Quali sono le principali fonti di energia sulla Terra?

Ci vuole molta energia per allevare una specie come homo sapiens. Negli ultimi secoli questa specie è emersa come una presenza globale interconnessa in un modo che, per quanto ne sa la scienza, non si è mai verificato prima sul pianeta.

I tipi di energia di cui gli esseri umani hanno bisogno includono elettricità per alimentare le loro case e industrie, biochimica energia per nutrire i loro corpi e risorse combustibili per il calore, i trasporti e l'industria produzione.

Su larga scala, la capacità della terra di fornire ciò di cui l'uomo ha bisogno dipende da cinque fonti principali:

• Il Sole, quel gigantesco reattore a fusione nel cielo, fornisce energia nell'ordine di yottawatt (10²⁴ watt) 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
• Acqua, che non è solo essenziale per la vita, ma che può essere sfruttato anche per la produzione di energia.
• Gravità, la forza misteriosa che crea e distrugge le stelle, è responsabile delle maree e trasforma l'acqua in una fonte di energia cinetica convertibile.
• I movimenti della terra
  creare differenziali di temperatura giornalieri e stagionali che generano venti e correnti oceaniche che possono essere convertiti in elettricità.
• Radioattività è il naturale decadimento degli elementi pesanti in elementi più leggeri con un conseguente rilascio di radiazioni, le radiazioni creano calore che può essere utilizzato per generare elettricità.

Inoltre, un'importante fonte di energia per l'uomo deriva dai corpi in decomposizione di organismi che sono fioriti e sono morti nel corso degli eoni. A differenza delle risorse sopra elencate, tuttavia, questa fornitura è limitata.

I combustibili fossili, che includono petrolio, gas naturale e carbone, sono in realtà un'altra forma di energia solare. Eoni fa, gli organismi viventi hanno convertito la luce e il calore del sole nelle molecole a base di carbonio che hanno formato i loro corpi. Gli organismi morirono e i loro corpi sprofondarono profondamente nel terreno e sul fondo degli oceani. Oggi, l'energia racchiusa in quei legami di carbonio può essere rilasciata recuperando ciò in cui si sono trasformati i loro resti e bruciandoli.

Il petrolio e il gas naturale provengono dal microscopico plancton marino vissuto milioni di anni fa. Morirono e sprofondarono nel fondo degli oceani, dove la decomposizione e altri processi chimici li trasformarono in cerosi cherogeno e indugiare bitume. I fondali oceanici alla fine si sono asciugati e questi materiali sono stati sepolti sotto roccia e terra. Sono diventati le materie prime per la produzione di benzina, gasolio, cherosene e una miriade di altri prodotti petroliferi.

Il modo tradizionale per recuperare il petrolio greggio dal terreno è la perforazione, ma la fratturazione idraulica, o fracking, è diventata un'alternativa moderna spesso utilizzata. In questo processo, una miscela di sabbia, acqua e sostanze chimiche potenzialmente pericolose viene forzata nel terreno per spostare il petrolio. Il fracking è un processo costoso e ha una serie di effetti deleteri sul substrato roccioso, sulla falda freatica e sull'aria circostante.

Il carbone proviene da piante terrestri che si sono insediate in paludi e paludi e si sono trasformate in torba. La torba si è solidificata quando il terreno si è asciugato e alla fine è stato coperto da rocce e altri detriti. La pressione lo trasformò nella sostanza nera e rocciosa bruciata in molti impianti industriali e centrali elettriche. Tutto questo iniziò ad accadere circa 300 milioni di anni fa, quando i dinosauri vagavano per la terra, ma contrariamente al mito popolare, il carbone non è un dinosauro decomposto.

Per millenni, gli esseri umani hanno sfruttato l'energia idrica per svolgere il lavoro e, in fisica, il lavoro è sinonimo di energia. Ruote idrauliche posizionate vicino a un ruscello oa una cascata hanno utilizzato l'energia generata dal movimento dell'acqua per macinare il grano, irrigare i raccolti, segare il legno e svolgere una serie di altri compiti. Con l'avvento dell'elettricità, le ruote idrauliche sono state trasformate in centrali elettriche.

