Energia – od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #6 - jak poprawnie mówić o energii i dlaczego tego nie robimy? (cz. 3)

W poprzednim tekście omówiliśmy kilka „skrótów myślowych” dotyczących energii, z których większość z nas korzysta na co dzień. Rozumiane dosłownie mogą powodować błędne wyobrażenie o naturze danego zjawiska, czy procesie technologicznym. Niestety, ale to właśnie ich ogromna złożoność i hierarchiczność powoduje, że jesteśmy na takie skróty skazani. W obecnym tekście przyjrzymy się kolejnej porcji skrótów myślowych.

Uwalnianie energii:

Skoro coś uwalniamy, to czy to „coś” jest uwięzione w „czymś” innym? Często spotykamy się z nie do końca prawdziwym rozumieniem słynnego równania o równoważności energii i masy. Teoretycznie jednak możemy założyć, że energia jest „uwięziona” w masie i działając odpowiednio na tą masę „uwalniamy” energię. Np. spalając węgiel, drewno w kominku itp. Poprzez proces trawienia „uwalniamy” energię zawartą w chlebie lub jakimkolwiek innym pożywieniu. Jest to często stosowany skrót myślowy, używany do opisu wielu procesów energetycznych. Powoduje on wiele nieporozumień, ale to uproszczenie stosują prawie wszyscy. To „uwalnianie” jest oczywiście poddaniem materii odpowiednim procesom (spalania, reakcji jądrowej itp.).

Pochłanianie energii:

Z tym zagadnieniem możemy się spotkać np. w przemyśle samochodowym. Niestety, ale często w trakcie wypadków samochodowych mamy do czynienia z bardzo dużą energią kinetyczną, która niszczy samochód, ale także jego pasażerów. Jeśli energia jest skupiona w małym obszarze i działa przez bardzo krótki czas, może powodować bardzo poważne skutki. Aby temu zaradzić szuka się takich materiałów, które ją pochłoną (np. zderzak, strefy zgniotu itp.). Oczywiście nie należy tego interpretować w sensie pochłaniania wody przez gąbkę. Gąbka po wchłonięciu wody zawiera wodę w sobie. W przypadku elementów samochodu chodzi o to, aby energię rozproszyć na większy obszar oraz ją wytłumić i zwiększyć czas działania (dla tej samej wartości energii). Niektóre elementy celowo muszą ulec znacznej deformacji oraz pęknięciu. Energia zamiast niszczyć istotne elementy oraz ludzi, niszczy to, co zostało do tego zaprojektowane. W efekcie, energia docierająca do pasażerów jest zmniejszona i wywołuje łagodniejsze obrażenia.

Idealnym i dość zaskakującym, dla niektórych przykładem „pochłaniania energii” jest tzw. pancerz reaktywny stosowany w czołgach i innych pojazdach opancerzonych. Może się to wydać nieprawdopodobne, ale takie pancerze zwierają materiały wybuchowe, które odpowiednio reagują na przebijający pancerz pocisk. W przypadku trafienia pocisku dochodzi do eksplozji materiału wybuchowego. Jest to skuteczny sposób na zwalczanie tzw. przeciwpancernych pocisków kumulacyjnych. Taki pocisk jest niszczony zanim zdąży się wytworzyć strumień kumulacyjny, przebijający wszystkie pancerze pojazdu.

Co się może stać kiedy energia nie zostanie rozproszona? Ciekawym przykładem była katastrofa słynnego detektora neutrin Super-Kamiokande. Podziemny detektor będący olbrzymim zbiornikiem wypełniony jest 50 tys. ton ultra czystej wody. Otoczony jest 11 tys. fotodetektorów. W 2001 roku podczas napełniania detektora, zdarzył się wypadek polegający na implozji jednego z fotodetektorów (implozji, ponieważ w fotodetektorach jest próżnia).

Jak do tego doszło? Fotodetektory znajdują się w wodzie, która jest nieściśliwa. Energia implozji prawie nie uległa rozproszeniu i została przekazana do kolejnych fotodetektorów. Powstało coś na wzór reakcji łańcuchowej, która w konsekwencji zniszczyła prawie 7 tys. fotodetektorów. Detektor został odbudowany, ale już z zastosowaniem specjalnych osłon, mającyh odpowiednio rozpraszać energię.

