لوکوموتیوهای بخار در امتداد ریل راه آهن تلق می زنند. بخارهای پارویی که از موری پایین می آیند. کشتی های جنگی Dreadnought با موتورهای بخار کار می کنند.
بسیاری از ما فکر می کنیم که عصر بخار به پایان رسیده است. اما در حالی که موتورهای بخار جایگزین موتورهای احتراق داخلی و اکنون موتورهای الکتریکی شده است، دنیای مدرن هنوز به بخار متکی است. تقریباً تمام نیروگاه های حرارتی، از زغال سنگ گرفته تا هسته ای، برای کارکرد باید دارای بخار باشند. (کارخانه های گاز معمولا این کار را نمی کنند).
اما چرا؟ این به دلیل چیزی است که هزاران سال پیش کشف کردیم. در قرن اول پس از میلاد، یونانیان باستان aeolipile - یک توربین بخار را اختراع کردند. گرما آب را به بخار تبدیل می کند و بخار یک خاصیت بسیار مفید دارد: این گازی است که به راحتی ساخته می شود و می تواند فشار دهد.
این واقعیت ساده به این معنی است که حتی به عنوان رویای قدرت همجوشی نزدیک تر می خزد، ما هنوز در عصر بخار خواهیم بود. اولین کارخانه همجوشی تجاری به آن تکیه خواهد کرد تکنولوژی پیشرفته قادر است پلاسما بسیار داغتر از هسته خورشید را در خود جای دهد - اما همچنان به یک توربین بخار فروتن متصل می شود که گرما را به حرکت به برق تبدیل می کند.
چرا ما هنوز به Steam متکی هستیم؟
جوشاندن آب مقدار قابل توجهی انرژی می گیرد که بالاترین مقدار در بین مایعات رایجی است که ما با آن آشنا هستیم. آب برای تبخیر 2.5 برابر بیشتر از اتانول و 60 درصد بیشتر از مایعات آمونیاکی برای تبخیر شدن نیاز دارد.
چرا به جای گازهای دیگر از بخار استفاده می کنیم؟ آب ارزان، غیرسمی است و به آسانی از مایع به گاز پرانرژی تبدیل می شود، قبل از اینکه دوباره و دوباره به مایع تبدیل شود.
بخار این مدت طولانی دوام آورده است زیرا ما آب فراوانی داریم که 71 درصد از سطح زمین را پوشانده است و آب راه مفیدی برای تبدیل انرژی حرارتی (گرما) به انرژی مکانیکی (حرکت) به انرژی الکتریکی (الکتریسیته) است. ما به دنبال برق هستیم زیرا به راحتی قابل انتقال است و می توان از آن برای انجام کار در بسیاری از مناطق برای ما استفاده کرد.
هنگامی که آب در داخل یک ظرف دربسته به بخار تبدیل می شود، به شدت منبسط می شود و فشار را افزایش می دهد. بخار فشار بالا می تواند مقادیر زیادی گرما را ذخیره کند، مانند هر گازی. اگر خروجی داده شود، بخار با سرعت جریان بالا از آن عبور می کند. یک توربین را در مسیر خروجی آن قرار دهید تا نیروی بخار خروجی، پره های توربین را بچرخاند. الکترومغناطیس این حرکت مکانیکی را به الکتریسیته تبدیل می کند. بخار دوباره به آب متراکم می شود و فرآیند دوباره شروع می شود.
موتورهای بخار از زغال سنگ برای گرم کردن آب برای ایجاد بخار برای به حرکت درآوردن موتور استفاده می کردند. شکافت هسته‌ای اتم‌ها را شکافته تا گرما را برای جوشاندن آب ایجاد کند. همجوشی هسته‌ای ایزوتوپ‌های سنگین هیدروژن (دوتریوم و تریتیوم) را مجبور می‌کند تا به اتم‌های هلیوم 3 ترکیب شوند و گرمای بیشتری ایجاد کنند - برای جوشاندن آب برای تولید بخار و به حرکت درآوردن توربین‌ها برای تولید برق.
اگر فقط به فرآیند نهایی در اکثر نیروگاه های حرارتی - زغال سنگ، گازوئیل، شکافت هسته ای یا حتی گداخت هسته ای- نگاه کنید، می بینید که فن آوری قدیمی بخار تا آنجا که می توان برداشت کرد.