La turbina idraulica è il cuore di una centrale idroelettrica e funziona grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, scoperto dal fisico Michael Faraday nel 1831. Faraday ha scoperto che un magnete rotante all'interno di una bobina o di un filo conduttore genera una corrente elettrica nella bobina, e meno di 100 anni dopo, il primo generatore di induzione è entrato in funzione a Niagara Cascate.

Oggi le centrali idroelettriche forniscono circa il 6% dell'elettricità consumata in tutto il mondo. La combustione di combustibili fossili per generare vapore e turbine rotanti, d'altra parte, genera quasi il 60 percento dell'elettricità mondiale. La maggior parte dell'energia idroelettrica è generata da dighe, non da cascate.

Una diga, come un ruscello o una cascata, dipende dalla gravità. L'acqua entra in un passaggio nella parte superiore della diga, scorre attraverso un tubo che amplifica la sua energia e fa girare una turbina prima di uscire vicino alla base della diga. Due delle più grandi dighe idroelettriche del mondo sono la diga delle Tre Gole in Cina, che genera 22,5 gigawatt di energia e la diga di Itaipu al confine tra Brasile e Paraguay, che genera 14 GW. La più grande diga del Nord America è la Grand Coulee Dam nello stato di Washington, che genera solo circa 7 megawatt.

Gli oceani sono una delle risorse energetiche più importanti del mondo per due ragioni. Il primo è che hanno correnti che, insieme ai venti, formano onde. Le onde possono essere trasformate in elettricità. Poiché sono il risultato di differenze di temperatura causate dal calore del sole, le onde e le correnti che le formano sono tecnicamente una forma di energia solare.

L'altra risorsa energetica negli oceani sono le maree, che sono causate dalle influenze gravitazionali della luna e del sole, nonché dai movimenti della terra stessa. Esistono anche tecnologie per convertire l'energia delle maree in elettricità.

Le stazioni di generazione delle onde non sono ancora mainstream e il prototipo, che è stato distribuito al largo della costa scozzese, genera solo 0,5 MW. Le tecnologie wave disponibili includono:

• Galleggianti e boe, che salgono e scendono sulle onde e generano potenza con dispositivi idraulici.

• Colonne d'acqua oscillanti, che consentono all'acqua di entrare in una camera e comprimere l'aria racchiusa, che poi fa girare una turbina.

• Sistemi di canali rastremati, che sono legati alla riva. Incanalano l'acqua in serbatoi elevati e quando l'acqua viene lasciata cadere, fa girare una turbina.

Le centrali di marea possono utilizzare la potenza delle maree in entrata e in uscita per far girare direttamente le turbine. L'acqua è circa 800 volte più densa dell'aria, quindi se una turbina viene posizionata sul fondo dell'oceano, i movimenti di marea generano una potenza significativa per farla girare. I sistemi di sbarramento di marea sono più comuni, tuttavia.

Uno sbarramento di marea è una barriera eretta attraverso un bacino di marea che consente all'acqua della marea crescente di entrare, quindi si chiude e controlla il deflusso sulla marea calante. Il più grande generatore di questo tipo è la Sihwa Lake Tidal Power Station in Corea del Sud. Genera circa 254 MW.

Due dei modi più noti per generare elettricità in un modo che non si basi sulla scomparsa dei combustibili fossili e non crei inquinamento sono l'impiego di turbine eoliche o pannelli fotovoltaici. Poiché il sole è responsabile delle differenze di temperatura che creano il vento, entrambi sono, in senso stretto, forme di energia solare.

I generatori eolici funzionano proprio come quelli idroelettrici o alimentati dalle onde. Quando il vento soffia, fa girare un albero che è collegato da ingranaggi a una turbina a induzione che genera energia. Le moderne turbine sono calibrate per fornire corrente alternata alla stessa frequenza della corrente alternata convenzionale, il che la rende disponibile per l'uso immediato. I parchi eolici di tutto il mondo forniscono quasi il 5% dell'elettricità mondiale.

