارة الساخنة ، يتحول الماء على الفور إلى بخار. يرتفع حيث يدور توربين ميكانيكي ، وبالتالي يولد الكهرباء.
مستقبل الطاقة الحرارية الأرضية هو إيجاد "مخازن" كبيرة من الصهارة. على سبيل المثال ، في آيسلندا المذكورة أعلاه ، نجحوا: في جزء من الثانية ، حولت الصهارة الساخنة كل الماء الذي تم ضخه إلى بخار عند درجة حرارة حوالي 450 درجة مئوية ، وهو رقم قياسي مطلق. يمكن لمثل هذا البخار عالي الضغط أن يزيد من كفاءة محطة الطاقة الحرارية الأرضية عدة مرات ، ويمكن أن يصبح دافعًا لتطوير الطاقة الحرارية الأرضية حول العالم ، خاصة في المناطق المشبعة بالبراكين والينابيع الحرارية.
استخدام النفايات النووية
الطاقة النووية ، في وقت واحد ، سبقت. هكذا كان الأمر حتى أدرك الناس خطورة هذه الصناعةطاقة. الحوادث ممكنة ، لا أحد محصن من مثل هذه الحالات ، لكنها نادرة جدًا ، لكن النفايات المشعة تظهر بشكل ثابت وحتى وقت قريب ، لم يتمكن العلماء من حل هذه المشكلة. الحقيقة هي أن قضبان اليورانيوم - "الوقود" التقليدي لمحطات الطاقة النووية ، لا يمكن استخدامها إلا بنسبة 5٪. بعد العمل على هذا الجزء الصغير ، يتم إرسال القضيب بأكمله إلى "مكب النفايات".
في السابق ، تم استخدام تقنية يتم فيها غمر القضبان في الماء ، مما يبطئ النيوترونات ، ويحافظ على رد فعل ثابت. الآن تم استخدام الصوديوم السائل بدلاً من الماء. يسمح هذا الاستبدال ليس فقط باستخدام الحجم الكامل لليورانيوم ، ولكن أيضًا بمعالجة عشرات الآلاف من الأطنان من النفايات المشعة.
من المهم تخليص الكوكب من النفايات النووية ، لكن هناك واحدة "لكن" في التكنولوجيا نفسها. اليورانيوم مورد ، واحتياطياته على الأرض محدودة. إذا تم تحويل الكوكب بأكمله حصريًا إلى الطاقة المتلقاة من محطات الطاقة النووية (على سبيل المثال ، في الولايات المتحدة ، تنتج محطات الطاقة النووية 20 ٪ فقط من إجمالي الكهرباء المستهلكة) ، فسيتم استنفاد احتياطيات اليورانيوم بسرعة كبيرة ، وهذا سيؤدي مرة أخرى إلى البشرية إلى عتبة أزمة طاقة ، لذا فإن الطاقة النووية ، وإن كانت حديثة ، إلا إجراء مؤقت.
وقود نباتي
حتى هنري فورد ، بعد أن ابتكر "الموديل T" ، توقع أنه سيعمل بالفعل على الوقود الحيوي. إلا أنه في ذلك الوقت تم اكتشاف حقول نفطية جديدة ، واختفت الحاجة إلى مصادر طاقة بديلة منذ عدة عقود ، ولكن الآنمرة أخرى.
على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية ، زاد استخدام الوقود النباتي مثل الإيثانول والديزل الحيوي عدة مرات. يتم استخدامها كمصادر مستقلة للطاقة وكمضافات للبنزين. منذ بعض الوقت ، كانت الآمال معلقة على ثقافة خاصة للدخن تسمى "الكانولا". إنه غير مناسب تمامًا للأغذية البشرية أو للماشية ، ولكنه يحتوي على نسبة عالية من الزيت. من هذا النفط بدأوا في إنتاج "وقود الديزل الحيوي". لكن هذا المحصول سيشغل مساحة كبيرة إذا حاولت زراعة ما يكفي منه لتزويد جزء على الأقل من الكوكب بالوقود.
يتحدث العلماء الآن عن استخدام الطحالب. يبلغ محتوى الزيت حوالي 50٪ ، مما يجعل من السهل استخراج الزيت ، ويمكن تحويل النفايات إلى أسمدة ، على أساسها ستزرع الطحالب الجديدة. تعتبر الفكرة مثيرة للاهتمام ، ولكن لم يتم إثبات جدواها بعد: لم يتم نشر نشر التجارب الناجحة في هذا المجال بعد.
