Vilka är de viktigaste energikällorna på jorden?

Det tar mycket energi att vårda en art som homo sapiens. Under de senaste århundradena har denna art framkommit som en sammankopplad global närvaro på ett sätt som, såvitt vetenskapen vet, aldrig har förekommit tidigare på planeten.

De typer av energi som människor behöver inkluderar el för att driva sina hem och industrier, biokemisk energi för att mata sina kroppar och brännbara resurser för värme, transport och industri produktion.

I bred skala beror jordens förmåga att tillhandahålla vad människor behöver på fem huvudkällor:

• Solen, den jätte fusionsreaktorn i himlen, levererar energi i storleksordningen yottawatt (10²⁴ watt) dygnet runt.
• Vatten, vilket inte bara är nödvändigt för livet utan också kan utnyttjas för energiproduktion.
• Allvar, den mystiska kraften som skapar och förstör stjärnor, är ansvarig för tidvatten, och det förvandlar vatten till en källa till omvandlingsbar kinetisk energi.
• Jordens rörelser skapa dagliga och säsongsmässiga temperaturskillnader som genererar vindar och havsströmmar som kan omvandlas till el.
• Radioaktivitet är den naturliga nedbrytningen av tunga element till lättare med en resulterande frisättning av strålning. Strålningen skapar värme som kan användas för att generera elektricitet.

Dessutom kommer en viktig energiförsörjning för människor från de sönderfallande kropparna hos organismer som har blomstrat och dött genom hela tiden. Till skillnad från de resurser som anges ovan är detta utbud dock begränsat.

Fossila bränslen, som inkluderar olja, naturgas och kol, är faktiskt en annan form av solenergi. För en tid sedan omvandlade levande organismer solens ljus och värme till de kolbaserade molekylerna som bildade deras kroppar. Organismerna dog och deras kroppar sjönk djupt ner i marken och till havets botten. Idag kan den energi som är låst i dessa kolbindningar frigöras genom att hämta vad deras rester förvandlades till och bränna dem.

Olja och naturgas kommer från mikroskopiskt havsplankton som levde för miljontals år sedan. De dog och sjönk till havets botten, där nedbrytning och andra kemiska processer förvandlade dem till vaxartade kerogen och tjära bitumen. Havsbotten torkade så småningom ut och dessa material begravdes under sten och jord. De har blivit råvarorna för tillverkning, bensin, diesel, fotogen och en mängd andra petroleumprodukter.

Det traditionella sättet att hämta råolja från marken är genom borrning, men hydraulisk sprickbildning, eller fracking, har blivit ett ofta använt modernt alternativ. I denna process tvingas en blandning av sand, vatten och potentiellt farliga kemikalier i marken för att förskjuta petroleum. Fracking är en dyr process och det har ett antal skadliga effekter på berggrunden, vattenbordet och den omgivande luften.

Kol kommer från markväxter som bosatte sig i myrar och träsk och förvandlades till torv. Torven stelnade när marken torkade ut och den täcktes så småningom av stenar annat skräp. Trycket förvandlade det till den svarta, steniga substansen som brändes i många industrianläggningar och kraftverk. Allt detta började hända för ungefär 300 miljoner år sedan, när dinosaurier strövade runt jorden, men i motsats till populär myt bryts inte kol dinosaurier.

I årtusenden har människor utnyttjat vattenkraft för att utföra arbete, och inom fysik är arbete synonymt med energi. Vattenhjul placerade nära en bäck eller ett vattenfall har använt den energi som genereras genom att flytta vatten för att fräsa spannmål, bevattna grödor, såga trä och göra en mängd andra uppgifter. Med tillkomsten av el har vattenhjul förvandlats till kraftverk.

Vattenturbinen är hjärtat i en vattenkraftverk, och den fungerar på grund av fenomenet elektromagnetisk induktion, upptäckt av fysikern Michael Faraday 1831. Faraday fann att en snurrmagnet inuti en spole eller ledningstråd genererar en elektrisk ström i spolen och mindre än 100 år senare kom den första induktionsgeneratorn online på Niagara Faller.

Idag levererar vattenkraftverk cirka 6 procent av den el som förbrukas över hela världen. Förbränning av fossila bränslen för åstadkommande av ånga och spinnturbiner genererar däremot nästan 60 procent av världens el. Mest vattenkraft genereras av dammar, inte av vattenfall.

En fördämning, som en bäck eller ett vattenfall, beror på gravitationen. Vattnet kommer in i en passage längst upp i dammen, rinner genom ett rör som förstorar sin energi och snurrar en turbin innan den går ut nära dammens botten. Två av världens största vattenkraftsdammar är Three Gorges Dam i Kina, som genererar 22,5 gigawatt energi och Itaipu Dam vid gränsen mellan Brasilien och Paraguay, som genererar 14 GW. Den största dammen i Nordamerika är Grand Coulee Dam i staten Washington, som bara genererar cirka 7 megawatt.

Haven är av två skäl en av världens viktigaste energiresurser. Den första är att de har strömmar, som i kombination med vindarna bildar vågor. Vågor kan förvandlas till el. Eftersom de är resultatet av temperaturskillnader orsakade av solens värme är vågor och strömmar som bildar dem tekniskt sett en form av solenergi.

Den andra energiresursen i haven är tidvatten som orsakas av månens och solens gravitationsinflytande, liksom av jordens rörelser. Det finns också teknologier för att omvandla energin i tidvattnet till el.

