В настоящее время наша планета получает большую часть своей энергии от угля, нефти и газа. Эти так называемые ископаемые виды топлива были сформированы из останков живых организмов, существовавших миллионы лет назад, и при сжигании выделяют тепловую энергию, которая может превращаться в электричество. Однако они также очень вредны для окружающей среды, так как при сжигании ископаемого топлива также выделяется много углекислого газа, парникового газа, который способствует глобальному потеплению.
Когда энергия Солнца падает на Землю, примерно 70 процентов ее поглощается землей и океанами, а 30 процентов отражается обратно в космос. Однако 70 процентов, поглощенных Землей, в конечном итоге излучаются обратно в атмосферу в виде инфракрасной энергии. Парниковые газы затем поглощают эту энергию, но также выделяют тепло в процессе, который нагревает поверхность Земли и нижнюю атмосферу. Этот процесс происходит естественным путем и является тем, что сохраняет планету достаточно теплой, чтобы живые существа могли выжить на ней.
Тем не менее, резкое увеличение выбросов парниковых газов после промышленной революции также привело к значительному повышению средней температуры поверхности Земли. Это, в свою очередь, привело к более быстрому таянию ледников и шельфовых ледников в мире, что приведет к повышению уровня моря, что приведет к затоплению низменных районов побережья. Повышение глобальной температуры способствует усилению и обострению тропических штормов и ураганов, а также может вызвать сильные засухи в некоторых частях мира.
Даже если бы у горящих окаменелостей не было этой разрушительной силы, для нас все равно было бы важно найти альтернативные источники энергии. Хотя ископаемое топливо технически возобновимо, так как оно производится из живых организмов, тот факт, что мы используем его с гораздо большей скоростью, чем его образование, означает, что мы в конечном итоге закончим.
Некоторые возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ветровая и гидроэнергетика, уже используются, но они имеют свои собственные проблемы, которые не позволяют им полностью заменить ископаемое топливо. Однако, поскольку мы продолжаем находить новые инновационные способы использования неиспользованной энергии, наша планета вскоре может стать зеленой машиной с автономным питанием.
Зачем нам нужна возобновляемая энергия?
Ограничения зеленой энергии
Несмотря на бесконечный запас энергии, доступной для нас из возобновляемых источников, мы все еще в значительной степени полагаемся на ископаемое топливо. К сожалению, есть много проблем, которые еще нужно преодолеть, прежде чем мы сможем стать полностью зелеными.
Одним из основных препятствий является стоимость, поскольку инфраструктура, необходимая для большинства возобновляемых источников энергии, является дорогостоящей, особенно по сравнению с ископаемым топливом. Солнечные панели, ветряные турбины, гидроэлектростанции, приливные заграждения и установки для ядерного синтеза - все это дорого для строительства, и хранение любой избыточной энергии, которую они производят, также может быть дорогостоящим.
Опора на непредсказуемую погоду является еще одной важной проблемой для некоторых видов возобновляемой энергии. Ветер, например, очень непоследователен, и, конечно, солнечная энергия собирается в значительных количествах только в ясные дневные часы. Таким образом, энергия ископаемого топлива все еще требуется в качестве резервного, когда условия не совсем правильные.
На данный момент технология, используемая для сбора возобновляемой энергии, также не особенно эффективна. Обширные районы суши или моря должны быть покрыты солнечными батареями или ветряными турбинами, чтобы генерировать такое же количество энергии, производимое невозобновляемыми источниками. Это может вызвать противодействие местных жителей, так как некоторые люди считают, что ветряные электростанции портят сельскую местность. На местные экосистемы также могут негативно повлиять некоторые возобновляемые источники энергии. Например, гидроэлектростанции мешают течению рек, разрушая местную дикую природу и местные поселения, а приливные заграждения могут быть вредными для морской жизни.
Конечно, некоторые устойчивые решения в любом случае строго ограничены местоположением. Например, геотермальная энергия может производиться только вблизи областей вулканической активности, а приливная энергия требует сильных приливов.
Fusion Power
Термоядерный реактор ИТЭР
Такие звезды, как наше Солнце, производят огромное количество энергии, используя процесс, известный как синтез. При воздействии экстремального тепла и высоких давлений в ядре звезды атомы водорода лишаются электронов, чтобы обнажить их ядра. Этот суп из ядер и электронов известен как плазма, четвертое состояние вещества. Когда плазма нагревается, ядра водорода быстро движутся и сталкиваются, сливаясь вместе, образуя гелий и большое количество энергии.