فيوجن
الطاقة المستقبلية للعالم ، وفقًا للعلماء المعاصرين ، مستحيلة بدون تقنيات الاندماج النووي الحراري. يعد هذا حاليًا أكثر التطورات الواعدة حيث يتم بالفعل استثمار مليارات الدولارات.
محطات الطاقة النووية تستخدم الطاقة الانشطارية. إنه أمر خطير لأن هناك تهديدًا برد فعل غير منضبط سيدمر المفاعل ويؤدي إلى إطلاق كمية هائلة من المواد المشعة: ربما يتذكر الجميع الحادث الذي وقع في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية.
في ردود الفعل الانصهاركما يوحي الاسم ، يتم استخدام الطاقة المنبعثة أثناء اندماج الذرات. نتيجة لذلك ، على عكس الانشطار الذري ، لا تنتج أي نفايات مشعة.
المشكلة الرئيسية هي أنه نتيجة الاندماج ، تتشكل مادة ذات درجة حرارة عالية بحيث يمكنها تدمير المفاعل بأكمله.
طاقة المستقبل هذه حقيقة واقعة. والأوهام هنا غير مناسبة ، في الوقت الحالي بدأ بناء المفاعل بالفعل في فرنسا. تم استثمار عدة مليارات من الدولارات في مشروع تجريبي تم تمويله من قبل العديد من الدول ، والتي تشمل ، بالإضافة إلى الاتحاد الأوروبي ، الصين واليابان والولايات المتحدة وروسيا ودول أخرى. في البداية ، كان من المقرر إطلاق التجارب الأولى في وقت مبكر من عام 2016 ، لكن الحسابات أظهرت أن الميزانية كانت صغيرة جدًا (بدلاً من 5 مليارات ، استغرق الأمر 19 عامًا) ، وتم تأجيل الإطلاق لمدة 9 سنوات أخرى. ربما في غضون سنوات قليلة سنرى ما هي القدرة على الاندماج.
تحديات الحاضر وفرص المستقبل
ليس فقط العلماء ، ولكن أيضًا كتاب الخيال العلمي يقدمون الكثير من الأفكار لتنفيذ التكنولوجيا المستقبلية في مجال الطاقة ، لكن الجميع يتفقون على أنه حتى الآن لا يمكن لأي من الخيارات المقترحة تلبية جميع احتياجات حضارتنا بشكل كامل. على سبيل المثال ، إذا كانت جميع السيارات في الولايات المتحدة تعمل بالوقود الحيوي ، فيجب أن تغطي حقول الكانولا مساحة تساوي نصف البلد بأكمله ، بغض النظر عن حقيقة أنه لا يوجد الكثير من الأراضي المناسبة للزراعة في الولايات المتحدة. علاوة على ذلك ، حتى الآن جميع طرق الإنتاجالطاقة البديلة - الطرق. ربما يوافق كل ساكن عادي في المدينة على أنه من المهم استخدام موارد صديقة للبيئة ومتجددة ، ولكن ليس عندما يتم إخبارهم بتكلفة هذا الانتقال في الوقت الحالي. لا يزال أمام العلماء الكثير من العمل للقيام به في هذا المجال. الاكتشافات الجديدة والمواد الجديدة والأفكار الجديدة - كل هذا سيساعد البشرية على التعامل بنجاح مع أزمة الموارد التي تلوح في الأفق. لا يمكن حل مشكلة الطاقة على كوكب الأرض إلا من خلال تدابير شاملة. في بعض المناطق ، يكون استخدام توليد طاقة الرياح أكثر ملاءمة ، في مكان ما - الألواح الشمسية ، وما إلى ذلك. ولكن ربما يكون العامل الرئيسي هو تقليل استهلاك الطاقة بشكل عام وإنشاء تقنيات موفرة للطاقة. يجب أن يفهم كل شخص أنه مسؤول عن الكوكب ، ويجب على كل شخص أن يسأل نفسه السؤال: "ما نوع الطاقة التي أختارها للمستقبل؟" قبل الانتقال إلى الموارد الأخرى ، يجب أن يدرك الجميع أن هذا ضروري حقًا. فقط من خلال نهج متكامل سيكون من الممكن حل مشكلة استهلاك الطاقة.
