Kolosalne koszty zewnętrzne sektorów energii i transportu
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Ciekawostki
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Inżynierowie z University of Massachusetts Amherst wykazali, że z niemal każdego materiału można stworzyć urządzenie pobierające energię elektryczną z pary wodnej zawartej w powietrzu. Wystarczy utworzyć w tym materiale nanopory o średnicy mniejszej niż 100 nanometrów. To niezwykle ekscytujące. Otworzyliśmy drogę do wytwarzania czystej energii z powietrza, cieszy się główny autor artykułu opisującego badania, świeżo upieczony inżynier Xiaomeng Liu.
Powietrze zawiera olbrzymie ilości energii elektrycznej. Weźmy na przykład chmurę, która jest niczym innym jak masą kropelek wody. Każda z tych kropelek zawiera ładunek elektryczny i w odpowiednich warunkach dochodzi do wyładowania. Nie potrafimy jednak pozyskiwać energii z tych wyładowań. Natomiast my stworzyliśmy niewielką chmurę, która wytwarza energię w sposób przewidywalny, możemy więc ją zbierać, dodaje profesor Jun Yao.
U podstaw najnowszego odkrycia znajduje się praca Yao i Dereka Levleya, którzy w 2020 roku wykazali, że możliwe jest nieprzerwane pozyskiwanie energii elektrycznej z powietrza za pomocą specjalnego materiału złożonego z nanokabli zbudowanych z białek bakterii Geobacter sulfureducens. Po tym, jak dokonaliśmy tego odkrycia zauważyliśmy, że tak naprawdę zdolność pozyskiwania energii z powietrza jest wbudowana w każdy materiał, który posiada pewne właściwości, mówi Yao. Wystarczy, by materiał ten zawierał pory o średnicy mniejszej niż 100 nanometrów, czyli ok. 1000-krotnie mniejszej niż średnica ludzkiego włosa.
Dzieje się tak dzięki parametrowi znanemu jako średnia droga swobodna. Jest to średnia odległość, jaką przebywa cząsteczka przed zderzeniem z inną cząsteczką. W tym wypadku mowa o cząsteczce wody w powietrzu. Średnia droga swobodna wynosi dla niej około 100 nanometrów. Yao i jego zespół zdali sobie sprawę, że mogą wykorzystać ten fakt do pozyskiwania energii elektrycznej. Jeśli ich urządzenie będzie składało się z bardzo cienkiej warstwy dowolnego materiału pełnego porów o średnicy mniejszej niż 100 nanometrów, wówczas molekuły wody będą wędrowały z górnej do dolnej części takiego urządzenia. Po drodze będą uderzały w krawędzie porów. Górna część urządzenia będzie bombardowana większą liczbą cząstek wody, niż dolna. Pojawi się w ten sposób nierównowaga ładunków jak w chmurze, której górna część jest bardziej naładowana niż dolna. W ten sposób powstanie bateria, która będzie działała dopóty, dopóki w powietrzu jest wilgoć.
To bardzo prosty pomysł, ale nikt wcześniej na niego nie wpadł. Otwiera to wiele nowych możliwości, mówi Yao. Jako, że tego typu urządzenie można zbudować praktycznie z każdego materiału, można je umieścić w różnych środowiskach. Możemy wybrazić sobie takie baterie z jednego materiału działające w środowisku wilgotnym, a z innego – w suchym. A że wilgoć w powietrzu jest zawsze, to urządzenie będzie działało przez całą dobę, niezależnie od pory dnia i roku.
Poza tym, jako że powietrze rozprzestrzenia się w trzech wymiarach, a my potrzebujemy bardzo cienkiego urządzenia, cały system bardzo łatwo można skalować, zwiększając jego wydajność i pozyskując nawet kilowaty mocy.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Co łączy uniwersyteckie laboratorium w Chicago, gdzie naukowcy schładzają atomy do temperatury bliskiej zeru absolutnemu, uzyskując egzotyczny stan materii, z widocznymi przez okna drzewami uzyskującymi energię z fotosyntezy? Pozornie nic, ale najnowsze badania prowadzone na University of Chicago sugerują, że to, co robią naukowcy i to, co robią drzewa, może być bardziej podobne, niż nam się wydaje. Uczeni poinformowali właśnie na łamach PRX Energy, że znaleźli podobieństwa na poziomie atomowym pomiędzy fotosyntezą a kondensatami ekscytonowymi, niezwykłym stanem materii, który pozwala na bezstratne przesyłanie energii przez materiał. Odkrycie to może prowadzić do znacznego udoskonalenia elektroniki.
