Đầu máy hơi nước chạy lạch cạch dọc đường ray. Những chiếc máy hấp có mái chèo đang xuôi dòng sông Murray. Thiết giáp hạm Dreadnought chạy bằng động cơ hơi nước.

Nhiều người trong chúng ta nghĩ rằng thời đại hơi nước đã kết thúc. Nhưng trong khi động cơ hơi nước đã bị thay thế bởi động cơ đốt trong và hiện nay là động cơ điện thì thế giới hiện đại vẫn dựa vào hơi nước. Hầu như tất cả các nhà máy nhiệt điện từ than đến hạt nhân đều phải có hơi nước để hoạt động. (Các nhà máy gas thường không làm như vậy).

Nhưng tại sao? Đó là vì một điều mà chúng ta đã khám phá ra cách đây hàng thiên niên kỷ. Vào thế kỷ thứ nhất CN, người Hy Lạp cổ đại đã phát minh ra aeolipile—tuabin hơi nước. Nhiệt biến nước thành hơi và hơi nước có một đặc tính rất hữu ích: Đó là một loại khí dễ tạo ra và có thể đẩy.

Thực tế đơn giản này có nghĩa là ngay cả khi giấc mơ về năng lượng nhiệt hạch leo gần hơn, chúng ta vẫn sẽ ở thời kỳ hơi nước. Nhà máy nhiệt hạch thương mại đầu tiên sẽ dựa vào công nghệ tiên tiến có thể chứa plasma nóng hơn nhiều so với lõi mặt trời—nhưng nó vẫn sẽ được kết hợp với một tuabin hơi nước khiêm tốn để chuyển đổi nhiệt từ chuyển động thành điện.

Tại sao chúng ta vẫn phụ thuộc vào Steam?

Nước sôi tiêu tốn một lượng năng lượng đáng kể, cao nhất so với các chất lỏng thông thường mà chúng ta quen thuộc. Nước cần năng lượng bay hơi cao hơn khoảng 2.5 lần so với etanol và nhiều hơn 60% so với chất lỏng amoniac.

Tại sao chúng ta sử dụng hơi nước mà không phải các loại khí khác? Nước rẻ, không độc hại và dễ dàng chuyển đổi từ dạng lỏng sang dạng khí giàu năng lượng trước khi ngưng tụ lại thành dạng lỏng để sử dụng nhiều lần.

Hơi nước tồn tại được lâu như vậy là do chúng ta có rất nhiều nước, bao phủ 71% bề mặt Trái đất và nước là một cách hữu ích để chuyển đổi năng lượng nhiệt (nhiệt) thành năng lượng cơ học (chuyển động) thành năng lượng điện (điện). Chúng ta tìm kiếm điện vì nó có thể dễ dàng truyền tải và có thể sử dụng để làm việc cho chúng ta ở nhiều lĩnh vực.

Khi nước chuyển thành hơi nước bên trong một thùng kín, nó sẽ nở ra rất nhiều và làm tăng áp suất. Hơi nước áp suất cao có thể lưu trữ một lượng nhiệt khổng lồ, giống như bất kỳ loại khí nào. Nếu có một lối thoát, hơi nước sẽ tràn qua nó với tốc độ dòng chảy cao. Đặt tuabin vào đường thoát của nó và lực của hơi nước thoát ra sẽ làm quay các cánh tuabin. Nam châm điện chuyển đổi chuyển động cơ học này thành điện năng. Hơi nước ngưng tụ trở lại thành nước và quá trình bắt đầu lại.

Động cơ hơi nước sử dụng than để làm nóng nước tạo ra hơi nước làm động cơ hoạt động. Phản ứng phân hạch hạt nhân tách các nguyên tử để tạo ra nhiệt làm sôi nước. Phản ứng tổng hợp hạt nhân sẽ buộc các đồng vị nặng của hydro (deuterium và tritium) kết hợp thành các nguyên tử helium-3 và tạo ra nhiều nhiệt hơn nữa—để đun sôi nước tạo ra hơi nước để chạy tua-bin tạo ra điện.

Nếu bạn chỉ nhìn vào quá trình cuối cùng ở hầu hết các nhà máy nhiệt điện – than, dầu diesel, phản ứng phân hạch hạt nhân hoặc thậm chí phản ứng tổng hợp hạt nhân – bạn sẽ thấy công nghệ hơi nước cũ đã được phát triển đến mức có thể.

