Höyryveturit kolinaa pitkin rautatiekiskoja. Melahöyrylaivat pyörimässä Murraylla. Dreadnought-taistelulaivoja, jotka toimivat höyrykoneilla.

Monet meistä ajattelevat, että höyryn aikakausi on päättynyt. Mutta vaikka höyrykoneen on korvattu polttomoottoreilla ja nyt sähkömoottoreilla, moderni maailma luottaa edelleen höyryyn. Lähes kaikissa lämpövoimalaitoksissa, hiilestä ydinvoimaan, on oltava höyryä toimiakseen. (Kaasulaitokset eivät yleensä tee).

Mutta miksi? Se johtuu jostakin, jonka löysimme vuosituhansia sitten. Ensimmäisellä vuosisadalla muinaiset kreikkalaiset keksivät aeolipilin – höyryturbiinin. Lämpö muutti veden höyryksi, ja höyryllä on erittäin hyödyllinen ominaisuus: se on helposti valmistettava kaasu, joka voi työntää.

Tämä yksinkertainen tosiasia tarkoittaa, että jopa unelma fuusiovoimasta hiipii lähemmäs, elämme edelleen steam-aikaa. Ensimmäinen kaupallinen fuusiolaitos luottaa huipputeknologiaa pystyy sisältämään plasmaa paljon kuumempaa kuin auringon ydin – mutta se on silti yhdistetty vaatimattomaan höyryturbiiniin, joka muuttaa lämmön liikkeeksi sähköksi.

Miksi olemme edelleen riippuvaisia ​​Steamista?

Kiehuva vesi kuluttaa huomattavan määrän energiaa, ylivoimaisesti suurinta tavallisista nesteistä, jotka tunnemme. Veden haihtuminen kuluttaa noin 2.5 kertaa enemmän energiaa kuin etanoli ja 60 prosenttia enemmän kuin ammoniakkinesteet.

Miksi käytämme höyryä muiden kaasujen sijaan? Vesi on halpaa, myrkytöntä ja helppo muuttaa nesteestä energiseksi kaasuksi ennen kuin se tiivistyy takaisin nesteeksi käytettäväksi yhä uudelleen.

Höyry on kestänyt näin kauan, koska meillä on runsaasti vettä, joka peittää 71 prosenttia maan pinnasta, ja vesi on hyödyllinen tapa muuntaa lämpöenergiaa (lämpöä) mekaaniseksi energiaksi (liike) sähköenergiaksi (sähkö). Haemme sähköä, koska se on helposti siirrettävissä ja sillä voidaan tehdä työtä meille monilla alueilla.

Kun vesi muutetaan höyryksi suljetussa astiassa, se laajenee valtavasti ja lisää painetta. Korkeapainehöyry voi varastoida valtavia määriä lämpöä, kuten mikä tahansa kaasu. Jos sille annetaan ulostulo, höyry virtaa sen läpi suurilla virtausnopeuksilla. Laita turbiini poistumisreitilleen ja ulos tulevan höyryn voima pyörittää turbiinin siipiä. Sähkömagneetit muuttavat tämän mekaanisen liikkeen sähköksi. Höyry tiivistyy takaisin vedeksi ja prosessi alkaa uudelleen.

Höyrykoneet käyttivät hiiltä veden lämmittämiseen höyryn tuottamiseksi moottorin käyttämiseksi. Ydinfissio halkaisee atomeja ja tuottaa lämpöä veden kiehumiseen. Ydinfuusio pakottaa vedyn raskaat isotoopit (deuterium ja tritium) fuusioitumaan helium-3-atomeiksi ja luomaan vielä enemmän lämpöä – kiehumaan vettä höyryn tuottamiseksi turbiineilla sähkön tuottamiseksi.

Jos katsoisit vain useimpien lämpövoimaloiden loppuprosessia – hiiltä, ​​dieseliä, ydinfissiota tai jopa ydinfuusiota – näkisit vanhan höyrytekniikan vievän niin pitkälle kuin se on mahdollista.