O ile nam wiadomo, nikt wcześniej nie zauważył tych podobieństw, a to, co odkryliśmy jest niezwykle ekscytujące, mówi współautor badań, profesor David Mazziotti.
Laboratorium Mazziottiego specjalizuje się w modelowaniu niezwykle złożonych interakcji pomiędzy atomami i molekułami. Przed trzema laty wykazano tam na przykład, że możliwe jest istnienie podwójnego kondensatu fermionów i ekscytonów, a spostrzeżenie to może zrewolucjonizować obrazowanie medyczne.
W ostatnim czasie Mazziotti oraz Anna Schouten i LeeAnn Sager-Smith modelowali zjawisko fotosyntezy na poziomie molekularnym. Gdy foton ze Słońca uderza w liść, dochodzi do wyładowania w specjalnej molekule. Energia tego wyładowania uwalnia elektron. Następnie elektron ten, wraz z dziurą, w której był, wędrują przez liść, przenosząc energię do miejsca, w którym rozpoczyna ona reakcję chemiczną wytwarzającą cukry odżywiające roślinę. Ta wędrująca para elektron-dziura zwana jest ekscytonem. Gdy naukowcy stworzyli model przemieszczania się wielu takich ekscytonów, zauważyli znany sobie wzorzec. Okazało się, że ekscytony w liściu czasem zachowują się bardzo podobnie do kondensatu Bosego-Einsteina, zwanego czasem piątym stanem materii.
W kondensacie Bosego-Einsteina cząstki zachowują się jak jedna cząstka. Dzięki temu w materiale takim energia może być przemieszczana bez strat. Zaobserwowanie takiego stanu materii podczas fotosyntezy to olbrzymie zaskoczenie, gdyż dotychczas kondensat Bosego-Einsteina obserwowano w bardzo niskich temperaturach. Naukowcy mówią, że to tak, jakbyśmy obserwowali kostki lodu tworzące się w filiżance gorącej kawy. Fotosynteza zachodzi w systemach w temperaturze pokojowej. Co więcej, struktura takich systemów jest nieuporządkowana. To warunki całkowicie odmienne od dziewiczych krystalicznych materiałów i niskich temperatur, w jakich uzyskuje się kondensaty elektronowe, mówi Schouten.
Zaobserwowane zjawisko nie obejmuje całego systemu, w którym dochodzi do fotosyntezy. Bardziej przypomina pojawiające się „wyspy” kondensatu. To jednak wystarczy, by zwiększyć transfer energii w systemie, wyjaśnia Sager-Smith. Z modelu wynika, że te „wyspy” podwajają wydajność całego procesu.
Profesor Mazziotti jest zadowolony z odkrycia i mówi, że otwiera ono nowe możliwości w dziedzinie syntezy materiałów na potrzeby technologii przyszłości. Idealny kondensat ekscytonowy to stan bardzo wrażliwy i wiele warunków musi być spełnionych, by zaistniał. Ale jeśli myślimy o praktycznych zastosowaniach, to nie potrzebujemy ideału. To ekscytujące obserwować zjawisko, które zwiększa wydajność transferu energii, ale zachodzi w temperaturze pokojowej, cieszy się uczony.
Naukowiec zauważa jeszcze jedną ważną rzecz. Zachodzące w procesie fotosyntezy interakcje pomiędzy atomami a molekułami są tak złożone, że z ich symulowaniem nie radzą sobie nawet najpotężniejsze superkomputery. Dlatego też podczas badania tych zjawisk dokonuje się uproszczeń. Najnowsze odkrycie pokazuje, że niektórych elementów upraszczać nie należy. Sądzimy, że lokalne korelacje elektronów muszą pozostać, byśmy mogli badać, jak działa natura.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Przed dziewięciu laty profesor Chris Greening i jego koledzy z Monash University zainteresowali się Mycobacterium smegmatis. Ta niezwykła bakteria może przetrwać wiele lat bez dostępu do organicznych źródeł pożywienia. Ku zdumieniu australijskich naukowców okazało się, że M. smegmatis pobiera wodór z atmosfery i wykorzystuje go produkcji energii. Teraz naukowcom udało się wyekstrahować enzym odpowiedzialny za cały proces. Mają nadzieję, że uda się go wykorzystać do produkcji tanich wydajnych ogniw paliwowych.
