Lai audzētu tādas sugas kā, tas prasa daudz enerģijas homo sapiens. Dažu pēdējo gadsimtu laikā šī suga ir parādījusies kā savstarpēji saistīta globāla klātbūtne tādā veidā, kas, cik zinātne zina, uz planētas vēl nekad nav bijis.
Cilvēkiem nepieciešamie enerģijas veidi ietver elektroenerģiju, lai darbinātu viņu mājas un rūpniecību, bioķīmisko enerģija, lai barotu viņu ķermeņus, un degošie resursi siltuma, transporta un rūpniecības vajadzībām ražošana.
Plašā mērogā Zemes spēja nodrošināt cilvēkiem nepieciešamo ir atkarīga no pieciem galvenajiem avotiem:
- Saule, tas milzu kodolsintēzes reaktors debesīs, enerģiju piegādā jotvattu secībā (1024 vati) 24 stundas diennaktī.
- Ūdens, kas ir svarīgi ne tikai dzīvībai, bet ko var izmantot arī enerģijas ražošanai.
- Smagums, noslēpumainais spēks, kas rada un iznīcina zvaigznes, ir atbildīgs par plūdmaiņām, un tas ūdeni pārvērš par pārveidojamas kinētiskās enerģijas avotu.
- Zemes kustības radīt ikdienas un sezonas temperatūras starpības, kas rada vēju un okeāna straumi, ko var pārveidot par elektrību.
- Radioaktivitāte ir dabisko smago elementu sabrukšana vieglākos, kā rezultātā izdalās radiācija. Radiācija rada siltumu, ko var izmantot elektrības ražošanai.
Turklāt svarīga enerģijas piegāde cilvēkiem tiek iegūta no sadalīšanās organismu ķermeņiem, kuri ir uzplaukuši un miruši visu mūžu laikā. Tomēr atšķirībā no iepriekš uzskaitītajiem resursiem šī piegāde ir ierobežota.
Fosilie kurināmie veicināja rūpniecisko revolūciju
Fosilais kurināmais, kas ietver naftu, dabasgāzi un ogles, faktiski ir vēl viens saules enerģijas veids. Pirms mūžiem dzīvie organismi pārveidoja saules gaismu un siltumu par oglekļa bāzes molekulām, kas veidoja viņu ķermeņus. Organismi nomira, un viņu ķermeņi iegrima dziļi zemē un okeānu dibenā. Mūsdienās enerģiju, kas ieslēgta šajās oglekļa saitēs, var atbrīvot, iegūstot to, par ko viņu atliekas pārvērtās, un sadedzinot.
Nafta un dabasgāze nāk no mikroskopiskā jūras planktona, kas dzīvoja pirms miljoniem gadu. Viņi nomira un nogrima okeānu dibenā, kur sadalīšanās un citi ķīmiskie procesi tos pārvērta vaskainā kerogēns un darvīgs bitumens. Galu galā okeāna gultnes izžuva, un šie materiāli tika aprakti zem klints un augsnes. Tie ir kļuvuši par izejvielām ražošanai, benzīnam, dīzeļdegvielai, petrolejai un daudziem citiem naftas produktiem.
Tradicionālais jēlnaftas iegūšanas veids no zemes ir urbšana, bet hidrauliskā šķelšana vai fracking, ir kļuvusi par bieži izmantotu moderno alternatīvu. Šajā procesā smilšu, ūdens un potenciāli bīstamu ķīmisku vielu maisījums tiek piespiests zemē, lai izspiestu naftu. Fracking ir dārgs process, un tam ir vairākas kaitīgas ietekmes uz pamatakmeni, ūdens slāni un apkārtējo gaisu.
Ogles nāk no sauszemes augiem, kas apmetās purvos un purvos un pārvērtās par kūdru. Kūdra sacietēja, izžūstot zemei, un galu galā to klāja citi gruveši. Spiediens to pārvērta par melnu, akmeņainu vielu, kas sadedzināta daudzās rūpniecības rūpnīcās un elektrostacijās. Tas viss sākās apmēram pirms 300 miljoniem gadu, kad dinozauri klīda pa zemi, taču pretēji izplatītajam mītam ogles nav sadalīti dinozauri.
Upes un straumi ir galvenais enerģijas avots
Tūkstošiem gadu cilvēki ir izmantojuši ūdens spēku, lai veiktu darbu, un fizikā darbs ir enerģijas sinonīms. Ūdens riteņi, kas novietoti netālu no strauta vai ūdenskrituma, ir izmantojuši enerģiju, kas rodas, pārvietojot ūdeni, graudu malšanai, kultūraugu apūdeņošanai, koku zāģēšanai un daudzu citu uzdevumu veikšanai. Līdz ar elektrības parādīšanos ūdens riteņi ir pārvērsti par spēkstacijām.
