50k
Nieskończone źródło energii jest coraz bliżej. Co to takiego?
Ziemia to nie salon na szóstym piętrze w bloku na przedmieściach. Nie można jej przewietrzyć, nie można wynieść śmieci. Nie można pozbyć się toksycznych odpadów w taki sam sposób, w jaki niektórzy co rok pozbywają się świątecznej choinki.
‘What happens on Earth stays on Earth’.
I choć dotychczas ludzkość żyła w przeświadczeniu, że wszystko jest tymczasowe i ‘jakoś to będzie’, to w XXI wieku wiemy, że skończyło się zaciąganie od Ziemi kredytu. Czasu na ‘wychodzenie na zero’ też mamy coraz mniej. Naszym celem nie powinno być jedynie pozostawanie neutralnym, ale także dążenie do oczyszczenia planety z tego, co już się na niej znajduje.
Bezpieczna przyszłość, w której nie trzeba walczyć o wodę, a mieszkańcy nie mają problemów z zaspokojeniem podstawowych potrzeb życiowych, to niestety coraz bardziej odległa wizja. Naukowcy wciąż pracują nad technologiami, które nie będą obciążały Ziemi. Próbują coraz nowszych metod recyklingu, produkują materiały, które rozkładają się szybciej i są bezpieczniejsze. Zmiany widać również w transporcie i w energetyce. Coraz śmielej przesiadamy się do samochodów z napędem elektrycznym, a te na wodór powoli przestają być wymysłem kosmicznych technologii i znajdują zastosowanie w przemyśle i korporacjach. Na ten moment dysponujemy wieloma ekologicznymi rozwiązaniami, które jeszcze nie tak dawno uznawano za niewykonalne. Teraz są one możliwe do wykorzystania, ale w dalszym ciągu na tyle energochłonne, że ich ostateczny bilans jest negatywny. Najczęściej dzieje się tak dlatego, że korzystają z energii pochodzącej z węgla albo innych paliw.
Z jednej strony postępujący rozwój najnowszych technologii, z drugiej jednak pogłębiające się rozwarstwienie społeczne, świadomość, że w ciągu następnych stu lat wiele miast na wybrzeżach i państw wyspiarskich może zatonąć.
Czy czysta energii rozwiąże wszystkie problemy?
Najlepszym tego przykładem są samochody napędzane wodorem. Bez wahania można je nazwać jednym najbardziej ekologicznych środków transportu, jakie udało się skonstruować ludzkości. Co więcej, jeden z takich samochodów pobił ostatnio rekord Guinnessa w liczbie kilometrów przejechanych na pełnym baku. 5 i pół kilograma wodoru (które kosztuje około 220 zł) pozwoliło Toyocie Mirai na przejechanie 1360 kilometrów. I choć na ten moment infrastruktura stacji paliw wodorowych jest bardzo uboga (1360 km to akurat trasa na stację do Berlina i z powrotem), to nie ona jest największym problemem. Chodzi o sposób pozyskiwania wodoru. Ten powstaje w procesie elektrolizy, zachodzącym rzecz jasna przy wykorzystaniu energii elektrycznej. Transport paliwa, a późnej jego ponowna przemiana w energię elektryczną sprawiają, że wykorzystuje się około 40% początkowej energii. Jednak gdyby energia wykorzystywana do wytwarzania paliw była stuprocentowo czysta, dla samochodów z napędem wodorowym byłoby to jak 'nowe rozdanie’.
Podobnie wygląda kwestia odsalania wody. Pozyskiwanie słodkiej wody zdatnej do spożycia to proces pochłaniający olbrzymie ilości energii. Dlatego też na ten moment mogą sobie na niego pozwolić tylko państwa najbardziej zamożne. Albo te, które mają wystarczająco dużo energii pochodzącej np. ze źródeł odnawialnych. Obecnie odsalanie wody na szeroką skalę stosuje się głównie w Arabii Saudyjskiej i w Izraelu, ale także w Australii i na mniejszą skalę w USA.
Photo by Yuriy Vinnicov on Unsplash
Nie istnieje obecnie źródło energii, które można nazwać docelowym, czystym i wolnym od wad.
Nawet pozornie ‘czyste’ źródła energii nie są idealnym rozwiązaniem
Wszystkie rozwiązania, którymi się posługujemy mają jednak swoje wady. Na ten moment nie istnieje coś takiego jak źródło czystej energii, z którego ludzkość mogłaby bez obaw korzystać. Są co prawda źródła lepsze i gorsze, bo wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii jest oczywiście bardziej ekologiczne niż spalanie węgla. Ale odnawialne źródła energii po pierwsze wciąż nie są neutralne względem środowiska, a po drugie nie wszędzie mogą być wykorzystywane.
