Le locomotive a vapore sferragliano lungo i binari della ferrovia. Piroscafi a ruote che sfrecciano lungo il Murray. Corazzate dreadnought alimentate da motori a vapore.

Molti di noi pensano che l’era del vapore sia finita. Ma mentre il motore a vapore è stato sostituito dai motori a combustione interna e ora dai motori elettrici, il mondo moderno fa ancora affidamento sul vapore. Quasi tutte le centrali termoelettriche, dal carbone al nucleare, devono avere vapore per funzionare. (Gli impianti a gas di solito no).

Ma perché? È a causa di qualcosa che abbiamo scoperto millenni fa. Nel I secolo d.C. gli antichi greci inventarono l'eolipile, una turbina a vapore. Il calore ha trasformato l'acqua in vapore e il vapore ha una proprietà molto utile: è un gas facile da produrre che può spingere.

Questo semplice fatto significa che anche il sogno dell'energia da fusione si avvicina lentamente, saremo ancora nell’era del vapore. Si baserà sul primo impianto di fusione commerciale tecnologia all'avanguardia capace di contenere plasma molto più caldo del nucleo del sole, ma sarà comunque abbinato a un’umile turbina a vapore che converte il calore in movimento in elettricità.

Perché dipendiamo ancora da Steam?

Far bollire l'acqua richiede una notevole quantità di energia, di gran lunga la più elevata tra i comuni liquidi a noi familiari. L’acqua impiega circa 2.5 volte più energia per evaporare rispetto all’etanolo e il 60% in più rispetto ai liquidi a base di ammoniaca.

Perché utilizziamo il vapore anziché altri gas? L’acqua è economica, non tossica e facile da trasformare da liquida a gas energetico prima di condensarsi nuovamente in liquido per essere utilizzata ancora e ancora.

Il vapore è durato così a lungo perché abbiamo abbondanza di acqua, che copre il 71% della superficie terrestre, e l’acqua è un modo utile per convertire l’energia termica (calore) in energia meccanica (movimento) in energia elettrica (elettricità). Cerchiamo l'elettricità perché può essere facilmente trasmessa e può essere utilizzata per lavorare per noi in molte aree.

Quando l'acqua viene trasformata in vapore all'interno di un contenitore chiuso, si espande enormemente e aumenta la pressione. Il vapore ad alta pressione può immagazzinare enormi quantità di calore, così come qualsiasi gas. Se viene fornita una presa, il vapore la attraverserà con portate elevate. Metti una turbina nel suo percorso di uscita e la forza del vapore in fuga farà girare le pale della turbina. Gli elettromagneti convertono questo movimento meccanico in elettricità. Il vapore si condensa nuovamente in acqua e il processo ricomincia.

I motori a vapore utilizzavano il carbone per riscaldare l'acqua per creare vapore per azionare il motore. La fissione nucleare divide gli atomi per produrre calore per far bollire l'acqua. La fusione nucleare costringerà gli isotopi pesanti dell’idrogeno (deuterio e trizio) a fondersi negli atomi di elio-3 e a creare ancora più calore: far bollire l’acqua per produrre vapore per azionare le turbine per produrre elettricità.

Se guardassi solo al processo finale nella maggior parte delle centrali termoelettriche – carbone, diesel, fissione nucleare o anche fusione nucleare – vedresti la vecchia tecnologia del vapore portata fino ai limiti possibili.

Le turbine a vapore che azionano i grandi alternatori elettrici che producono il 60% dell'elettricità mondiale sono cose meravigliose. Centinaia di anni di tecnologia metallurgica, progettazione e produzione complessa hanno quasi perfezionato la turbina a vapore.

Continueremo a usare il vapore? Le nuove tecnologie producono elettricità senza utilizzare affatto il vapore. Pannelli solari fare affidamento sui fotoni in arrivo che colpiscono gli elettroni nel silicio e creano una carica, mentre turbine eoliche funzionano come le turbine a vapore, tranne che con il vento che soffia sulla turbina, non con il vapore. Alcune forme di stoccaggio dell’energia, come l’idropompaggio, utilizzano le turbine ma per l’acqua liquida, non per il vapore, mentre le batterie non utilizzano affatto vapore.

Queste tecnologie stanno rapidamente diventando importanti fonti di energia e di stoccaggio. Ma il vapore non scomparirà. Se utilizziamo le centrali termoelettriche, probabilmente utilizzeremo ancora il vapore.

Perché non possiamo semplicemente convertire il calore in elettricità?

Potresti chiederti perché abbiamo bisogno di così tanti passaggi. Perché non possiamo convertire il calore direttamente in elettricità?

È possibile. I dispositivi termoelettrici sono già in uso nei satelliti e nelle sonde spaziali.

Costruiti con leghe speciali come piombo-tellurio, questi dispositivi si basano su un intervallo di temperatura tra le giunzioni calde e fredde tra questi materiali. Maggiore è la differenza di temperatura, maggiore è la tensione che possono generare.

Il motivo per cui questi dispositivi non sono ovunque è che producono solo corrente continua (CC) a basse tensioni e hanno un’efficienza compresa tra il 16 e il 22% nel convertire il calore in elettricità. Al contrario, le centrali termoelettriche più moderne hanno un rendimento fino al 46%.

Se volessimo gestire una società con questi motori di conversione del calore, avremmo bisogno di grandi schiere di questi dispositivi per produrre corrente continua sufficientemente elevata e quindi utilizzare inverter e trasformatori per convertirla nella corrente alternata a cui siamo abituati. Quindi, anche se potresti evitare il vapore, finisci per dover aggiungere nuove conversioni per rendere utile l’elettricità.

Esistono altri modi per trasformare il calore in elettricità. Sono in fase di sviluppo celle a combustibile a ossido solido ad alta temperatura per decenni. Questi funzionano a temperature elevate, tra 500 e 1,000 gradi Celsius, e possono bruciare idrogeno o metanolo (senza una vera fiamma) per produrre elettricità CC.

Queste celle a combustibile sono efficienti fino al 60% e potenzialmente anche di più. Sebbene promettenti, queste celle a combustibile non sono ancora pronte per il debutto. Hanno catalizzatori costosi e una durata di vita breve a causa del calore intenso. Ma il progresso sì fatto.

Fino a quando tecnologie come queste non matureranno, saremo costretti a utilizzare il vapore come mezzo per convertire il calore in elettricità. Non è poi così male: il vapore funziona.

Quando vedi passare una locomotiva a vapore sferragliante, potresti pensare che sia una tecnologia pittoresca del passato. Ma la nostra civiltà fa ancora molto affidamento sul vapore. Se potere di fusione arriva, il vapore aiuterà anche ad alimentare il futuro. L’era del vapore non è mai veramente finita.

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

Immagine di credito: Siemens Pressebild tramite Wikimedia Commons

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• Fonte: https://singularityhub.com/2024/03/19/even-as-the-fusion-era-comes-into-view-were-still-in-the-steam-age/