Enzym hydrogenazy, zwany Huc, ma tak wysokie powinowactwo do wodoru, że utlenia wodór atmosferyczny, mówi Greening. Huc jest niezwykle wydajny. W przeciwieństwie do innych znanych enzymów i katalizatorów korzysta z wodoru poniżej poziomu atmosferycznego, który stanowi 0,00005% powietrza, którym oddychamy – dodaje uczony. Od pewnego czasu wiedzieliśmy, że bakterie mogą wykorzystywać wodór atmosferyczny jako źródło energii. Jednak do teraz nie wiedzieliśmy, jak to robią – stwierdza.
Bliższe badania ujawniły, że Huc niezwykle wydajnie zmienia minimalne ilości H2 w prąd elektryczny, jednocześnie zaś jest niewrażliwy na oddziaływanie tlenu, który jest zwykle bardzo szkodliwy dla katalizatorów. Co więcej Huc jest odporny na wysokie temperatury. Nawet w temperaturze 80 stopni Celsjusza zachowuje swoje właściwości.
Bakterie wytwarzające Huc powszechnie występują w środowisku naturalnym. Odkryliśmy mechanizm, który pozwala bakteriom „żywić się powietrzem”. To niezwykle ważny proces, gdyż w ten sposób bakterie regulują poziom wodoru w atmosferze, pomagają utrzymać żyzność i zróżnicowanie gleb oraz oceanów, dodaje Greening.
Obecnie naukowcy pracują nad skalowaniem produkcji Huc. Chcą uzyskać większe ilości enzymu, by go lepiej przebadać, zrozumieć oraz opracować metody jego wykorzystania w procesach przemysłowych.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Na MIT powstały ogniwa fotowoltaiczne cieńsze od ludzkiego włosa, które na kilogram własnej masy wytwarzają 18-krotnie więcej energii niż ogniwa ze szkła i krzemu. Jeśli uda się skalować tę technologię, może mieć do olbrzymi wpływ produkcję energii w wielu krajach. Jak zwraca uwagę profesor Vladimir Bulivić z MIT, w USA są setki tysięcy magazynów o olbrzymiej powierzchni dachów, jednak to lekkie konstrukcje, które nie wytrzymałyby obciążenia współczesnymi ogniwami. Jeśli będziemy mieli lekkie ogniwa, te dachy można by bardzo szybko wykorzystać do produkcji energii, mówi uczony. Jego zdaniem, pewnego dnia będzie można kupić ogniwa w rolce i rozwinąć je na dachu jak dywan.
Cienkimi ogniwami fotowoltaicznymi można by również pokrywać żagle jednostek pływających, namioty, skrzydła dronów. Będą one szczególnie przydatne w oddalonych od ludzkich siedzib terenach oraz podczas akcji ratunkowych.
To właśnie duża masa jest jedną z przyczyn ograniczających zastosowanie ogniw fotowoltaicznych. Obecnie istnieją cienkie ogniwa, ale muszą być one montowane na szkle. Dlatego wielu naukowców pracuje nad cienkimi, lekkimi i elastycznymi ogniwami, które można będzie nanosić na dowolną powierzchnię.
Naukowcy z MIT pokryli plastik warstwą parylenu. To izolujący polimer, chroniący przed wilgocią i korozją chemiczną. Na wierzchu za pomocą tuszów o różnym składzie nałożyli warstwy ogniw słonecznych i grubości 2-3 mikrometrów. W warstwie konwertującej światło w elektryczność wykorzystali organiczny półprzewodnik. Elektrody zbudowali ze srebrnych nanokabli i przewodzącego polimeru. Profesor Bulović mówi, że można by użyć perowskitów, które zapewniają większą wydajność ogniwa, ale ulegają degradacji pod wpływem wilgoci i tlenu. Następnie krawędzie tak przygotowanego ogniwa pomarowano klejem i nałożono na komercyjnie dostępną wytrzymałą tkaninę. Następnie plastik oderwano od tkaniny, a na tkaninie pozostały naniesione ogniwa. Całość waży 0,1 kg/m2, a gęstość mocy tak przygotowanego ogniwa wynosi 370 W/kg. Profesor Bulović zapewnia, że proces produkcji można z łatwością skalować.
