מהם מקורות האנרגיה העיקריים על פני כדור הארץ?

נדרש אנרגיה רבה כדי לטפח מינים כגון הומו סאפיינס. במאות האחרונות המין הזה התגלה כנוכחות גלובלית מקושרת באופן, ככל הידוע למדע, מעולם לא התרחש בעבר על פני כדור הארץ.

סוגי האנרגיה שבני האדם זקוקים להם כוללים חשמל להפעלת בתיהם ותעשיותיהם, ביוכימיים אנרגיה להזנת גופם ומשאבים דליקים לחום, תחבורה ותעשייה הפקה.

בקנה מידה רחב, היכולת של כדור הארץ לספק את מה שבני האדם צריכים תלויה בחמישה מקורות עיקריים:

• השמש, אותו כור היתוך ענק בשמיים, מספק אנרגיה בסדר יוטוואטים (10²⁴ ואט) על בסיס 24/7.
• מים, שהוא לא רק חיוני לחיים, אלא שניתן לרתום אותו גם לייצור אנרגיה.
• כוח משיכה, הכוח המסתורי שיוצר והורס כוכבים, אחראי על הגאות והשפל, והוא הופך את המים למקור של אנרגיה קינטית הניתנת להמרה.
• תנועות כדור הארץ ליצור הפרשי טמפרטורה יומיים ועונתיים המייצרים רוחות וזרמי ים אשר ניתנים להמרה לחשמל.
• רדיואקטיבי הוא הריקבון הטבעי של אלמנטים כבדים לקלילים יותר עם שחרור קרינה כתוצאה מכך. הקרינה יוצרת חום שניתן להשתמש בהם לייצור חשמל.

בנוסף, אספקת אנרגיה חשובה לבני אדם נגזרת מגופם המתפרק של אורגניזמים שפרחו ומתו לאורך כל העידנים. בניגוד למשאבים המפורטים לעיל, עם זאת, היצע זה מוגבל.

דלקים מאובנים, הכוללים נפט, גז טבעי ופחם, הם למעשה סוג אחר של אנרגיה סולארית. לפני עידנים, אורגניזמים חיים המירו את אור השמש והחום למולקולות על בסיס פחמן שיצרו את גופן. האורגניזמים מתו, וגופם שקע עמוק באדמה ולתחתית האוקיאנוסים. כיום, האנרגיה הנעולה באותם קשרי פחמן יכולה להשתחרר על ידי אחזור מה שהפך שרידיהם ושריפתם.

נפט וגז טבעי מקורם בפלנקטון ים מיקרוסקופי שחי לפני מיליוני שנים. הם מתו ושקעו לקרקעית האוקיאנוסים, שם הפירוק ותהליכים כימיים אחרים הפכו אותם לשעווה קרוגן ולזמן בִּיטוּמֵן. מיטות האוקיאנוס התייבשו בסופו של דבר, וחומרים אלה נקברו מתחת לסלע ואדמה. הם הפכו לחומרי הגלם לייצור, בנזין, סולר, נפט ושלל מוצרי נפט אחרים.

הדרך המסורתית לשלוף נפט גולמי מהקרקע היא קידוח, אך שבר הידראולי, או fracking, הפך לחלופה מודרנית לעתים קרובות. בתהליך זה, תערובת של חול, מים וכימיקלים שעלולים להיות מסוכנים נאלצים לקרקע כדי לעקור את הנפט. פריקינג הוא תהליך יקר, ויש לו מספר השפעות מזיקות על הסלע, שולחן המים והאוויר שמסביב.

הפחם מגיע מצמחים יבשתיים שהתמקמו בביצות וביצות והפכו לכבול. הכבול התמצק כאשר האדמה התייבשה, ובסופו של דבר הוא מכוסה על ידי סלעים פסולת אחרת. הלחץ הפך אותו לחומר השחור והסלעי שנשרף במפעלי תעשייה ותחנות כוח רבים. כל זה התחיל להתרחש לפני כ -300 מיליון שנה, כאשר הדינוזאורים הסתובבו על פני האדמה, אך בניגוד למיתוס הפופולרי, פחם אינו דינוזאורים מפורקים.

במשך אלפי שנים, בני האדם רותמים את כוח המים לצורך ביצוע עבודות, ובפיזיקה, עבודה היא שם נרדף לאנרגיה. גלגלי מים המוצבים ליד נחל או מפל השתמשו באנרגיה הנוצרת על ידי העברת מים לצורך טחינת תבואה, השקיית יבולים, ניסור עץ וביצוע שלל משימות אחרות. עם כניסת החשמל הפכו גלגלי מים לתחנות כוח.

