Parne lokomotive ropotajo po železniških tirih. Parni čolni, ki se peljejo po Murrayju. Dreadnought bojne ladje, ki jih poganjajo parni stroji.

Mnogi od nas mislijo, da se je doba pare končala. Medtem ko so parni stroj izpodrinili motorji z notranjim zgorevanjem in zdaj električni motorji, se sodobni svet še vedno zanaša na paro. Skoraj vse termoelektrarne, od premogovnih do jedrskih, morajo za delovanje imeti paro. (Plinarne običajno ne).

Ampak zakaj? To je zaradi nečesa, kar smo odkrili pred tisočletji. V prvem stoletju našega štetja so stari Grki izumili eolipil – parno turbino. Toplota je vodo spremenila v paro, para pa ima zelo uporabno lastnost: je plin, ki ga je enostavno narediti in lahko potiska.

To preprosto dejstvo pomeni, da tudi kot sanje o fuzijski moči se priplazi bliže, bomo še vedno v steam dobi. Prva komercialna fuzijska tovarna se bo zanašala na Najnovejša tehnologija lahko vsebuje plazmo, ki je veliko bolj vroča od sončnega jedra – vendar bo še vedno povezana s skromno parno turbino, ki pretvarja toploto iz gibanja v elektriko.

Zakaj smo še vedno odvisni od Steama?

Vrela voda zahteva precejšnjo količino energije, daleč največ med običajnimi tekočinami, ki jih poznamo. Voda potrebuje približno 2.5-krat več energije za izhlapevanje kot etanol in 60 odstotkov več kot tekočine iz amoniaka.

Zakaj uporabljamo paro namesto drugih plinov? Voda je poceni, nestrupena in jo je enostavno pretvoriti iz tekočine v energijski plin, preden kondenzira nazaj v tekočino za vedno znova uporabo.

Para je trajala tako dolgo, ker imamo obilico vode, ki pokriva 71 odstotkov zemeljske površine, voda pa je koristen način za pretvorbo toplotne energije (toplote) v mehansko energijo (gibanje) v električno energijo (elektrika). Elektriko iščemo, ker jo je mogoče zlahka prenašati in jo lahko uporabimo za opravljanje dela namesto nas na številnih področjih.

Ko se voda v zaprti posodi spremeni v paro, se močno razširi in poveča pritisk. Visokotlačna para lahko shrani ogromne količine toplote, tako kot kateri koli plin. Če ima odprtino, bo para skozenj švigala z visokim pretokom. Postavite turbino na njeno izhodno pot in sila uhajajoče pare bo zavrtela lopatice turbine. Elektromagneti to mehansko gibanje pretvorijo v elektriko. Para kondenzira nazaj v vodo in postopek se začne znova.

Parni stroji so uporabljali premog za ogrevanje vode, da bi ustvarili paro za pogon motorja. Jedrska cepitev razcepi atome, da proizvede toploto za vrenje vode. Jedrska fuzija bo prisilila težke izotope vodika (devterij in tritij), da se zlijejo v atome helija-3 in ustvarijo še več toplote – da zavrejo vodo in ustvarijo paro za pogon turbin za proizvodnjo električne energije.

Če bi pogledali samo končni proces v večini termoelektrarn – premog, dizel, jedrska cepitev ali celo jedrska fuzija – bi videli staro tehnologijo pare, kolikor je mogoče doseči.

Parne turbine, ki poganjajo velike električne alternatorje, ki proizvedejo 60 odstotkov svetovne električne energije, so nekaj lepega. Stotine let metalurške tehnologije, načrtovanja in zapletene proizvodnje so skoraj izpopolnile parno turbino.

Bomo še naprej uporabljali paro? Nove tehnologije proizvajajo elektriko brez uporabe pare. Sončni kolektorji zanašajo se na prihajajoče fotone, ki zadenejo elektrone v siliciju in ustvarijo naboj, medtem ko vetrne turbine delujejo kot parne turbine, le da turbino piha veter, ne para. Nekatere oblike shranjevanja energije, kot je črpalna hidroelektrarna, uporabljajo turbine, vendar za tekočo vodo, ne za paro, medtem ko baterije sploh ne uporabljajo pare.

Te tehnologije hitro postajajo pomembni viri energije in shranjevanja. Toda para ne izgine. Če bomo uporabljali termoelektrarne, bomo verjetno še vedno uporabljali paro.

Zakaj ne moremo preprosto pretvoriti toplote v elektriko?

Morda se sprašujete, zakaj potrebujemo toliko korakov. Zakaj ne moremo pretvoriti toplote neposredno v elektriko?

Je mogoče. Termoelektrične naprave se že uporabljajo v satelitih in vesoljskih sondah.

Te naprave, izdelane iz posebnih zlitin, kot je svinec-telur, temeljijo na temperaturni vrzeli med vročimi in hladnimi spoji med tema materialoma. Večja kot je temperaturna razlika, večjo napetost lahko ustvarijo.

Razlog, zakaj teh naprav ni povsod, je, da proizvajajo samo enosmerni tok (DC) pri nizkih napetostih in so med 16–22 odstotki učinkoviti pri pretvorbi toplote v električno energijo. Nasprotno pa imajo najsodobnejše termoelektrarne učinkovitost do 46 odstotkov.

Če bi želeli voditi družbo na teh motorjih za pretvorbo toplote, bi potrebovali velike nize teh naprav, da bi proizvedli dovolj visok enosmerni tok in nato uporabili inverterje in transformatorje, da bi ga pretvorili v izmenični tok, ki smo ga vajeni. Torej, čeprav se morda izognete pari, boste morali na koncu dodati nove pretvorbe, da bo električna energija uporabna.

Obstajajo tudi drugi načini za pretvorbo toplote v elektriko. Visokotemperaturne gorivne celice s trdnim oksidom so v razvoju desetletja. Te delujejo vroče – med 500–1,000 stopinjami Celzija – in lahko gorijo vodik ali metanol (brez dejanskega plamena), da proizvedejo enosmerno elektriko.

Te gorivne celice so do 60-odstotno učinkovite in potencialno celo višje. Čeprav so obetavne, te gorivne celice še niso pripravljene za najboljši čas. Imajo drage katalizatorje in kratko življenjsko dobo zaradi močne vročine. Toda napredek je se izdeluje.

Dokler takšne tehnologije ne dozorijo, ostajamo pri pari kot načinu za pretvorbo toplote v električno energijo. To ni tako slabo - para deluje.

Ko vidite parno lokomotivo, ki drvi mimo, bi morda pomislili, da je to čudna tehnologija preteklosti. Toda naša civilizacija je še vedno močno odvisna od pare. če fuzijska moč prispe, bo para pomagala napajati tudi prihodnost. Parna doba se nikoli ni zares končala.

Ta članek je ponovno objavljen Pogovor pod licenco Creative Commons. Preberi Originalni članek.

Kreditno slike: Siemens Pressebild prek Wikimedia Commons

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://singularityhub.com/2024/03/19/even-as-the-fusion-era-comes-into-view-were-still-in-the-steam-age/