Благодаря чистому и эффективному характеру этого процесса ученые в настоящее время разработали способ воспроизвести его здесь, на Земле, в надежде, что в конечном итоге он может устранить потребность в ископаемом топливе. Для этого они построили огромные термоядерные реакторы, которые используют магнитные поля для создания температур 150 миллионов градусов по Цельсию (270 градусов по Фаренгейту), в десять раз более горячих, чем ядро Солнца, и контролируют плазму в кольцеобразной камере, называемой токамаком. В качестве топлива в реакторе используются изотопы водорода дейтерия, извлеченные из воды и трития, полученные из лития, найденного в земной коре. Наши текущие поставки будут длиться миллионы лет, и всего один килограмм (2, 2 фунта) может обеспечить такое же количество энергии, что и 10000 тонн ископаемого топлива. Кроме того, основным побочным продуктом термоядерной реакции является небольшое количество гелия, который не загрязняет атмосферу.
Хотя технология создания термоядерной энергии уже внедрена, современные термоядерные реакторы потребляют больше энергии, чем производят. Теперь задача состоит в том, чтобы построить достаточно большой реактор, чтобы он работал в качестве работающей электростанции, и проект ITER во Франции является первым шагом.
Процессор Janicki Bioenergy Omni
Солнечный свет очиститель воды
Desolenator использует энергию и тепло от Солнца, чтобы превратить грязную или соленую воду в дистиллированную воду. Он полностью автономен и может обеспечить города и деревни, испытывающие проблемы с водой, дешевым, надежным и удобным источником увлажнения. В настоящее время устройство все еще находится в стадии разработки, и его можно будет ввести в эксплуатацию к концу 2015 года.
Desolenator
Солнечные батареи
Ученые из Университета Торонто разработали новый метод распыления солнечных элементов на гибкие поверхности. Их система SplayLD использует коллоидные квантовые точки (CQD), нанометровые кристаллы, содержащие всего несколько тысяч атомов, которые поглощают солнечный свет и превращают его в электричество. Жидкость, содержащая эти CQD, затем распыляется на поверхность, такую как пластик, стекло или даже пленку, в один слой. Затем химическая обработка наносится сверху, превращая CQD из электроизоляционных в электропроводящие, прежде чем поверхность промыть чистой. Затем этот процесс повторяется для создания от 65 до 85 слоев.
До сих пор единственным способом выполнения этого процесса была пакетная обработка, требующая дорогой инфраструктуры и медленной сборочной линии. Однако теперь система SprayLD может быть применена с использованием чего-то, похожего на газетный печатный станок. Таким образом, хотя CQD вдвое менее эффективны, чем обычные солнечные элементы, они также менее чем вдвое дешевле в производстве, что означает лучшее соотношение цены и качества.
Кайт сила
Эко-дом
Пилотный дом ZEB, созданный норвежской архитектурной фирмой Snøhetta, использует солнечную и геотермальную энергию для производства в три раза больше энергии, чем необходимо. Фактически, избыточной энергии, которую он генерирует, достаточно для круглогодичного питания электромобиля. Здание, расположенное в Ларвике, Норвегия, достаточно большое, чтобы вместить семью.
Пилотный Дом ЗЕБ
Народная власть
Человеческое тело - это одна большая энергетическая фабрика. Калории поступают через пищу, и они, в свою очередь, приводят в действие наши органы и мышцы, генерируя избыточное тепло. Простая прогулка может генерировать 163 ватта энергии, но большая проблема заключается в том, как эффективно превратить это в полезную энергию.
Ученые исследуют множество инновационных способов использования человеческой силы, и один такой метод включает пьезоэлектричество, которое может быть получено от давления, приложенного к поверхности, с помощью таких движений, как ходьба.
Когда давление применяется к объекту, содержащему атомы или молекулы, расположенные очень упорядоченным образом, также известным как кристаллы, заряды выводятся из равновесия. Сжатая сторона приобретает положительный заряд, в то время как противоположный образует отрицательный заряд, и когда давление сбрасывается, между ними протекает электрический ток, который можно накапливать и использовать в качестве источника энергии. Хотя доказано, что это работает, оно генерирует очень небольшое количество электричества, к сожалению, его недостаточно для питания большинства электронных устройств.
Другой метод исследования кинетической энергии использует магнитные поля. Ученые из исследовательского центра HSG-IMIT в Германии разработали шоковый комбайн и устройство с поворотным комбайном, которое может поместиться в обычной обуви. Когда пятка ударяется о землю или ступня качается между ступенями, магнит внутри каждого комбайна движется мимо неподвижной катушки. Это генерирует электрический ток, создавая очень маленькие три-четыре милливатта энергии. Хотя этого недостаточно для зарядки телефона, он может питать небольшие датчики и передатчики, которые могут отслеживать ваше путешествие, и изобретатели надеются, что в конечном итоге его можно будет использовать для питания механизма автоматической шнуровки.