טורבינת המים היא הלב של תחנת ייצור חשמל הידרואלקטרית, והיא פועלת בגלל תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית, שהתגלה על ידי הפיזיקאי מיכאל פאראדיי בשנת 1831. פאראדיי מצא כי מגנט מסתובב בתוך סליל או חוט מוליך מייצר זרם חשמלי בסליל, ופחות ממאה שנה לאחר מכן, מחולל האינדוקציה הראשון הגיע לרשת בניאגרה נפילות.

כיום, מפעלים הידרואלקטיים מספקים כ- 6 אחוזים מהחשמל הנצרך ברחבי העולם. שריפת דלקים מאובנים לייצור קיטור וטורבינות סיבוב, לעומת זאת, מייצרת כמעט 60 אחוז מהחשמל בעולם. רוב הכוח ההידרואלקטרי נוצר על ידי סכרים, ולא על ידי מפלים.

סכר, כמו נחל או מפל, תלוי בכוח המשיכה. המים נכנסים למעבר בראש הסכר, זורמים דרך צינור המגדיל את האנרגיה שלו ומסתובב טורבינה לפני היציאה ליד בסיס הסכר. שניים מהסכרים ההידרואלקטריים הגדולים בעולם הם סכר שלושת הערוצים בסין, המייצר 22.5 גיגה-ואט אנרגיה וסכר איטאיפו בגבול ברזיל / פרגוואי, המייצר 14 גוואט. הסכר הגדול ביותר בצפון אמריקה הוא סכר Grand Coulee במדינת וושינגטון, המפיק כ- 7 מגה וואט בלבד.

האוקיאנוסים הם אחד ממקורות האנרגיה החשובים בעולם משתי סיבות. הראשון הוא שיש להם זרמים, אשר יחד עם הרוחות, יוצרים גלים. ניתן להפוך גלים לחשמל. מכיוון שהם תוצאה של הפרשי טמפרטורה הנגרמים על ידי חום השמש, הגלים והזרמים שיוצרים אותם הם מבחינה טכנית סוג של אנרגיה סולארית.

משאב האנרגיה האחר באוקיאנוסים הוא הגאות והשפל, שנגרמת על ידי השפעות הכבידה של הירח והשמש, כמו גם מתנועות כדור הארץ עצמו. קיימות טכנולוגיות להמרת האנרגיה בגאות והשפל לחשמל.

תחנות ייצור גל אינן עדיין מיינסטרים, והאב-טיפוס, שנפרס מול חופי סקוטלנד, מייצר 0.5 מגה-ווט בלבד. טכנולוגיות הגל הזמינות כוללות:

• צפים ומצופים, שעולים ויורדים על הגלים ומייצרים כוח עם מכשירים הידראוליים.

• עמודי מים מתנדנדים, המאפשרים למים להיכנס לתא ולדחוס אוויר סגור, שמסתובב אחר כך טורבינה.

• מערכות תעלות מחודדות, אשר קשורות לחוף. הם מתעלים מים למאגרים מוגבהים, וכאשר מותר למים ליפול הם מסתובבים טורבינת.

תחנות כוח גאות ושפל יכולות להשתמש בכוחן של הגאות והשפל הנכנסות כדי לסובב ישירות טורבינות. המים צפופים פי 800 יותר מאוויר, כך שאם מונחת טורבינה על קרקעית האוקיינוס, תנועות הגאות והשפל מייצרות כוח משמעותי לסובב אותן. מערכות מטח גאות נפוצות יותר, עם זאת.

מטח גאות ושפל הוא מחסום שהוקם על פני אגן הגאות המאפשר כניסת מים מהגאות, ואז סוגר ושולט בזרימת הגאות. הגנרטור הגדול ביותר הוא תחנת הכוח Sihwa Lake Tidal בדרום קוריאה. זה מייצר כ 254 מגה-וואט.

שתיים מהדרכים הידועות ביותר לייצר חשמל באופן שאינו מסתמך על דלקים מאובנים שנעלמים ואינה יוצרת זיהום הן פריסת טורבינות רוח או לוחות פוטו-וולטאיים. מכיוון שהשמש אחראית על הפרשי הטמפרטורה שיוצרים רוח, שניהם הם, למהדרין, צורות של אנרגיה סולארית.

מחוללי רוח עובדים בדיוק כמו הידרואלקטריים או מונעים על ידי גל. כאשר הרוח נושבת, היא מסובבת פיר המחובר באמצעות הילוכים לטורבינה בסגנון אינדוקציה. טורבינות מודרניות מכוילות על מנת לספק זרם זרם חילופין באותה תדר כמו הספק רגיל, מה שהופך אותו לזמין לשימוש מיידי. חוות רוח ברחבי העולם מספקות כמעט 5 אחוזים מהחשמל בעולם.