Ūdens turbīna ir hidroelektrostaciju sirds, un tā darbojas elektromagnētiskās indukcijas parādības dēļ, ko fiziķis Maikls Faradejs atklāja 1831. gadā. Faradejs atklāja, ka vērpšanas magnēts spoles iekšpusē vai vadošs vads rada elektrisko strāvu spolē un mazāk nekā 100 gadus vēlāk pirmais indukcijas ģenerators nonāca tiešsaistē Niagārā Kritieni.
Mūsdienās hidroelektrostacijas piegādā apmēram 6 procentus no visā pasaulē patērētās elektroenerģijas. Savukārt fosilā kurināmā sadedzināšana tvaika un vērpšanas turbīnu ražošanai rada gandrīz 60 procentus no visas pasaules elektroenerģijas. Lielāko hidroelektroenerģijas daļu rada aizsprosti, nevis ūdenskritumi.
Dambis, tāpat kā strauts vai ūdenskritums, ir atkarīgs no gravitācijas. Ūdens nonāk pārejā dambja augšpusē, plūst caur cauruli, kas palielina tās enerģiju, un pirms iziešanas dambja pamatnes tuvumā vērpj turbīnu. Divas no pasaules lielākajām hidroelektrostacijām ir Ķīnas trīs aizu aizsprosts, kas rada 22,5 gigavatus enerģijas, un Itaipu aizsprosts uz Brazīlijas / Paragvajas robežas, kas rada 14 GW. Lielākais aizsprosts Ziemeļamerikā ir Grand Coulee aizsprosts Vašingtonas štatā, kas rada tikai aptuveni 7 megavatus.
Arī okeāni ir nozīmīgi enerģijas resursi
Okeāni ir viens no pasaules nozīmīgākajiem enerģijas resursiem divu iemeslu dēļ. Pirmais ir tas, ka viņiem ir strāvas, kas kopā ar vējiem veido viļņus. Viļņus var pārvērst par elektrību. Tā kā tie ir temperatūras starpību rezultāts, ko izraisa saules siltums, viļņi un strāvas, kas tos veido, tehniski ir saules enerģijas veids.
Otrs enerģijas resurss okeānos ir plūdmaiņas, ko izraisa mēness un saules gravitācijas ietekme, kā arī pašas zemes kustības. Pastāv arī tehnoloģijas, lai plūdmaiņu enerģiju pārveidotu par elektrību.
Viļņu ģenerēšanas stacijas vēl nav mainstream, un prototips, kas tika izvietots pie Skotijas krastiem, rada tikai 0,5 MW. Pieejamās viļņu tehnoloģijas ietver:
- Pludiņi un bojas, kas paceļas un krīt uz viļņiem un rada enerģiju ar hidrauliskām ierīcēm.
- Svārstīgas ūdens kolonnas, kas ļauj ūdenim iekļūt kamerā un saspiest noslēgtu gaisu, kas pēc tam vērpj turbīnu.
- Konusveida kanālu sistēmas, kas ir saistītas ar krastu. Viņi novirza ūdeni paaugstinātos rezervuāros, un, kad ūdenim ir atļauts nokrist, tas griež turbīnu.
Plūdmaiņu elektrostacijas var izmantot ienākošo un izejošo plūdmaiņu jaudu, lai tieši vērptu turbīnas. Ūdens ir apmēram 800 reizes blīvāks par gaisu, tādēļ, ja turbīna tiek novietota okeāna dibenā, plūdmaiņu kustības rada ievērojamu jaudu to vērpšanai. Plūdmaiņu aizsprostu sistēmas tomēr ir izplatītākas.
Plūdmaiņu aizsprosts ir barjera, kas uzbūvēta pāri plūdmaiņu baseinam, kas ļauj ūdenim no augošā plūdmaiņas iekļūt, pēc tam aizverot un kontrolējot aizplūdi paisuma laikā. Lielākais šāds ģenerators ir Sihwa ezera plūdmaiņu elektrostacija Dienvidkorejā. Tas ģenerē apmēram 254 MW.
Tehnoloģija izmanto saules un vēja enerģiju
Divi no pazīstamākajiem veidiem, kā ražot elektrību tādā veidā, kas nepaļaujas uz fosilā kurināmā pazušanu un nerada piesārņojumu, ir vēja turbīnu vai fotoelementu paneļu izvietošana. Tā kā saule ir atbildīga par temperatūras starpībām, kas rada vēju, abi, stingri sakot, ir saules enerģijas veidi.
Vēja ģeneratori darbojas tāpat kā hidroelektriskie vai viļņu ģeneratori. Kad pūš vējš, tas griežas vārpstu, kas ar pārnesumiem savienota ar elektroenerģijas ģenerējošu indukcijas stila turbīnu. Mūsdienu turbīnas ir kalibrētas, lai nodrošinātu maiņstrāvu ar tādu pašu frekvenci kā parastā maiņstrāvas jauda, kas padara to pieejamu tūlītējai lietošanai. Vēja parki visā pasaulē piegādā gandrīz 5 procentus no visas pasaules elektroenerģijas.