Höyryturbiinit, jotka käyttävät suuria sähkögeneraattoreita, jotka tuottavat 60 prosenttia maailman sähköstä, ovat kauniita asioita. Satojen vuosien metallurginen teknologia, suunnittelu ja monimutkainen valmistus ovat vain parantaneet höyryturbiinia.

Jatketaanko höyryn käyttöä? Uudet tekniikat tuottavat sähköä käyttämättä lainkaan höyryä. Aurinkopaneelit luottaa siihen, että saapuvat fotonit osuvat elektroneihin piissä ja luovat varauksen tuulivoimalat toimivat kuten höyryturbiinit, paitsi kun tuuli puhaltaa turbiinia, ei höyryä. Joissakin energian varastoinnissa, kuten pumpatussa vesivoimassa, käytetään turbiineja, mutta nestemäiseen veteen, ei höyryyn, kun taas akut eivät käytä höyryä ollenkaan.

Näistä teknologioista on nopeasti tulossa tärkeitä energian ja varastoinnin lähteitä. Mutta höyry ei katoa. Jos käytämme lämpövoimaloita, käytämme todennäköisesti edelleen höyryä.

Miksi emme voi muuttaa lämpöä sähköksi?

Saatat ihmetellä, miksi tarvitsemme niin monia vaiheita. Miksi lämpöä ei voi muuttaa suoraan sähköksi?

On mahdollista. Lämpösähköisiä laitteita on jo käytössä satelliiteissa ja avaruusluotaimissa.

Nämä laitteet on valmistettu erikoisseoksista, kuten lyijy-telluurista, ja niissä on näiden materiaalien välisen kuuman ja kylmän liitoksen välinen lämpötilaero. Mitä suurempi lämpötilaero, sitä suuremman jännitteen ne voivat tuottaa.

Syy, miksi näitä laitteita ei ole kaikkialla, on se, että ne tuottavat tasavirtaa (DC) vain matalilla jännitteillä ja ovat 16–22 prosenttia tehokkaita muuntamaan lämpöä sähköksi. Sen sijaan huippuluokan lämpövoimalat ovat jopa 46 prosentin hyötysuhteeltaan.

Jos haluaisimme johtaa yhteiskuntaa näillä lämpöä muuntavilla moottoreilla, tarvitsisimme suuria joukkoja näitä laitteita tuottamaan riittävän korkeaa tasavirtaa ja sitten käyttämään inverttereitä ja muuntajia muuttamaan se vaihtovirraksi, johon olemme tottuneet. Joten vaikka saatat välttää höyryä, joudut lopulta lisäämään uusia muunnoksia tehdäksesi sähköstä hyödyllistä.

On muitakin tapoja muuttaa lämpö sähköksi. Korkean lämpötilan kiinteäoksidipolttokennoja on kehitetty Vuosikymmenten ajan. Ne ovat kuumia – 500–1,000 XNUMX celsiusastetta – ja voivat polttaa vetyä tai metanolia (ilman todellista liekkiä) tuottaakseen tasavirtaa.

Nämä polttokennot ovat jopa 60 prosenttia tehokkaita ja mahdollisesti jopa korkeampia. Vaikka nämä polttokennot lupaavat, ne eivät ole vielä valmiita parhaaseen katseluun. Niissä on kalliit katalyytit ja lyhyt käyttöikä voimakkaan lämmön vuoksi. Mutta edistystä on tehdään.

Kunnes tällaiset tekniikat ovat kypsyneet, olemme jumissa höyryllä keinona muuttaa lämpöä sähköksi. Se ei ole niin paha - höyry toimii.

Kun näet höyryveturin hurisevan ohi, saatat ajatella, että se on viehättävä menneisyyden tekniikka. Mutta sivilisaatiomme on edelleen erittäin vahvasti riippuvainen höyrystä. Jos fuusiovoima saapuu, höyry auttaa saamaan voimaa myös tulevaisuuteen. Steam-aika ei todellakaan lopu koskaan.

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.

Kuva pistetilanne: Siemens Presse kuva Wikimedia Commonsin kautta

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://singularityhub.com/2024/03/19/even-as-the-fusion-era-comes-into-view-were-still-in-the-steam-age/