توربین‌های بخار که دینام‌های بزرگ الکتریکی را که 60 درصد برق جهان را تولید می‌کنند، چیزهای زیبایی هستند. صدها سال تکنولوژی متالورژی، طراحی و ساخت پیچیده، توربین بخار را کامل کرده است.
آیا به استفاده از بخار ادامه خواهیم داد؟ فناوری های جدید بدون استفاده از بخار برق تولید می کنند. پنل های خورشیدی تکیه بر فوتون های ورودی که با الکترون های سیلیکون برخورد می کنند و بار ایجاد می کنند، در حالی که توربین های بادی مانند توربین‌های بخار عمل می‌کنند، مگر اینکه باد توربین را می‌وزاند، نه بخار. برخی از اشکال ذخیره انرژی، مانند آب پمپاژ شده، از توربین ها استفاده می کنند اما برای آب مایع، نه بخار، در حالی که باتری ها اصلا از بخار استفاده نمی کنند.
این فناوری ها به سرعت در حال تبدیل شدن به منابع مهم انرژی و ذخیره سازی هستند. اما بخار از بین نمی رود. اگر از نیروگاه های حرارتی استفاده کنیم، احتمالاً همچنان از بخار استفاده خواهیم کرد.
چرا نمی توانیم گرما را فقط به برق تبدیل کنیم؟
شاید تعجب کنید که چرا ما به این همه مراحل نیاز داریم. چرا نمی توانیم گرما را مستقیماً به برق تبدیل کنیم؟
ممکن است. دستگاه های ترمو الکتریک در حال حاضر در ماهواره ها و کاوشگرهای فضایی استفاده می شوند.
این دستگاه‌ها که از آلیاژهای ویژه‌ای مانند سرب-تلوریم ساخته شده‌اند، به شکاف دمایی بین اتصالات سرد و گرم بین این مواد متکی هستند. هرچه اختلاف دما بیشتر باشد، ولتاژ بیشتری می توانند تولید کنند.
دلیل اینکه این دستگاه ها در همه جا وجود ندارند این است که آنها فقط جریان مستقیم (DC) را در ولتاژهای پایین تولید می کنند و در تبدیل گرما به برق بین 16 تا 22 درصد کارایی دارند. در مقابل، نیروگاه های حرارتی پیشرفته تا 46 درصد راندمان هستند.
اگر می‌خواهیم جامعه‌ای را بر روی این موتورهای تبدیل گرما راه‌اندازی کنیم، به آرایه‌های بزرگی از این دستگاه‌ها نیاز داریم تا جریان DC به اندازه کافی بالا تولید کنند و سپس از اینورترها و ترانسفورماتورها برای تبدیل آن به جریان متناوب که به آن عادت داریم استفاده کنیم. بنابراین در حالی که ممکن است از بخار اجتناب کنید، در نهایت مجبور می شوید تبدیل های جدیدی اضافه کنید تا برق مفید باشد.
راه های دیگری برای تبدیل گرما به برق وجود دارد. سلول های سوختی اکسید جامد با دمای بالا در حال توسعه هستند برای چندین دهه. اینها گرم - بین 500 تا 1,000 درجه سانتیگراد - کار می کنند و می توانند هیدروژن یا متانول (بدون شعله واقعی) را برای تولید الکتریسیته DC بسوزانند.
این پیل‌های سوختی تا 60 درصد کارآمد هستند و به طور بالقوه حتی بالاتر هستند. این پیل‌های سوختی در حالی که امیدوارکننده هستند، هنوز برای پرایم تایم آماده نیستند. آنها به دلیل گرمای شدید کاتالیزورهای گران قیمت و طول عمر کوتاهی دارند. اما پیشرفت است ساخته شدن.
تا زمانی که فناوری‌هایی مانند این بلوغ نشوند، ما با بخار به عنوان راهی برای تبدیل گرما به برق گیر می‌کنیم. این خیلی بد نیست - بخار کار می کند.
وقتی می‌بینید که یک لوکوموتیو بخار در حال عبور است، ممکن است فکر کنید که این یک فناوری عجیب و غریب از گذشته است. اما تمدن ما هنوز به شدت به بخار متکی است. اگر قدرت همجوشی می رسد، بخار به آینده نیز کمک خواهد کرد. عصر بخار واقعاً به پایان نرسید.
این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.
تصویر های اعتباری: زیمنس Pressebild از طریق Wikimedia Commons
- محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
- PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
- PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
- PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
- منبع: https://singularityhub.com/2024/03/19/even-as-the-fusion-era-comes-into-view-were-still-in-the-steam-age/