Энергия от упражнений
ИМПУЛЬС скакалка
Любой, кто запустил режим тренировки, будет знать, что тренировка требует много энергии, но вы, возможно, не поняли, что она тоже может генерировать энергию. Некоторые спортивные залы, такие как Cadbury House Club в Бристоле, Великобритания, покупают оборудование, которое превращает движения пользователя в электричество, приводит в действие саму машину и использует любой избыток для питания здания спортзала. Вы также можете приобрести собственное силовое оборудование для тренажерного зала: скакалка PULSE - это портативный генератор, который вы заряжаете во время прыжка. Внутри каждой ручки находится двигатель постоянного тока и литий-ионный аккумулятор. Каждый раз, когда вы прыгаете и поворачиваете веревку, разъем на каждой ручке поворачивается. Это включает двигатель, который затем питает батарею, с 15-минутным пропуском, генерирующим достаточно энергии для питания лампы в течение 2 часов. Подключение прилагаемого USB-адаптера также позволит вам использовать его для зарядки телефона и других совместимых устройств.
Энергетические полы
Энергетические полы
Роттердамская компания Energy Floors использует электромеханическую систему для преобразования кинетической энергии в электричество. Его устойчивый танцпол использует движение танцоров, чтобы осветить землю под ногами. Интерактивное световое шоу было разработано, чтобы повысить осведомленность о потенциале кинетической энергии, и оказалось популярным для корпоративных и общественных мероприятий, но с тех пор они разработали новый продукт с более практическими преимуществами. Их полы с устойчивым энергопотреблением предназначены для районов с высокой посещаемостью, таких как торговые центры, спортивные арены и аэропорты. Каждый шаг на плитке может генерировать от двух до 20 джоулей энергии, которую можно использовать для питания близлежащих огней или вывесок.
Зарядите свой телефон своей одеждой
60 процентов энергии, которую мы потребляем за счет калорий, выделяется в виде тепла, но вместо того, чтобы тратить этот изобильный источник энергии, новые технологии могут помочь нам эффективно его использовать.
Команда ученых из Университета Уэйк Форест в Соединенных Штатах разработала термоэлектрическую ткань под названием Power Felt, которая преобразует тепло в электричество и может когда-нибудь использоваться для изготовления одежды. Термоэлектрические материалы существуют уже некоторое время, но обычно они хрупкие и дорогие. Тем не менее, Power Felt является легким, гибким материалом и дешев в производстве. При размещении между двумя объектами с разными температурами, такими как ваше теплое тело и холодный воздух, электроны на нагретой стороне ткани движутся быстрее, перемещаясь в сторону более холодной. Это приводит к тому, что холодная сторона становится отрицательно заряженной, а горячая сторона - положительно заряженной, создавая напряжение, которое проводят крошечные углеродные нанотрубки внутри ткани для генерации электрического тока. Один квадратный сантиметр (0, 16 квадратных дюйма) Power Felt может генерировать один милливатт электроэнергии, поэтому, если вы облицовываете его чехлом для телефона, он может зарядить аккумулятор, сидя в кармане.
Еще один тип ткани для тела с подогревом можно найти в классической рубашке Fittersift, в которую входят 13 термореактивных минералов, которые преобразуют тепло тела, которое иначе было бы потрачено впустую в полезный источник энергии. Рубашка отражает инфракрасное излучение назад к телу, помогая повысить уровень кислорода в крови, улучшить кровообращение и регулировать температуру тела.
Хотя эти материалы все еще находятся в разработке, центральная станция Стокгольма уже используется для сбора тепла тела в качестве источника энергии. Система вентиляции здания содержит теплообменники, которые преобразуют избыточное тепло, генерируемое 250 000 посетителей в день, в горячую воду. Эта горячая вода затем закачивается в систему отопления близлежащего офисного здания, сохраняя ее теплой и сокращая расходы на электроэнергию на 25 процентов.
Одежда на солнечной энергии
Проект Solar Fiber с открытым исходным кодом, чтобы помочь раскрыть потенциал солнечного текстиля
Одежда не только генерирует энергию из тепла тела, но и может получать энергию от Солнца. Несколько модельеров сотрудничают с учеными, чтобы включить солнечные элементы в свои проекты. Дизайнеры проекта Solar Fiber работают над гибким фотоэлектрическим волокном, которое преобразует солнечный свет в электричество и может быть вплетено во все виды тканей. Они уже разработали прототип платья с ремешками на солнечных панелях и прототип «солнечной шали» с использованием солнечной пряжи, которая сообщает количество генерируемой энергии через встроенный дисплей.
Между тем, Wearable Solar уже выпустила коллекцию одежды с жесткими солнечными элементами. И пальто, и платье могут генерировать достаточно энергии для зарядки смартфона после того, как они носятся на солнце всего два часа, а солнечные панели можно сложить, когда они не используются.
Узнайте больше о том, как спасти мир, в выпуске 85 книги «Как это работает». Получите копию у всех хороших продавцов или закажите ее онлайн в ImagineShop. Если у вас есть планшет или смартфон, вы также можете загрузить цифровую версию на свое устройство iOS или Android. Чтобы никогда не пропустить выпуск журнала « Как это работает », подпишитесь сегодня!
Как это работает Выпуск 85 «Танки - 100 лет войны»