ما هي مصادر الطاقة الرئيسية على الأرض؟

يتطلب الأمر الكثير من الطاقة لرعاية أنواع مثل الانسان العاقل. في القرون القليلة الماضية ، ظهر هذا النوع كوجود عالمي مترابط بطريقة ، على حد علم العلم ، لم تحدث من قبل على هذا الكوكب.

تشمل أنواع الطاقة التي يحتاجها البشر الكهرباء لتشغيل منازلهم وصناعاتهم ، والكيمياء الحيوية الطاقة لتغذية أجسامهم والموارد القابلة للاحتراق للدفء والنقل والصناعة إنتاج.

على نطاق واسع ، تعتمد قدرة الأرض على توفير ما يحتاجه الإنسان على خمسة مصادر رئيسية:

• الشمس، مفاعل الاندماج العملاق في السماء ، يزود الطاقة بترتيب يوتاوات (10²⁴ واط) على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع.
• ماء، وهو ليس ضروريًا للحياة فحسب ، بل يمكن أيضًا تسخيره لإنتاج الطاقة.
• الجاذبية، القوة الغامضة التي تخلق النجوم وتدمرها ، هي المسؤولة عن المد والجزر ، وتحول الماء إلى مصدر للطاقة الحركية القابلة للتحويل.
• حركات الأرض إنشاء فروق درجات الحرارة اليومية والموسمية التي تولد الرياح والتيارات المحيطية التي يمكن تحويلها إلى كهرباء.
• النشاط الإشعاعي هو التحلل الطبيعي للعناصر الثقيلة إلى عناصر أخف وزناً مما ينتج عنه إطلاق إشعاع ، حيث ينتج الإشعاع حرارة يمكن استخدامها لتوليد الكهرباء.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم الحصول على مصدر طاقة مهم للبشر من الأجسام المتحللة للكائنات الحية التي ازدهرت وماتت عبر الدهور. على عكس الموارد المذكورة أعلاه ، فإن هذا العرض محدود.

الوقود الأحفوري ، والذي يشمل النفط والغاز الطبيعي والفحم ، هو في الواقع شكل آخر من أشكال الطاقة الشمسية. منذ زمن بعيد ، حولت الكائنات الحية ضوء الشمس والحرارة إلى جزيئات كربونية شكلت أجسامها. ماتت الكائنات الحية ، وغرقت أجسامها في أعماق الأرض وفي قيعان المحيطات. اليوم ، يمكن إطلاق الطاقة المحبوسة في روابط الكربون هذه عن طريق استعادة ما تم تحويله إلى بقاياها وحرقها.

يأتي النفط والغاز الطبيعي من العوالق البحرية المجهرية التي عاشت منذ ملايين السنين. ماتوا وغرقوا في قيعان المحيطات ، حيث تحولهم التحلل والعمليات الكيميائية الأخرى إلى شمعي الكيروجين وقطري القار. جفت قيعان المحيط في النهاية ، ودُفنت هذه المواد تحت الصخور والتربة. لقد أصبحت المواد الخام لصناعة البنزين ووقود الديزل والكيروسين ومجموعة من المنتجات البترولية الأخرى.

الطريقة التقليدية لاسترداد النفط الخام من الأرض هي عن طريق الحفر ، ولكن التكسير الهيدروليكي ، أو التكسير، أصبح بديلاً حديثًا يستخدم في كثير من الأحيان. في هذه العملية ، يتم دفع خليط من الرمل والماء والمواد الكيميائية التي يحتمل أن تكون خطرة إلى الأرض لتحل محل البترول. يعتبر التكسير الهيدروليكي عملية مكلفة ، وله عدد من الآثار الضارة على صخر الأساس ، و منسوب المياه و الهواء المحيط.

يأتي الفحم من النباتات الأرضية التي استقرت في المستنقعات والمستنقعات وتحولت إلى خث. تجمد الخث مع جفاف الأرض ، وتم تغطيته في النهاية بصخور أخرى. أدى الضغط إلى تحويله إلى مادة صخرية سوداء محترقة في العديد من المنشآت الصناعية ومحطات الطاقة. بدأ كل هذا في الحدوث منذ حوالي 300 مليون سنة ، عندما جابت الديناصورات الأرض ، ولكن على عكس الأسطورة الشائعة ، فإن الفحم ليس ديناصورات متحللة.

منذ آلاف السنين ، كان البشر يسخرون الطاقة المائية لأداء العمل ، وفي الفيزياء ، العمل مرادف للطاقة. استخدمت عجلات المياه الموضوعة بالقرب من مجرى أو شلال الطاقة المتولدة عن طريق نقل المياه لطحن الحبوب وري المحاصيل ونشارة الخشب والقيام بمجموعة من المهام الأخرى. مع ظهور الكهرباء ، تم تحويل عجلات المياه إلى محطات توليد الكهرباء.