Pozornie czyste elektrownie wodne wykorzystujące prąd rzeki ingerują w jej bieg i przyczyniają się do zubożenia środowiska naturalnego. Powodują wymieranie występujących w nich gatunków. Poza tym, nie każde państwo dysponuje warunkami, w których tego typu konstrukcje byłyby opłacalne. Podobnie sprawa wygląda w przypadku elektrowni solarnych. Sprawdzają się w np. krajach pustynnych, ale są zależne od pogody, a ich infrastruktura jest droga. W wielu regionach świata słońca jest zbyt mało, żeby były opłacalne. Co więcej, nawet tam, gdzie – jak mogłoby się wydawać – warunki do korzystania z takich elektrowni są idealne, nie można mieć pewności, że zawsze będą one dostarczały jednakową ilość energii i że zawsze pokryją zapotrzebowanie energetyczne obszaru, za który odpowiadają. A magazynowanie takich ilości energii nie wchodzi w grę.
Natomiast źródła geotermalne, mimo że pozornie korzystne i bezpieczne dla środowiska, są trudno dostępne. W większości krajów, w których są stosowane, zaspokajają jedynie kilka procent zapotrzebowania energetycznego kraju. Jedyne państwa, które w znaczący sposób opierają się na tym źródle energii (choć i w ich przypadku to jedynie około 25 procent) to Islandia i Filipiny.
Pozostaje jeszcze atom. Z jednej strony – bezpieczne źródło czystej energii, które – jeżeli będzie odpowiednio zarządzane – stworzy mniejsze zagrożenie, niż choćby elektrownie węglowe. Co więcej, wiele krajów UE, w tym Polska, chcą uznania atomu za źródło zielonej energii. Z drugiej jednak strony wciąż jest to źródło pokrzywdzone i silnie napiętnowane. Związane z przykrymi skojarzeniami, których nie można zbić racjonalnymi argumentami. Przywodzi na myśl Czarnobyl, budzi lęk i opór, a próby wytłumaczenia, że katastrofę spowodowała nie sama technologia, a złe zarządzanie, na niewiele się zdają. Co więcej, jego użytkowanie wiąże się z koniecznością składowania odpadów radioaktywnych. A to wciąż podchodzi pod zaciąganie kredytu u naszej planety.
Z tego wszystkiego najlepszym rozwiązaniem zdaje się być wiatr. I aż chciałoby się zażartować, że przecież wieje wszędzie i każdego stać na wiatr, więc z tym źródłem energii nie powinno być problemów. Zwłaszcza, że wiele elektrowni wiatrowych może powstać w miejscach, w których wiatr jest raczej stały i przewidywalny, a do tego silniejszy. Mowa o elektrowniach wiatrowych na wybrzeżach, zarówno na lądzie, jak i na wodzie. Te drugie, choć oczywiście droższe w budowie i użytkowaniu, spłacają się szybciej i dostarczają więcej energii. Z drugiej jednak strony nawet to rozwiązanie nie jest idealne, bo w znaczący sposób wpływa na krajobraz oraz możliwości zamieszkiwania terenów w pobliżu elektrowni wiatrowych. Nie chodzi już nawet o deweloperów, którzy skarżą się na to, że działki budowlane w ich okolicach będą tańsze, bo wiatraki obniżają walory krajobrazowe. Problem jest znacznie bardziej poważny: wiatraki emitują niesłyszalne, ale szkodliwe dla ludzi fale dźwiękowe niskiej częstotliwości. Opisano nawet tzw. ‘Syndrom turbin wiatrowych’, którego odkrywczynią jest Nina Pierpont, amerykańska pediatrka. Twierdzi ona, że dźwięki o niskiej częstotliwości mogą oddziaływać na organizm tak, że wydaje mu się, że się porusza. I choć przebieg jej badań budzi wiele wątpliwości, a wyniki nie zostały oparte na rzetelnie zebranych materiałach (grupa kontrolna liczyła niecałe 40 osób), to inne organizacje potwierdzają, że wiatraki mogą być szkodliwe dla zdrowia. Loren Knopper i Christopher Ollson, kanadyjscy badacze zajmujący się m. in. wpływem środowiska na człowieka zaznaczają, że mieszkanie w bezpośrednim sąsiedztwie turbin wiatrowych może powodować irytację.