פאנלים סולאריים מסתמכים על האפקט הפוטו וולטאי, לפיו קרינת השמש יוצרת מתח בחומר מוליך למחצה. המתח יוצר זרם DC שיש להמיר אותו לזרם זרם על ידי העברתו דרך מהפך. פאנלים סולאריים מייצרים חשמל רק כאשר השמש בחוץ, ולכן הם משמשים לעתים קרובות לטעינת סוללות, המאחסנות את הכוח לשימוש מאוחר יותר.

פאנלים סולאריים הם אולי אחת השיטות הנגישות ביותר לייצור חשמל, אך הם מספקים רק חלק קטן מהחשמל בעולם - פחות מאחוז אחד.

באופן קפדני, תהליך הביקוע הגרעיני אינו תופעה המתרחשת באופן טבעי, אך הוא בא מהטבע. ביקוע גרעיני הומצא זמן קצר לאחר שהמדענים הצליחו להבין את האטום ואת תופעת הטבע של רדיואקטיביות. אף על פי שבמקור שימש ביקוע לייצור פצצות, תחנת הכוח הגרעינית הראשונה הגיעה לרשת רק שלוש שנים לאחר התפוצצות הפצצה הראשונה באתר טריניטי במדבר ניו מקסיקו.

תגובות ביקוע מבוקרות מתרחשות בכל תחנות הכוח הגרעיניות בעולם. הוא מייצר חום לרתיחת מים, המייצרים את האדים הדרושים להפעלת טורבינות חשמליות. ברגע שמתחילה תגובת ביקוע, הוא זקוק למעט דלק כדי להמשיך ללא הגבלת זמן.

כמעט 20 אחוזים מהצרכים החשמליים בעולם מספקים מחוללי כוח גרעיניים. במקור נחשב למקור זול של כוח בלתי מוגבל כמעט, וביקוע גרעיני הוא חמור חסרונות, לא פחות מכך הם האפשרות להתמוסס ולשחרור בלתי מבוקר של מזיקים קְרִינָה. שתי תאונות ידועות, אחת בתחנת הכוח בצ'רנוביל ברוסיה ואחת בפוקושימה ביפן המתקן, מינו את הסכנות הללו והפכו את ייצור הכוח הגרעיני לאטרקטיבי פחות מכפי שפעם היה.

עמוק בתוך קרום כדור הארץ הלחצים והטמפרטורות כה גדולים שהם מנזלים סלע לבה מותכת. חומר זה מחומם יתר על המידה דרך ורידים בקרום שמדי פעם מכוונים אותו אל פני השטח. קהילות באזורים שבהם זה מתרחש יכולות להשתמש בחום כדי לייצר חשמל ולספק חום לבתיהם. זה נקרא אנרגיה גיאותרמית, ובמקרים מסוימים הוא מוגבר על ידי חומרים רדיואקטיביים בקרקע, המייצרים גם חום.

כדי להשתמש באנרגיה גיאותרמית, קודחים מפתחים מנהרה לאדמה באתר מתאים ומזרים מים דרך המנהרה. המים המחוממים מגיעים אל פני השטח כקיטור, שם ניתן להשתמש בהם ישירות לחימום או לסיבוב טורבינה. בחלק מהמקרים, החום מועבר מהמים לחומר אחר עם נקודת רתיחה נמוכה יותר, כמו איזובוטאן, והאדי המתקבל מסובב את הטורבינות.

בצורתו הפשוטה ביותר, האנרגיה הגיאותרמית סיפקה ריפוי ונוחות בספא הטבעי ובמעיינות החמים כל עוד היו אנשים שפוקדים אותם. יפן היא אחת המדינות הפעילות ביותר מבחינה גיאולוגית בעולם, ויש לה רשת גדולה של מעיינות חמים טבעיים והיסטוריה ארוכה של השרייה. מומחים מעריכים שיש לה מספיק משאבים גיאותרמיים כדי לעמוד בעד 10 אחוזים מהחשמל שלה הצרכים, מה שהופך את הפוטנציאל הגיאותרמי שלו לשלישי בעולם, רק מאחורי ארצות הברית ו אִינדוֹנֵזִיָה.

חלק מהמשאבים שבירים ונעלמים, והמרתם לאנרגיה שמישה יוצרת מזהמים המשנים את הסביבה הפלנטרית. משאבים אחרים תלויים רק בדינמיקה סולארית ופלנטרית שמבטיחים להישאר ללא שינוי במיליארדי השנים הקרובות. ברגע הנוכחי, לאנושות יש לבחור דחוף. עצם הישרדותה עשויה להיות תלויה ביכולתה להחליף את הסתמכותה מהראשונה לאחרת בפרק זמן קצר.