線路沿いをガタガタと音を立てる蒸気機関車。マレー川をかき回す外輪船。蒸気機関を動力とする弩級戦艦。

私たちの多くは、蒸気の時代は終わったと考えています。しかし、蒸気エンジンは内燃機関、そして現在は電気モーターに取って代わられていますが、現代世界は依然として蒸気に依存しています。石炭から原子力まで、ほぼすべての火力発電所が機能するには蒸気が必要です。 (ガスプラントは通常そうではありません)。

しかし、なぜ？それは私たちが数千年前に発見した何かのせいです。西暦 1 世紀に、古代ギリシャ人はエオリパイル、つまり蒸気タービンを発明しました。熱は水を蒸気に変えます。蒸気は非常に便利な特性を持っています。それは、押し出すことができる簡単に生成できる気体です。

この単純な事実は、核融合発電の夢であっても、 忍び寄る、私たちはまだ蒸気の時代にいます。最初の商用核融合プラントは、 最先端技術 太陽の核よりもはるかに高温のプラズマを含むことができますが、それでも、熱を運動に電気に変換する簡素な蒸気タービンに結合されることになります。

なぜ私たちは依然として Steam に依存しているのでしょうか?

水を沸騰させるにはかなりのエネルギーが必要ですが、これは私たちがよく知っている一般的な液体の中で最も多くのエネルギーを必要とします。水の蒸発にはエタノールの約 2.5 倍、アンモニア液体の 60 パーセント以上のエネルギーが必要です。

なぜ他のガスではなく蒸気を使用するのでしょうか?水は安価で無毒で、液体から高エネルギーの気体に簡単に変換してから、凝縮して液体に戻して繰り返し使用できます。

蒸気がこれほど長く続いたのは、地球の表面の 71 パーセントを覆う豊富な水が存在するためであり、水は熱エネルギー (熱) を機械エネルギー (運動)、電気エネルギー (電気) に変換するのに有用な方法です。私たちが電気を求めるのは、電気が簡単に送電でき、さまざまな分野で仕事をするために使用できるからです。

密閉容器内で水が蒸気になると、水は大きく膨張し、圧力が上昇します。高圧蒸気は、他のガスと同様に、大量の熱を蓄えることができます。出口が与えられると、蒸気が高流量でそこを通って急増します。出口経路にタービンを設置すると、逃げる蒸気の力でタービンのブレードが回転します。電磁石はこの機械的な動きを電気に変換します。蒸気は凝縮して水に戻り、プロセスが再び始まります。

蒸気エンジンは石炭を使用して水を加熱し、エンジンを駆動するための蒸気を生成しました。核分裂は原子を分裂させて熱を発生させ、水を沸騰させます。核融合では、水素の重い同位体（重水素と三重水素）がヘリウム 3 原子に融合し、さらに多くの熱が発生します。水を沸騰させて蒸気を作り、タービンを回して発電します。

ほとんどの火力発電所の最終プロセス (石炭、ディーゼル、核分裂、さらには核融合) だけを見てみると、蒸気という古い技術が可能な限り活用されていることがわかります。

世界の電力の 60 パーセントを生成する大型オルタネーターを駆動する蒸気タービンは、美しいものです。何百年にもわたる冶金技術、設計、複雑な製造により、蒸気タービンはほぼ完成しました。

このままスチームを使い続けるのでしょうか？新しい技術は、蒸気をまったく使用せずに電気を生成します。 ソーラーパネル 入ってくる光子がシリコン内の電子に衝突して電荷を生成することに依存していますが、 風力タービン 蒸気ではなく風がタービンを吹き飛ばすことを除いて、蒸気タービンと同様に動作します。揚水水力などのエネルギー貯蔵の一部の形式はタービンを使用しますが、蒸気ではなく液体の水を使用しますが、バッテリーは蒸気をまったく使用しません。

これらの技術は急速に重要なエネルギー源と貯蔵源になりつつあります。しかし蒸気は消えません。火力発電所を使うとしても、おそらく蒸気を使うことになるでしょう。

なぜ熱を電気に変換することができないのでしょうか?

なぜこれほど多くの手順が必要なのか疑問に思われるかもしれません。なぜ熱を電気に直接変換できないのでしょうか?

可能です。熱電デバイスはすでに衛星や宇宙探査機で使用されています。

鉛テルルなどの特殊な合金で作られたこれらのデバイスは、これらの材料間の熱接点と冷接点の間の温度差に依存しています。温度差が大きいほど、より大きな電圧を生成できます。

これらのデバイスがどこにでもあるわけではないのは、低電圧でのみ直流 (DC) を生成し、熱を電気に変換する効率が 16 ～ 22% であるためです。対照的に、最先端の火力発電所の効率は最大 46% です。

これらの熱変換エンジンで社会を運営したい場合は、十分に高い直流電流を生成し、それを私たちが慣れ親しんでいる交流に変換するためにインバーターと変圧器を使用するためにこれらのデバイスを大量に配置する必要があります。したがって、蒸気を避けることはできるかもしれませんが、電気を有効に利用するために新しい変換を追加する必要があります。

熱を電気に変える方法は他にもあります。高温固体酸化物型燃料電池の開発が進められている 数十年間。これらは摂氏 500 ～ 1,000 度で高温になり、水素やメタノールを (実際の炎を使わずに) 燃やして DC 電気を生成することができます。

これらの燃料電池の効率は最大 60% であり、さらに高い可能性があります。これらの燃料電池は有望ではありますが、まだゴールデンタイムに向けた準備が整っていません。触媒は高価で、高熱のため寿命が短いです。しかし、進歩というのは、 作られている.

このような技術が成熟するまで、私たちは熱を電気に変換する手段として蒸気を使い続けることになります。それはそれほど悪いことではありません。蒸気は機能します。

蒸気機関車がガタガタ音を立てて通り過ぎるのを見ると、それは過去の奇妙な技術だと思うかもしれません。しかし、私たちの文明は依然として蒸気に大きく依存しています。もし 融合力 蒸気が未来に電力を供給するのにも役立ちます。蒸気の時代は本当に終わることはありませんでした。

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画像のクレジット： シーメンス・プレッセビルド（ウィキメディア・コモンズ経由）

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