Våggenererande stationer är ännu inte mainstream, och prototypen, som placerades utanför Skottlands kust, genererar endast 0,5 MW. Tillgängliga vågtekniker inkluderar:

• Flytar och bojar som stiger och faller på vågorna och genererar kraft med hydrauliska enheter.

• Oscillerande vattenpelare, som tillåter vatten att komma in i en kammare och komprimera sluten luft, som sedan snurrar en turbin.

• Avsmalnande kanalsystem som är strandbundna. De kanaliserar vatten till upphöjda reservoarer, och när vattnet får falla snurrar det en turbin.

Tidvattenkraftverk kan använda kraften från inkommande och utgående tidvatten för att snurra turbiner direkt. Vatten är ungefär 800 gånger tätare än luft, så om en turbin placeras på havsbotten genererar tidvattenrörelserna betydande kraft för att snurra dem. Tidvattenspärrsystem är dock vanligare.

En tidvattenspärr är en barriär uppförd över ett tidvattenbassäng som gör att vatten från det stigande tidvattnet kan tränga in, sedan stängs och styr utflödet vid ebb. Den största generatoren är Sihwa Lake Tidal Power Station i Sydkorea. Den genererar cirka 254 MW.

Två av de mest kända sätten att generera el på ett sätt som inte är beroende av försvinnande fossila bränslen och som inte skapar föroreningar är att installera vindkraftverk eller solcellspaneler. Eftersom solen är ansvarig för temperaturskillnaderna som skapar vind, är båda strängt taget former av solenergi.

Vindgeneratorer fungerar precis som vattenkraft eller vågdrivna. När vinden blåser snurrar den en axel som är ansluten med växlar till en kraftgenererande induktions-turbin. Moderna turbiner är kalibrerade för att ge växelström med samma frekvens som konventionell växelström, vilket gör den tillgänglig för omedelbar användning. Vindkraftparker över hela världen levererar nästan 5 procent av världens el.

Solpaneler förlitar sig på solcellseffekten, varigenom solens strålning skapar en spänning i ett halvledande material. Spänningen skapar likström som måste omvandlas till växelström genom att leda den genom en växelriktare. Solpaneler genererar bara el när solen är ute, så de används ofta för att ladda batterier som lagrar strömmen för senare användning.

Solpaneler är kanske en av de mest tillgängliga metoderna för att generera el, men de levererar bara en liten del av världens el - mindre än 1 procent.

Strikt taget är processen för kärnklyvning inte ett naturligt förekommande fenomen, men det kommer från naturen. Kärnklyvning uppfanns strax efter att forskare kunde förstå atomen och det naturliga fenomenet radioaktivitet. Även om klyvning ursprungligen användes för att göra bomber, kom det första kärnkraftverket på nätet bara tre år efter att den första bomben exploderade på Trinity-platsen i New Mexico-öknen.

Kontrollerade fissionsreaktioner förekommer i alla världens kärnkraftverk. Det genererar värme för att koka vatten, vilket producerar den ånga som behövs för att driva elektriska turbiner. När en fissionsreaktion startar behöver den lite bränsle för att fortsätta på obestämd tid.

Nästan 20 procent av världens elektriska behov tillgodoses av kärnkraftproducenter. Ursprungligen betraktad som en billig källa till nästan obegränsad kraft, har kärnklyvning allvar nackdelar, inte minst är möjligheten till smältning och okontrollerad utsläpp av skadliga strålning. Två välkända olyckor, en vid Rysslands Tjernobylkraftverk och en annan vid Japans Fukushima har undanröjt dessa faror och gjort kärnkraftsproduktion mindre attraktiv än den en gång var.

Djupt inne i jordskorpan är tryck och temperaturer så stora att de flytande sten till smält lava. Detta överhettade material strömmar genom vener i skorpan som ibland riktar det nära ytan. Gemenskaper i områden där detta inträffar kan använda värmen för att generera el och för att ge värme åt sina hem. Detta kallas geotermisk energi och i vissa fall förstärks det av radioaktiva material i marken som också genererar värme.

För att utnyttja geotermisk energi borrar utvecklare en tunnel i jorden på en lämplig plats och cirkulerar vatten genom tunneln. Det uppvärmda vattnet kommer upp till ytan som ånga, där det kan användas direkt för uppvärmning eller för att snurra en turbin. I vissa fall överförs värmen från vattnet till ett annat ämne med en lägre kokpunkt, såsom isobutan, och den resulterande ångan snurrar turbinerna.

I sin enklaste form har geotermisk energi gett läkning och komfort vid naturliga spa och varma källor så länge det har varit människor som besöker dem. Japan är ett av de mest geologiskt aktiva länderna i världen, och det har ett stort nätverk av naturliga varma källor och en lång historia av blötläggning. Experter uppskattar att den har tillräckligt med geotermiska resurser för att möta upp till 10 procent av sin el behov, vilket gör sin geotermiska potential tredje i världen, endast efter USA och Indonesien.

Vissa resurser är ömtåliga och försvinner, och omvandling av dem till användbar energi skapar föroreningar som förändrar planetmiljön. Andra resurser beror bara på sol- och planetdynamik som lovar att vara oförändrad de närmaste miljarder åren. För närvarande har mänskligheten ett brådskande val att göra. Dess överlevnad kan bero på dess förmåga att byta tillit från det förra till det senare på kort tid.