Традиционные, современные и будущие источники энергии 21 века

Ученые спешат найти источники энергии будущего, чтобы улучшить окружающую среду и уменьшить зависимость от нефти и других видов ископаемого топлива.

Некоторые предсказывают что энергия будущего это водородные топливные элементы. Другие говорят, что солнце — это путь. Более дикие схемы включают в себя ветряные турбины высоко в воздухе или двигатель на антивеществе.

Рассмотрим, что будет представлять собой энергия будущего в 21 веке и позднее.

Энергия антивещества

Антивещество является аналогом материи, состоящей из античастиц, которая имеют ту же массу, что и обычная материя, но с противоположными атомными свойствами, известными как спин и заряд.

Когда противоположные частицы встречаются, они аннигилируют друг друга и высвобождают огромное количество энергии в соответствии с известным уравнением Эйнштейна Е=mc².

Энергия будущего в виде прообраза антивещества уже используется в медицинской технике визуализации, известной как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), но ее использование в качестве потенциального источника топлива остается в сфере научной фантастики.

Проблема антивещества в том, что во Вселенной его очень мало. Антивещество можно произвести в лабораториях, но в настоящее время только в очень малом количестве и при непомерно высоких ценах. И даже если проблема производства может быть решена, все равно остается главный вопрос в том, как хранить то, что имеет тенденцию уничтожать себя при контакте с обычной материей, а также как использовать эту энергию антивещества, когда-то созданную.

Ученые проводят исследования по созданию антивещества, которое могло бы однажды переправить человечество к звездам, но мечты о звездолетах, работающих на энергии антивещества все еще далеки, согласны все эксперты.

Водородные топливные элементы

На первый взгляд водородные топливные элементы могут показаться идеальной альтернативой ископаемым видам топлива. Они могут произвести электричество используя только водород и кислород без особого загрязнения.  Автомобиль, работающий на водородных топливных элементах, будет не только более эффективным, чем автомобиль, работающий на двигателе внутреннего сгорания, но и имеющий единственный выброс это воду.

К сожалению, в то время как водород является самым распространенным элементом во Вселенной, большая его часть связана с молекулами, такими как вода. Это означает, что чистый несвязанный водород должен производиться с помощью других ресурсов, которые во многих случаях связаны с ископаемым топливом. Если это так, то многие экологические преимущества водорода как топлива ничтожны. Другая проблема с водородом что его нельзя сжать легко или безопасно и требуются особые баки для хранения. Кроме того, по причинам, которые не до конца понятны, маленькие атомы водорода имеют тенденцию к проникновению через материалы баков.

Ядерная

Альберт Эйнштейн сказал нам, что грань между материей и энергией нечеткая. Энергия будущего может быть произведена путем разделения или слияния ядер — процессы известные как ядерные реакции деления и образования более тяжелых ядер где выделяется термоядерная энергия.

Ядерное атомное деление высвобождает вредную радиацию и производит большое количество радиоактивных материалов, которые могут оставаться активными в течение тысяч лет и могут разрушать целые экосистемы в случае утечки. Существует также озабоченность по поводу того, что ядерный материал может быть использован в оружии.

В настоящее время большинство атомных электростанций используют деление, и для производства требуется поддержание необходимых температур.

Также известно природное явление, как сонолюминесценция.

[box type=»shadow» ]Сонолюминесценция может однажды стать средством обладающим гигантскими ядерными и термоядерными реакторами в стакане жидкости.[/box]

Сонолюминесценция относится к вспышке света, когда специальные жидкости создают высокоэнергетические звуковые волны. Звуковые волны разрывают жидкость и производят крошечные пузырьки, которые быстро расширяются, а затем сильно разрушаются. Свет производится в процессе, но что более важно, внутренности взрывающихся пузырьков достигают чрезвычайно высоких температур и давлений. Ученые предполагают что этого может быть достаточно для ядерного синтеза.

Ученые также экспериментируют с методами создания управляемого ядерного синтеза, ускоряя «тяжелые» ионы водорода в мощном электрическом поле.

Преобразование тепловой энергии океана

Океаны покрывают 70 процентов Земли, а вода является природным солнечным коллектором энергии будущего. Преобразование тепла океана происходит путем использования температурных различий между поверхностными водами нагреваемыми солнцем и водой в холодных глубинах океана для выработки электричества.

Преобразование тепловой энергии океана может работать по следующему принципу:

• Замкнутый цикл: жидкость с низкой температурой кипения, например аммиак, кипит используя теплую морскую воду. Полученный пар используется для работы электрогенерирующей турбины, затем пар охлаждается холодной морской водой.
• Открытый цикл: теплая морская вода преобразуется в пар низкого давления который используется для генерации электричества. Пар охлаждается и превращается в полезную пресную воду с холодной морской водой.
• Гибридный цикл: используется замкнутый цикл для того, чтобы произвести электричество, которое применяется создавая окружающую среду низкого давления необходимого для открытого цикла.

Тепловую энергию океана используют и для добычи пресной воды и богатых питательными веществами морской воды извлекаемой из глубин океана для культивирования морских организмов и растений. Главный недостаток тепловой энергии океана, что необходимо работать на таких малых разницах температуры, вообще около 20 градусов по Цельсию где эффективность от 1 до 3 процента.