Tua bin hơi nước điều khiển các máy phát điện lớn sản xuất 60% điện năng của thế giới là những thứ rất đẹp. Công nghệ luyện kim, thiết kế và chế tạo phức tạp qua hàng trăm năm đã hoàn thiện tuabin hơi nước.

Chúng ta sẽ tiếp tục sử dụng hơi nước chứ? Các công nghệ mới sản xuất điện mà không cần sử dụng hơi nước. Tấm năng lượng mặt trời dựa vào các photon tới chạm vào các electron trong silicon và tạo ra điện tích, trong khi tua-bin gió hoạt động giống như tua bin hơi nước ngoại trừ gió thổi tua bin chứ không phải hơi nước. Một số hình thức lưu trữ năng lượng, chẳng hạn như thủy điện được bơm, sử dụng tua-bin nhưng dành cho nước lỏng chứ không phải hơi nước, trong khi pin hoàn toàn không sử dụng hơi nước.

Những công nghệ này đang nhanh chóng trở thành nguồn năng lượng và lưu trữ quan trọng. Nhưng hơi nước sẽ không biến mất. Nếu chúng ta sử dụng các nhà máy nhiệt điện, chúng ta có thể vẫn sẽ sử dụng hơi nước.

Tại sao chúng ta không thể chuyển đổi nhiệt thành điện?

Bạn có thể thắc mắc tại sao chúng ta cần nhiều bước như vậy. Tại sao chúng ta không thể chuyển đổi nhiệt trực tiếp thành điện năng?

Điều đó là có thể. Các thiết bị nhiệt điện đã được sử dụng trong các vệ tinh và tàu thăm dò không gian.

Được chế tạo từ các hợp kim đặc biệt như chì-telurium, các thiết bị này dựa vào khoảng cách nhiệt độ giữa các điểm nối nóng và lạnh giữa các vật liệu này. Chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì điện áp chúng có thể tạo ra càng lớn.

Lý do những thiết bị này không có ở khắp mọi nơi là vì chúng chỉ tạo ra dòng điện một chiều (DC) ở điện áp thấp và có hiệu suất chuyển đổi nhiệt thành điện từ 16–22%. Ngược lại, các nhà máy nhiệt điện hiện đại có hiệu suất lên tới 46%.

Nếu chúng ta muốn vận hành một xã hội bằng những động cơ chuyển đổi nhiệt này, chúng ta sẽ cần một dãy lớn các thiết bị này để tạo ra dòng điện một chiều đủ cao, sau đó sử dụng bộ biến tần và máy biến áp để chuyển đổi nó thành dòng điện xoay chiều mà chúng ta vẫn quen sử dụng. Vì vậy, mặc dù bạn có thể tránh sử dụng hơi nước nhưng cuối cùng bạn vẫn phải thêm các chuyển đổi mới để làm cho điện trở nên hữu ích.

Có nhiều cách khác để biến nhiệt thành điện. Pin nhiên liệu oxit rắn nhiệt độ cao đang được phát triển trong nhiều thập kỷ. Những thứ này nóng lên – trong khoảng 500–1,000 độ C – và có thể đốt cháy hydro hoặc metanol (không cần ngọn lửa thực sự) để tạo ra điện một chiều.

Những pin nhiên liệu này có hiệu suất lên tới 60% và thậm chí còn có khả năng cao hơn. Mặc dù đầy hứa hẹn nhưng những pin nhiên liệu này vẫn chưa sẵn sàng để sử dụng. Chúng có chất xúc tác đắt tiền và tuổi thọ ngắn do nhiệt độ cao. Nhưng sự tiến bộ là được làm.

Cho đến khi những công nghệ như thế này trưởng thành, chúng ta vẫn còn sử dụng hơi nước để chuyển nhiệt thành điện. Điều đó không tệ lắm—hơi nước hoạt động.

Khi bạn nhìn thấy một đầu máy hơi nước chạy rầm rầm qua, bạn có thể nghĩ đó là một công nghệ kỳ lạ của quá khứ. Nhưng nền văn minh của chúng ta vẫn phụ thuộc rất nhiều vào hơi nước. Nếu như Sức mạnh hợp nhất đến, hơi nước cũng sẽ giúp cung cấp năng lượng cho tương lai. Thời đại hơi nước chưa bao giờ thực sự kết thúc.

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Ảnh: Siemens Pressebild qua Wikimedia Commons

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://singularityhub.com/2024/03/19/even-as-the-fusion-era-comes-into-view-were-still-in-the-steam-age/