Hva er de viktigste energikildene på jorden?

Det tar mye energi å pleie en art som homo sapiens. I løpet av de siste århundrene har denne arten dukket opp som en sammenkoblet global tilstedeværelse på en måte som, så vidt vitenskapen vet, aldri har skjedd før på planeten.

De typer energi mennesker trenger inkluderer strøm til å drive sine hjem og næringer, biokjemisk energi til å mate kroppene og brennbare ressurser for varme, transport og industri produksjon.

I bred skala avhenger jordens evne til å gi det menneskene trenger av fem hovedkilder:

• Solen, den gigantiske fusjonsreaktoren på himmelen, tilfører energi i størrelsesorden yottawatt (10²⁴ watt) døgnet rundt.
• Vann, som ikke bare er viktig for livet, men som også kan utnyttes for energiproduksjon.
• Tyngdekraft, den mystiske kraften som skaper og ødelegger stjerner, er ansvarlig for tidevann, og det gjør vann til en kilde til konvertibel kinetisk energi.
• Jordens bevegelser lage daglige og sesongmessige temperaturforskjeller som genererer vind og havstrømmer som kan konverteres til elektrisitet.
• Radioaktivitet er det naturlige forfallet av tunge elementer til lettere med en resulterende frigjøring av stråling. Strålingen skaper varme som kan brukes til å generere elektrisitet.

I tillegg kommer en viktig energiforsyning for mennesker fra de nedbrytende kroppene til organismer som har blomstret og døde gjennom evighetene. I motsetning til ressursene som er oppført ovenfor, er denne tilbudet imidlertid begrenset.

Fossile brensler, som inkluderer olje, naturgass og kull, er faktisk en annen form for solenergi. For mange år siden konverterte levende organismer solens lys og varme til de karbonbaserte molekylene som dannet kroppene deres. Organismene døde, og kroppene deres sank dypt i bakken og til havets bunn. I dag kan energien som er låst i disse karbonbindingene frigjøres ved å hente det som restene ble omgjort til og brenne dem.

Olje og naturgass kommer fra mikroskopisk sjøplankton som levde for millioner av år siden. De døde og sank til bunnen av havene, hvor nedbrytning og andre kjemiske prosesser gjorde dem til voksagtige kerogen og bli bitumen. Havbunnen tørket til slutt ut, og disse materialene ble begravet under stein og jord. De har blitt råvarene til produksjon, bensin, diesel, parafin og en rekke andre petroleumsprodukter.

Den tradisjonelle måten å hente råolje fra bakken er ved å bore, men hydraulisk brudd, eller fracking, har blitt et ofte brukt moderne alternativ. I denne prosessen blir en blanding av sand, vann og potensielt farlige kjemikalier tvunget i bakken for å fortrenge petroleum. Fracking er en kostbar prosess, og det har en rekke skadelige effekter på berggrunnen, vannbordet og luften rundt.

Kull kommer fra landplanter som bosatte seg i myr og sump og ble til torv. Torven stivnet etter hvert som bakken tørket ut, og den ble til slutt dekket av andre steiner. Trykket gjorde det til det svarte, steinete stoffet som ble brent i mange industrianlegg og kraftstasjoner. Alt dette begynte å skje for 300 millioner år siden, da dinosaurer streifet rundt på jorden, men i motsetning til populær myte blir ikke kull nedbrutt dinosaurer.

I årtusener har mennesker utnyttet vannkraft for å utføre arbeid, og i fysikk er arbeid synonymt med energi. Vannhjul plassert i nærheten av en bekk eller et fossefall har brukt energien som genereres ved å flytte vann til å frese korn, vanne avlinger, sage ved og gjøre en rekke andre oppgaver. Med fremkomsten av elektrisitet har vannhjul blitt omgjort til kraftverk.

Vannturbinen er hjertet til en vannkraftverk, og den fungerer på grunn av fenomenet elektromagnetisk induksjon, oppdaget av fysikeren Michael Faraday i 1831. Faraday fant ut at en roterende magnet inne i en spole eller ledningstråd genererer en elektrisk strøm i spolen, og mindre enn 100 år senere, kom den første induksjonsgeneratoren online på Niagara Faller.

I dag leverer vannkraftanlegg omtrent 6 prosent av strømmen som forbrukes over hele verden. Brenning av fossilt brensel for å generere damp og spinnturbiner genererer derimot nesten 60 prosent av verdens elektrisitet. Mest vannkraft genereres av demninger, ikke av fosser.

En demning, som en bekk eller foss, avhenger av tyngdekraften. Vannet kommer inn i en passasje på toppen av demningen, strømmer gjennom et rør som forstørrer energien og snurrer en turbin før den går ut nær dammen. To av verdens største vannkraftdammer er Three Gorges Dam i Kina, som genererer 22,5 gigawatt energi og Itaipu Dam på grensen mellom Brasil og Paraguay, som genererer 14 GW. Den største demningen i Nord-Amerika er Grand Coulee Dam i Washington State, som bare genererer omtrent 7 megawatt.

Havene er en av verdens viktigste energiressurser av to grunner. Den første er at de har strømmer, som sammen med vindene danner bølger. Bølger kan gjøres om til strøm. Fordi de er et resultat av temperaturforskjeller forårsaket av solens varme, er bølger og strømmen som danner dem teknisk sett en form for solenergi.

Den andre energiressursen i havene er tidevannet, som er forårsaket av gravitasjonspåvirkningen fra månen og solen, så vel som bevegelsene til selve jorden. Det finnes også teknologier for å konvertere energien i tidevannet til strøm.