Zatem pochłanianie energii to zazwyczaj jej rozproszenie, wydłużenie czasu działania oraz stosowanie elementów przeznaczonych do deformacji/zniszczenia. „Pochłonięta” energia nie jest więc przechowywana w materiale który ją „pochłonął”. Część „pochłoniętej” energii jest emitowana do otoczenia w postaci ciepła. Oczywiście jak zwykle są wyjątki. W reaktorach o moderatorze grafitowym występuje tzw. efekt Wignera, gdzie część energii może zostać zmagazynowana w postaci deformacji w sieci krystalicznej. Jej nagłe uwolnienie w późniejszym okresie może wywołać niepożądane skutki.

Pobór energii/prądu:

Pobór zazwyczaj kojarzy nam się z pobraniem czegoś z magazynu, czy też z poborem opłaty/podatku. Czyli ktoś komuś „coś” daje i to „coś” znajduje się już w innym miejscu. Czy jak odkurzacz lub toster pobiera prąd to się zmienia? Czy coś się do niego dostaje? Czy czegoś tam przybywa lub czy zmienia się jego skład chemiczny? Oczywiście, że nie. Nie ma znaczenia czy ten prąd jest „pobierany” z sieci, czy też z akumulatorów/baterii. To, że coś pobieramy niekoniecznie musi oznaczać, że gdzie indziej ubywa materii.

Ładowanie źródeł energii:

Wszyscy codziennie „ładujemy” swoje smartfony. Oczywiście nic do nich nie dodajemy. Proces ładowania powoduje zachodzenie odpowiednich reakcji chemicznych w baterii. Pozwala nam to na korzystanie z urządzenia po odłączeniu go od ładowarki. Potoczne określenie ładowania butli z gazem to oczywiście umieszczanie źródła energii (gazu) w butli, a nie ładowania źródła energii.

Źródła energii:

„Czerpiemy” energię z różnych źródeł. Co może być źródłem energii i co to znaczy, że coś jest źródłem energii? Teoretycznie, w dużym przybliżeniu możemy powiedzieć, że źródłem energii mógłby być każdy rodzaj materii/antymaterii. Jest to pojęcie dość rozbudowane, bo oczywiście wiatr także zalicza się do źródeł energii i to na dodatek odnawialnych. Nie są, więc to tylko paliwa materialne. Czerpanie „energii” z tych źródeł polega, więc na zachodzeniu odpowiednich procesów. Przy czym jeden rodzaj substancji może stanowić źródło dla wielu różnych procesów.

Czy należy rozumieć wyczerpanie źródła analogicznie do źródełka z wodą? Są pewne podobieństwa. Benzyna „znika” przecież z baku, ale pojawia się w otoczeniu w postaci spalin. Woda ze źródełka zostaje wypita lub zużyta na inne cele. Także i ona nie znika, ale zostaje wprowadzona do otoczenia w postaci pary wodnej, potu i innych produktów przemiany materii. Oczywiste jest jak wygląda to w postaci drewna, węgla, czy akumulatorów.

Jedna substancja jako źródło energii dla wielu różnych procesów:

Ciekawym przykładem jest wodór. Jego użycie jako surowca energetycznego zależy od rozwoju cywilizacyjnego, czyli od posiadania odpowiedniej technologii i potrzeby jej użycia. Oczywiście wodór można spalać w sensie chemicznym i tym właśnie zajmuje się energetyka wodorowa. Drugim sposobem są reakcje termojądrowe, w których wykorzystuje się głównie dwa cięższe izotopy wodoru (deuter i tryt). Od lat trwają próby skonstruowania reaktora termojądrowego, który będzie można zastosować w elektrowniach termojądrowych. To byłby ogromny przełom dla ludzkości.

Trzeci przykład, stanowiący ciekawostkę naukową, a nie realne zastosowanie (chyba, że w dalekiej przyszłości) to proces anihilacji materii i antymaterii. W 1995 roku wytworzono antywodór (tak, w tym przypadku „wytworzono” ma uzasadnienie). Oczywiście jego ilość nie pozwala na powszechne zastosowanie.

To pokazuje, że jeden rodzaj materii może stanowić paliwo, dla całkowicie różnych procesów. Jak łatwo się domyśleć te trzy możliwości nie są jedynymi. Natura jest dużo bardziej ciekawsza i skomplikowana. Ale o tym opowiem już w kolejnej odsłonie naszego cyklu.