Photo by Dan Meyers on Unsplash
Reaktory fuzyjne to przyszłość zeroemisyjnej energetyki.
Słońce mogłoby świecić cały czas
Okazuje się jednak, że istnieje źródło energii, które jest odpowiedzią na bolączki wszystkich poprzednich. Jest jak Słońce na Ziemi, tylko że wielkości opony. Mowa o reaktorach fuzyjnych. Reaktory te działają na zasadzie kontrolowanej syntezy termojądrowej. Czyli: w kontrolowanych warunkach, pod wpływem bardzo wysokich temperatur w ich wnętrzach łączą się ze sobą jądra atomów wodoru i helu. Temperatura w reaktorze sięga od kilkunastu do nawet kilkuset milionów stopni Celsjusza. Jest tak wysoka, że atomy, które się w nim znajdują, przechodzą w czwarty stan skupienia i stają się plazmą. W wyniku fuzji (połączenia jąder atomów) wydzielają się bezpieczne dla klimatu, uboczne produkty reakcji oraz energia. Plazma, setki milionów stopni Celsjusza i ‘Słońce na Ziemi’. Brzmi niebezpiecznie? Wręcz przeciwnie w razie jakichkolwiek nieprzewidzianych okoliczności zamiast rosnąć, ilość energii maleje. Następnie dochodzi do schłodzenia plazmy i przerwania reakcji.
Paliwem dla reaktorów fuzyjnych są atomy wodoru pod postacią izotopów: deuteru (wodoru i dodatkowego elektronu) i trytu (wodoru z dwoma dodatkowymi elektronami). O ile tryt występuje na Ziemi bardzo rzadko, o tyle deuter można spotkać nawet w wodzie morskiej. Stąd właśnie wynika przewaga fuzji – paliwo można znaleźć absolutnie wszędzie.
Brzmi świetnie? Zgoda. Szkoda tylko, że dotychczas nie udawało się skonstruować reaktora z dodatnim bilansem energetycznym. Obecne modele zużywały więcej energii na osiągnięcie temperatury potrzebnej do wywołania wyżej opisanej reakcji, niż jej dostarczały. Procesy podobne do tych w reaktorach zachodzą np. na Słońcu. Z tym, że to, co na Słońcu (i wewnątrz innych gwiazd) zachodzi pod wpływem grawitacji, na Ziemi wymaga specjalnych warunków. A kontrolowane warunki, w których zachodzi reakcja, wymagają niezwykle specjalistycznego sprzętu. Najważniejszą częścią reaktora fuzyjnego są elektromagnesy, które sprawiają, ze plazma nie ma styczności z elementami urządzenia. To właśnie elektromagnesy były najbardziej problematycznym i najbardziej energochłonnym elementem reaktora. Przełom nastąpił na początku września tego roku za sprawą badaczy z MIT (Massachusetts Institute of Technology) i przedsiębiorstwa Commonwealth Fusion Systems. Wspólnie pracują nad prototypowym reaktorem nazywanym SPARC.
Commonwealth Fusion Systems to firma, która powstała w 2018 roku, a jej jedynym celem jest stworzenie działającego reaktora. Inżynierom z MIT i CFM udało się opracować nową wersję elektromagnesów, które zużywają znacznie mniej energii niż ich poprzednicy. Ten wynalazek sprawił, że udało się skonstruować pierwszy reaktor, który swoim działaniem wytworzył więcej energii, niż zużył. Co prawda była to różnica bardzo niewielka, ale ten fakt pozwala mieć nadzieję że prace nad tą technologią nabiorą rozpędu. Zwłaszcza, że jest to technologia kosztowna i w momencie, w którym nie było pewności, że ma przyszłość, państwa i korporacje wolały opierać się na już dostępnych źródłach energii. Obecnie najbardziej obiecującym projektem w tej dziedzinie jest ITER (‘International Thermonuclear Experimental Reactor’). Projekt ten został założony w 2007 roku i na ten moment angażuje aż 35 państw, które wspólnie działają nad rozwojem technologii związanych z fuzją. Już kilka miesięcy temu – jeszcze przed rewolucją dokonaną przez naukowców z MIT – zakończono prace nad fabryką, w której ma powstać reaktor. Ten z kolei miał zostać skonstruowany do 2025 roku. Czy najnowsze odkrycia przyspieszą pracę tą technologią i pomogą stworzyć pierwszy pełnoprawny reaktor fuzyjny? Tego dowiemy się w ciągu kilku najbliższych lat.
Photo by Hal Gatewood on Unsplash
Tekst: Michał Szyndler