Bølgenererende stasjoner er ennå ikke vanlige, og prototypen, som ble distribuert utenfor kysten av Skottland, genererer bare 0,5 MW. Tilgjengelige bølgeteknologier inkluderer:

• Flyter og bøyer, som stiger og faller på bølgene og genererer kraft med hydrauliske enheter.

• Svingende vannsøyler, som tillater vann å komme inn i et kammer og komprimere lukket luft, som deretter spinner en turbin.

• Koniske kanalsystemer, som er landbundet. De kanaliserer vann til forhøyede magasiner, og når vannet får falle, snur det en turbin.

Tidevannskraftverk kan bruke kraften til innkommende og utgående tidevann til å direkte spinne turbiner. Vann er omtrent 800 ganger tettere enn luft, så hvis en turbin plasseres på havbunnen, genererer tidevannsbevegelsene betydelig kraft for å spinne dem. Tidevannsspenningssystemer er imidlertid vanligere.

En tidevannsspenning er en barriere som er reist over et tidevannsbasseng som gjør at vann fra tidevannet kan komme inn, og deretter lukker og styrer utstrømningen ved tidevannet. Den største slike generatoren er Sihwa Lake Tidal Power Station i Sør-Korea. Den genererer omtrent 254 MW.

To av de mest kjente måtene å generere elektrisitet på en måte som ikke er avhengig av å forsvinne fossilt brensel og ikke skaper forurensning, er å distribuere vindturbiner eller solcelleanlegg. Fordi solen er ansvarlig for temperaturforskjellene som skaper vind, er begge strengt tatt former for solenergi.

Vindgeneratorer fungerer akkurat som vannkraft eller bølgedrevne. Når vinden blåser, snurrer den en aksel som er forbundet med tannhjul til en kraftgenererende induksjonsturbin. Moderne turbiner er kalibrert for å gi vekselstrøm med samme frekvens som vanlig vekselstrøm, noe som gjør den tilgjengelig for øyeblikkelig bruk. Vindparker over hele verden leverer nesten 5 prosent av verdens strøm.

Solcellepaneler er avhengige av solcelleeffekten, hvor solstrålingen skaper en spenning i et halvledende materiale. Spenningen skaper likestrøm som må konverteres til vekselstrøm ved å føre den gjennom en inverter. Solcellepaneler genererer bare strøm når solen er ute, så de brukes ofte til å lade batterier, som lagrer strømmen for senere bruk.

Solcellepaneler er kanskje en av de mest tilgjengelige metodene for å produsere elektrisitet, men de leverer bare en liten brøkdel av verdens strøm - mindre enn 1 prosent.

Strengt tatt er ikke kjernefysisk fisjon et naturlig forekommende fenomen, men det kommer fra naturen. Nuklear fisjon ble oppfunnet kort tid etter at forskere var i stand til å forstå atomet og det naturlige fenomenet radioaktivitet. Selv om fisjon opprinnelig ble brukt til å lage bomber, kom det første atomkraftverket på nettet bare tre år etter at den første bomben ble eksplodert på Trinity-stedet i New Mexico-ørkenen.

Kontrollerte fisjonreaksjoner forekommer i alle verdens atomkraftverk. Det genererer varme til å koke vann, som produserer dampen som trengs for å drive elektriske turbiner. Når en fisjonreaksjon starter, trenger den lite drivstoff for å fortsette på ubestemt tid.

Nesten 20 prosent av verdens elektriske behov blir dekket av atomkraftprodusenter. Opprinnelig ansett som en billig kilde til tilnærmet ubegrenset kraft, har kjernefisjonen alvor ulemper, ikke minst er muligheten for nedsmelting og ukontrollert utslipp av skadelig stråling. To kjente ulykker, en ved Russlands Tsjernobyl-kraftverk og en annen ved Japans Fukushima har fjernet disse farene og gjort atomkraftproduksjon mindre attraktiv enn den en gang var.

Dypt inne i jordskorpen er trykk og temperaturer så store at de flytende berg til smeltet lava. Dette overopphetede materialet løper gjennom årer i skorpen som av og til leder det nær overflaten. Lokalsamfunn i områder der dette skjer, kan bruke varmen til å generere elektrisitet og til å gi hjemmene varme. Dette kalles geotermisk energi, og i noen tilfeller forsterkes det av radioaktive materialer i bakken, som også genererer varme.

For å benytte seg av geotermisk energi borer utviklere en tunnel ned i jorden på et passende sted og sirkulerer vann gjennom tunnelen. Det oppvarmede vannet kommer til overflaten som damp, hvor det kan brukes direkte til oppvarming eller for å spinne en turbin. I noen tilfeller overføres varmen fra vannet til et annet stoff med et lavere kokepunkt, for eksempel isobutan, og den resulterende dampen spinner turbinene.

I sin enkleste form har geotermisk energi gitt helbredelse og komfort i naturlige spa og varme kilder så lenge det har vært folk som besøker dem. Japan er et av de mest geologisk aktive landene i verden, og det har et stort nettverk av naturlige varme kilder og en lang historie med bløtlegging. Eksperter anslår at den har nok geotermiske ressurser til å møte opptil 10 prosent av elektrisiteten behov, noe som gjør sitt geotermiske potensiale tredje i verden, bare bak USA og Indonesia.

Noen ressurser er skjøre og forsvinner, og det å konvertere dem til brukbar energi skaper forurensninger som endrer planetmiljøet. Andre ressurser avhenger bare av sol- og planetdynamikk som lover å forbli uendret de neste milliardårene. I øyeblikket har menneskeheten et presserende valg å ta. Selve dens overlevelse kan avhenge av dens evne til å bytte sin avhengighet fra førstnevnte til sistnevnte på kort tid.