التوربينات المائية هي قلب محطة توليد الطاقة الكهرومائية ، وهي تعمل بسبب ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي التي اكتشفها الفيزيائي مايكل فاراداي عام 1831. وجد فاراداي أن مغناطيسًا دوارًا داخل ملف أو سلك موصل يولد تيارًا كهربائيًا في الملف ، وبعد أقل من 100 عام ، بدأ المولد التعريفي الأول على الإنترنت في نياجرا السقوط.

اليوم ، توفر المحطات الكهرومائية حوالي 6 في المائة من الكهرباء المستهلكة في جميع أنحاء العالم. من ناحية أخرى ، فإن حرق الوقود الأحفوري لتوليد البخار وتوربينات الدوران ، يولد ما يقرب من 60 في المائة من الكهرباء في العالم. يتم توليد معظم الطاقة الكهرومائية عن طريق السدود وليس عن طريق الشلالات.

يعتمد السد ، مثل التيار أو الشلال ، على الجاذبية. يدخل الماء ممرًا أعلى السد ، ويتدفق عبر أنبوب يضخم طاقته ويدور التوربين قبل الخروج بالقرب من قاعدة السد. اثنان من أكبر السدود الكهرومائية في العالم هما سد الخوانق الثلاثة في الصين ، والذي يولد 22.5 جيجاوات من الطاقة ، وسد إيتايبو على الحدود البرازيلية / الباراغوايية ، والذي يولد 14 جيجاوات. أكبر سد في أمريكا الشمالية هو سد جراند كولي في ولاية واشنطن ، والذي يولد حوالي 7 ميغاوات فقط.

تعتبر المحيطات من أهم موارد الطاقة في العالم لسببين. الأول هو أن لديهم تيارات تشكل الأمواج بالتزامن مع الرياح. يمكن تحويل الأمواج إلى كهرباء. لأنها ناتجة عن الفروق في درجات الحرارة التي تسببها حرارة الشمس ، فإن الموجات والتيارات التي تشكلها هي من الناحية الفنية شكلاً من أشكال الطاقة الشمسية.

مصدر الطاقة الآخر في المحيطات هو المد والجزر ، والذي ينتج عن تأثيرات الجاذبية للقمر والشمس ، وكذلك عن طريق حركات الأرض نفسها. توجد أيضًا تقنيات لتحويل الطاقة في المد والجزر إلى كهرباء.

محطات توليد الأمواج ليست سائدة بعد ، والنموذج الأولي ، الذي تم نشره قبالة ساحل اسكتلندا ، يولد 0.5 ميجاوات فقط. تشمل تقنيات الموجات المتاحة ما يلي:

• العوامات والعوامات التي ترتفع وتنخفض على الأمواج وتولد الطاقة بالأجهزة الهيدروليكية.

• أعمدة المياه المتذبذبة ، والتي تسمح للماء بدخول الحجرة وضغط الهواء المغلق ، والذي بدوره يدور التوربينات.

• أنظمة القنوات المستدقة ، المرتبطة بالساحل. يقومون بتوجيه المياه إلى خزانات مرتفعة ، وعندما يُسمح للماء بالسقوط ، فإنه يدور التوربينات.

يمكن لمحطات طاقة المد والجزر استخدام قوة المد والجزر الواردة والصادرة لتدوير التوربينات مباشرة. الماء أكثر كثافة بنحو 800 مرة من الهواء ، لذلك إذا تم وضع التوربينات في قاع المحيط ، فإن حركات المد والجزر تولد طاقة كبيرة لتدويرها. ومع ذلك ، فإن أنظمة وابل المد والجزر أكثر شيوعًا.

وابل المد والجزر عبارة عن حاجز أقيم عبر حوض المد والجزر يسمح بدخول المياه من المد المرتفع ، ثم يغلق ويتحكم في التدفق الخارج على المد والجزر. أكبر مولد من هذا القبيل هو محطة كهرباء بحيرة Sihwa Lake Tidal في كوريا الجنوبية. يولد حوالي 254 ميغاواط.

هناك طريقتان من أشهر الطرق لتوليد الكهرباء بطريقة لا تعتمد على اختفاء الوقود الأحفوري ولا تسبب التلوث ، وهما استخدام توربينات الرياح أو الألواح الكهروضوئية. نظرًا لأن الشمس مسؤولة عن الفروق في درجات الحرارة التي تولد الرياح ، فإن كلاهما ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، أشكال من الطاقة الشمسية.

تعمل مولدات الرياح تمامًا مثل الطاقة الكهرومائية أو التي تعمل بالطاقة الموجية. عندما تهب الرياح ، تقوم بتدوير عمود متصل بواسطة التروس إلى توربين على غرار التوربينات الحثية المولدة للطاقة. تتم معايرة التوربينات الحديثة لتوفير تيار متناوب على نفس التردد مثل طاقة التيار المتردد التقليدية ، مما يجعلها متاحة للاستخدام الفوري. توفر مزارع الرياح في جميع أنحاء العالم ما يقرب من 5 في المائة من الكهرباء في العالم.