Saules paneļi paļaujas uz fotoelementu efektu, kur saules starojums rada spriegumu daļēji vadošā materiālā. Spriegums rada līdzstrāvu, kas jāpārvērš maiņstrāvā, izlaižot to caur invertoru. Saules paneļi elektroenerģiju ražo tikai tad, kad ārā ir saule, tāpēc tos bieži izmanto, lai uzlādētu baterijas, kuras uzglabā enerģiju vēlākai izmantošanai.
Saules paneļi, iespējams, ir viena no pieejamākajām metodēm elektroenerģijas ražošanai, taču tie piegādā tikai nelielu daļu no pasaules elektroenerģijas - mazāk nekā 1 procentu.
Kodolenerģijas ražošana alternatīva fosilajiem kurināmajiem
Stingri sakot, kodola dalīšanās process nav dabiski sastopama parādība, bet tas nāk no dabas. Kodola skaldīšana tika izgudrota drīz pēc tam, kad zinātnieki spēja izprast atomu un radioaktivitātes dabisko parādību. Lai gan sākotnēji sadalīšanās tika izmantota bumbu izgatavošanai, pirmā atomelektrostacija tiešsaistē nonāca tikai trīs gadus pēc pirmās bumbas eksplodēšanas Trīsvienības vietā Ņūmeksikas tuksnesī.
Kontrolētas skaldīšanas reakcijas notiek visās pasaules atomelektrostacijās. Tas rada siltumu, lai vārītu ūdeni, kas rada tvaiku, kas nepieciešams elektrisko turbīnu darbināšanai. Kad sākusies skaldīšanās reakcija, lai to turpinātu bezgalīgi, ir nepieciešams maz degvielas.
Gandrīz 20 procentus no pasaules elektrības vajadzībām nodrošina kodolenerģijas ģeneratori. Sākotnēji uzskatīts par lētu praktiski neierobežotas enerģijas avotu, kodola skaldīšana ir nopietna trūkumi, no kuriem mazākais ir sabrukšanas iespēja un nekontrolēta kaitīgu vielu izdalīšanās starojums. Divas labi zināmas avārijas, viena Krievijas Černobiļas spēkstacijā un otra Japānas Fukušimā ir novērsuši šīs briesmas un padarījuši kodolenerģijas ražošanu mazāk pievilcīgu nekā reiz bija.
Geotermāla enerģija
Dziļi zemes garozas iekšpusē spiediens un temperatūra ir tik liela, ka tie sašķidrina akmeni izkausētā lavā. Šis pārkarsētais materiāls iet caur garozas vēnām, kas to laiku pa laikam virza tuvu virsmai. Vietas, kur tas notiek, var izmantot siltumu elektroenerģijas ražošanai un siltuma nodrošināšanai savām mājām. To sauc par ģeotermālo enerģiju, un dažos gadījumos to papildina zemē esošie radioaktīvie materiāli, kas arī rada siltumu.
Lai izmantotu ģeotermālo enerģiju, izstrādātāji urbj tuneli zemē piemērotā vietā un cirkulē ūdeni caur tuneli. Uzkarsētais ūdens nonāk virsmā kā tvaiks, kur to var izmantot tieši apkurei vai turbīnas vērpšanai. Dažos gadījumos siltums tiek pārnests no ūdens uz citu vielu ar zemāku viršanas temperatūru, piemēram, izobutānu, un iegūtie tvaiki griežas turbīnās.
Visvienkāršākajā veidā ģeotermālā enerģija ir nodrošinājusi dziedināšanu un komfortu dabiskajās spa un karstajos avotos tik ilgi, kamēr ir bijuši cilvēki, kas tos apmeklē. Japāna ir viena no ģeoloģiski aktīvākajām valstīm pasaulē, un tai ir liels dabisko karsto avotu tīkls un ilga mērcēšanas vēsture. Eksperti lēš, ka tam ir pietiekami daudz ģeotermālo resursu, lai nodrošinātu līdz pat 10 procentiem no elektrības vajadzībām, padarot tā ģeotermālo potenciālu trešo vietu pasaulē, atpaliekot tikai no Amerikas Savienotajām Valstīm un Indonēzija.
Cilvēkiem ir jāizdara izvēle
Daži resursi ir trausli un izzūd, un, pārveidojot tos par izmantojamu enerģiju, rodas piesārņotāji, kas maina planētas vidi. Pārējie resursi ir atkarīgi tikai no saules un planētu dinamikas, kas solās nemainīties nākamos miljardus gadu. Šajā brīdī cilvēcei ir steidzami jāizdara izvēle. Tās izdzīvošana var būt atkarīga no spējas īsā laika posmā pārslēgties no pirmās uz otro.