I pannelli solari si basano sull'effetto fotovoltaico, per cui la radiazione solare crea una tensione in un materiale semiconduttore. La tensione crea corrente continua che deve essere convertita in corrente alternata facendola passare attraverso un inverter. I pannelli solari generano elettricità solo quando c'è il sole, quindi vengono spesso utilizzati per caricare le batterie, che immagazzinano l'energia per un uso successivo.

I pannelli solari rappresentano forse uno dei metodi più accessibili per generare elettricità, ma forniscono solo una piccola frazione dell'elettricità mondiale, meno dell'1%.

A rigor di termini, il processo di fissione nucleare non è un fenomeno naturale, ma proviene dalla natura. La fissione nucleare è stata inventata subito dopo che gli scienziati sono stati in grado di comprendere l'atomo e il fenomeno naturale della radioattività. Sebbene la fissione fosse originariamente utilizzata per produrre bombe, la prima centrale nucleare è entrata in funzione appena tre anni dopo l'esplosione della prima bomba nel sito di Trinity nel deserto del New Mexico.

All'interno di tutte le centrali nucleari del mondo si verificano reazioni di fissione controllata. Genera calore per far bollire l'acqua, che produce il vapore necessario per azionare le turbine elettriche. Una volta avviata una reazione di fissione, ha bisogno di poco carburante per continuare indefinitamente.

Quasi il 20% del fabbisogno elettrico mondiale è soddisfatto da generatori di energia nucleare. Originariamente considerata una fonte economica di energia virtualmente illimitata, la fissione nucleare ha gravi conseguenze inconvenienti, non ultimo dei quali è la possibilità di fusione e il rilascio incontrollato di sostanze nocive radiazione. Due incidenti ben noti, uno alla centrale elettrica di Chernobyl in Russia e un altro a Fukushima in Giappone impianto, hanno ovviato a questi pericoli e reso la produzione di energia nucleare meno attraente di una volta era.

Nel profondo della crosta terrestre, le pressioni e le temperature sono così grandi da liquefare la roccia in lava fusa. Questo materiale surriscaldato scorre attraverso le vene della crosta che occasionalmente lo dirigono vicino alla superficie. Le comunità nelle aree in cui ciò si verifica possono utilizzare il calore per generare elettricità e per fornire calore alle loro case. Questa è chiamata energia geotermica e, in alcuni casi, è aumentata da materiali radioattivi nel terreno, che generano anche calore.

Per utilizzare l'energia geotermica, gli sviluppatori scavano un tunnel nella terra in un sito adatto e fanno circolare l'acqua attraverso il tunnel. L'acqua riscaldata arriva in superficie sotto forma di vapore, dove può essere utilizzata direttamente per il riscaldamento o per far girare una turbina. In alcuni casi, il calore viene trasferito dall'acqua ad un'altra sostanza con un punto di ebollizione più basso, come l'isobutano, e il vapore risultante fa girare le turbine.

Nella sua forma più semplice, l'energia geotermica ha fornito guarigione e conforto alle terme naturali e alle sorgenti termali da quando ci sono state persone che le frequentano. Il Giappone è uno dei paesi geologicamente più attivi al mondo e ha una vasta rete di sorgenti termali naturali e una lunga storia di ammollo. Gli esperti stimano che disponga di risorse geotermiche sufficienti per soddisfare fino al 10% della sua elettricità esigenze, rendendo il suo potenziale geotermico terzo al mondo, dietro solo agli Stati Uniti e Indonesia.

Alcune risorse sono fragili e stanno scomparendo e la loro conversione in energia utilizzabile crea sostanze inquinanti che alterano l'ambiente planetario. Altre risorse dipendono solo dalle dinamiche solari e planetarie che promettono di rimanere invariate per i prossimi miliardi di anni. Nel momento presente, l'umanità ha una scelta urgente da fare. La sua stessa sopravvivenza può dipendere dalla sua capacità di passare dalla prima alla seconda in un breve periodo di tempo.