تعتمد الألواح الشمسية على التأثير الكهروضوئي ، حيث ينتج إشعاع الشمس جهدًا في مادة شبه موصلة. يخلق الجهد تيارًا مستمرًا يجب تحويله إلى تيار متردد عن طريق تمريره عبر العاكس. تولد الألواح الشمسية الكهرباء فقط عند غروب الشمس ، لذلك غالبًا ما تُستخدم لشحن البطاريات التي تخزن الطاقة لاستخدامها لاحقًا.

ربما تمثل الألواح الشمسية إحدى أكثر الطرق التي يمكن الوصول إليها لتوليد الكهرباء ، لكنها توفر فقط جزءًا صغيرًا من كهرباء العالم - أقل من 1 في المائة.

بالمعنى الدقيق للكلمة ، فإن عملية الانشطار النووي ليست ظاهرة تحدث بشكل طبيعي ، ولكنها تأتي من الطبيعة. تم اختراع الانشطار النووي بعد فترة وجيزة من تمكن العلماء من فهم الذرة والظاهرة الطبيعية للنشاط الإشعاعي. على الرغم من أن الانشطار كان يستخدم في الأصل لصنع القنابل ، فقد تم تشغيل أول محطة للطاقة النووية بعد ثلاث سنوات فقط من انفجار القنبلة الأولى في موقع ترينيتي في صحراء نيو مكسيكو.

تحدث تفاعلات الانشطار المتحكم به داخل جميع محطات الطاقة النووية في العالم. يولد الحرارة لغلي الماء ، مما ينتج البخار اللازم لتشغيل التوربينات الكهربائية. بمجرد أن يبدأ تفاعل الانشطار ، فإنه يحتاج إلى القليل من الوقود للاستمرار إلى أجل غير مسمى.

يتم تلبية ما يقرب من 20 في المائة من الاحتياجات الكهربائية في العالم بواسطة مولدات الطاقة النووية. يعتبر في الأصل مصدرًا رخيصًا للطاقة غير المحدودة تقريبًا ، والانشطار النووي خطير العيوب ، ليس أقلها احتمال الانهيار والإفراج غير المنضبط عن المواد الضارة إشعاع. حادثان مشهوران ، أحدهما في محطة تشيرنوبيل للطاقة الروسية والآخر في فوكوشيما اليابانية ، في تجنب هذه المخاطر وجعل إنتاج الطاقة النووية أقل جاذبية مما كان عليه من قبل كنت.

في أعماق القشرة الأرضية ، تكون الضغوط ودرجات الحرارة كبيرة جدًا لدرجة أنها تعمل على تحويل الصخور إلى حمم منصهرة. تتدفق هذه المادة شديدة الحرارة عبر الأوردة في القشرة التي توجهها أحيانًا بالقرب من السطح. يمكن للمجتمعات في المناطق التي يحدث فيها ذلك استخدام الحرارة لتوليد الكهرباء وتوفير الدفء لمنازلهم. وهذا ما يسمى الطاقة الحرارية الأرضية ، وفي بعض الحالات ، يتم زيادتها بواسطة المواد المشعة الموجودة في الأرض ، والتي تولد الحرارة أيضًا.

للاستفادة من الطاقة الحرارية الأرضية ، يقوم المطورون بحفر نفق في الأرض في موقع مناسب وتدوير المياه عبر النفق. يخرج الماء الساخن إلى السطح على شكل بخار ، حيث يمكن استخدامه مباشرة للتدفئة أو لتدوير التوربينات. في بعض الحالات ، تنتقل الحرارة من الماء إلى مادة أخرى ذات نقطة غليان منخفضة ، مثل الأيزوبيوتان ، ويدور البخار الناتج التوربينات.

في أبسط أشكالها ، وفرت الطاقة الحرارية الجوفية الشفاء والراحة في المنتجعات الطبيعية والينابيع الساخنة طالما كان هناك أشخاص يترددون عليها. تعد اليابان واحدة من أكثر الدول نشاطًا جيولوجيًا في العالم ، ولديها شبكة كبيرة من الينابيع الساخنة الطبيعية وتاريخ طويل من النقع. يقدر الخبراء أن لديها ما يكفي من موارد الطاقة الحرارية الأرضية لتلبية ما يصل إلى 10 في المائة من الكهرباء احتياجاته ، مما يجعل إمكاناته الحرارية الأرضية الثالثة في العالم ، بعد الولايات المتحدة فقط و إندونيسيا.

بعض الموارد هشة وتختفي ، وتحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام يخلق ملوثات تغير بيئة الكوكب. تعتمد الموارد الأخرى فقط على ديناميكيات الطاقة الشمسية والكواكب التي تعد بالبقاء دون تغيير خلال المليارات القليلة القادمة. في الوقت الحاضر ، لدى البشرية خيار عاجل يتعين عليه القيام به. قد يعتمد بقائها على قدرتها على تحويل اعتمادها من الأولى إلى الثانية في فترة قصيرة من الزمن.