Гидроэлектроэнергия

Падающую, пропускающую или в противном случае двигающую воду с древних времен уже обуздали для производства электричества. Гидроэнергетика обеспечивает около 20 процентов электроэнергии в мире. До недавнего времени считалось, что водная энергия будущего является богатым природным ресурсом, не требующим дополнительного топлива и не вызывающего загрязнения.

Недавние исследования, однако, оспаривают некоторые из этих утверждений и предполагают, что гидроэлектрические плотины могут производить значительное количество углекислого газа и метана за счет распада погруженного в воду растительного материала. В некоторых случаях эти выбросы конкурируют с выбросами электростанций, работающих на ископаемом топливе. Еще одним недостатком плотин является то, что людей часто нужно переселять. В случае строительства плотин в трех ущельях в Китае, который стал самой большой плотиной в мире 1,9 миллиона человек были перемещены, а исторические места были затоплены и потеряны.

Биомасса

Источником энергии будущего является биомасса или биотопливо, которое включает в себя высвобождение химических ресурсов, хранящихся в органических веществах, таких как древесина, сельскохозяйственные культуры и животные отходы. Эти материалы сжигаются непосредственно для получения тепла или очищаются для создания алкогольного топлива, такого как этанол.

Но в отличие от некоторых других возобновляемых источников энергии, энергия биомассы не является чистой, так как при сжигании органического вещества производится большое количество углекислого газа. Однако можно компенсировать или устранить эту разницу, посадив быстрорастущие деревья и травы в качестве топлива. Ученые также экспериментируют с использованием бактерий для разрушения биомассы и получения водорода для использования в качестве топлива.

Одно интересное, но спорное альтернативное биотопливо включает в себя процесс, известный как тепловая конверсия. В отличие от обычного биотоплива тепловая конверсия может преобразовать практически любой тип органического вещества в высококачественную нефть с водой в качестве единственного побочного продукта. Однако еще предстоит выяснить, могут ли компании, запатентовавшие этот процесс, производить достаточно нефти для того, чтобы эта энергия будущего стала жизнеспособной альтернативой топливу.

Нефть

Некоторые называют это черным золотом. На этом основаны целые империи, из-за которых ведутся войны. Одна из причин, почему нефть или сырая нефть, так ценна, потому что она может быть преобразована в различные продукты, от керосина до пластика и асфальта. Является ли это источником энергии будущего горячо обсуждается.

Оценки того, сколько нефти осталось в земле, сильно различаются. Некоторые ученые прогнозируют, что запасы нефти достигнут пика, а затем быстро сократятся; другие считают, что будет открыто достаточно новых запасов для удовлетворения мировых энергетических потребностей в течение еще нескольких десятилетий.

Подобно углю и природному газу, нефть является относительно дешевой по сравнению с другим альтернативным топливом, но её использование связано с более высокими издержками экологического ущерба. Использование нефти производит большое количество углекислого газа, а разливы нефти могут повредить хрупкие экосистемы.

Ветер

Взяв концепцию ветряных мельниц на шаг дальше и выше, ученые хотят создавать электростанции в небе, плавающие в воздухе ветряные мельницы на высоте от 1000 метров. Устройство с винтами будет стабилизироваться на одном месте, а электричество будет подаваться на землю через кабель.

Энергия ветра в настоящее время составляет всего 0,1 процента от мирового спроса на электроэнергию. Это число, как ожидается, увеличится, поскольку ветер является одной из самых чистых форм энергии и может генерировать энергию до тех пор пока дует ветер.

Проблема, конечно, в том, что ветры не всегда дуют, и на ветроэнергетику нельзя полагаться, чтобы производить постоянное электричество. Существует также озабоченность по поводу того, что ветряные электростанции могут оказывать влияние на местную погоду таким образом, который еще предстоит полностью понять.[box type=»shadow» ] Ученые надеются, что поднятие ветряных мельниц в небо решит эти проблемы, так как ветры на высоте дуют гораздо сильнее и более постоянно на больших высотах.[/box]

Уголь

Уголь был топливом, которое привело в действие промышленную революцию, и с тех пор он играет все более важную роль в удовлетворении мировых энергетических потребностей. Главное преимущество угля в том, что его много. Достаточно, чтобы продержаться еще 200-300 лет при нынешних темпах потребления.

Пока свое обилие делает его очень экономичным, однако при горении уголь выпускает примеси серы и азота в воздух, который может совместиться с водой в атмосфере для того чтобы сформировать кислотный дождь. Сжигание угля также производит большое количество углекислого газа, который по мнению большинства климатологов, способствует глобальному потеплению. Серьезные усилия прилагаются, чтобы найти новые способы уменьшить отходы и побочные продукты добычи угля.

Солнечная энергия

Солнечная энергия не требует никакого дополнительного топлива и загрязнения не происходит. Солнечный свет можно концентрировать в виде тепла или преобразовать в электричество используя фотоэлектрический или фотовольтаический эффект через синхронизированные зеркала которые отслеживают движение солнца через небо. Ученые также разработали методы использования солнечной энергии будущего для замены газового двигателя нагревом водородного газа в резервуаре, который расширяется и приводит в движение генератор.

К недостаткам солнечной энергии можно отнести высокие начальные затраты, а также потребность в больших пространствах. Также для большинства альтернатив выход солнечной энергии будущего подвержен капризам загрязнения воздуха и погоды, которые могут блокировать солнечный свет.