Teraz naukowcy z MIT planują przeprowadzenie intensywnych testów oraz opracowanie warstwy ochronnej, która zapewni pracę ogniw przez lata. Zdaniem uczonego już w tej chwili takie ogniwo mogłoby pracować co najmniej 1 lub 2 lata. Po zastosowaniu warstwy ochronnej wytrzyma 5 do 10 lat.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
W ostatnich dniach media informowały o przełomie w dziedzinie fuzji jądrowej. W National Ignition Facility (NIF) przeprowadzono fuzję jądrową (reakcję termojądrową), podczas której uzyskano więcej energii niż jej wprowadzono do kapsułki z paliwem. To ważne osiągnięcie naukowe, jednak nie oznacza, że w najbliższym czasie będziemy masowo produkowali energię tą metodą. Ilość pozyskanej energii jest bowiem co najmniej 100-krotnie mniejsza niż ilość energii użytej.
Cały proces w NIF rozpoczyna się od wygenerowania 1 słabej wiązki lasera, która jest wielokrotnie rozszczepiania i wzmacniana. Po przebyciu 1500 metrów, w cel – kapsułkę z paliwem o średnicy 2-3 milimetrów – trafiają 192 potężne wiązki. Niedawno, 5 grudnia, dostarczyły one do kapsułki 2,05 megadżuli (MJ) energii inicjując reakcję, w wyniku której uwolniło się 3,15 MJ energii. Jednak cały proces generowania wiązek pochłonął... 322 MJ. Jak więc widzimy, tak naprawdę odzyskano około 1% energii, wprowadzonej do paliwa w celu uzyskania zapłonu. A mowa tutaj tylko o energii zużytej przez lasery.
Co więcej, jeśli chcielibyśmy taką reakcję wykorzystać w praktyce, musielibyśmy jeszcze energię cieplną zamienić na energię elektryczną, np. za pomocą turbiny parowej. Taka zamiana nie jest darmowa i znaczna część energii cieplnej nie ulega zamianie na energię elektryczną. Straty mogą sięgać 50%. A to oznacza, że uzyskalibyśmy 200-krotnie mniej energii, niż włożyliśmy.
Musimy pamiętać, że NIF to infrastruktura badawcza, a nie komercyjna. Nie projektowano jej pod kątem wydajności, ale z myślą o uzyskaniu najpotężniejszych wiązek laserowych. Instalacja służy trzem celom: badaniom nad kontrolowaną fuzją jądrową, badaniom procesów zachodzących we wnętrzach gwiazd oraz stanowi część programu utrzymania, konserwacji i zapewnienia bezpieczeństwa broni atomowej, bez konieczności przeprowadzania testów nuklearnych.
Osiągnięcie z 5 grudnia jest istotne z naukowego punktu widzenia. Przede wszystkim udowodniono, że za pomocą inercyjnego uwięzienia plazmy możliwe jest zainicjowanie fuzji jądrowej, w wyniku której uzyskuje się więcej energii niż ta potrzebna do rozpoczęcia reakcji. Udany eksperyment pokazuje też, że NIF pozwoli naukowcom na badanie zjawisk zachodzących podczas eksplozji jądrowych.
Wielu ekspertów wątpi, czy technologia wykorzystywana przez NIF pozwoli kiedykolwiek na komercyjną produkcję energii. Żeby w ogóle o tym myśleć stosunek energii pozyskanej do energii włożonej musiałby zwiększy się o co najmniej 2 rzędy wielkości. A to tylko jeden z wielu problemów naukowych i technologicznych, jakie należy rozwiązać.
Wykorzystywane w NIF inercyjne uwięzienie plazmy to technologia inna niż magnetyczne uwięzienie plazmy, którą rozwijają naukowcy pracujący przy tokamakach czy stellaratorach. Każda z nich zmaga się ze swoimi problemami. Jednak wszystkie zapewne odniosą olbrzymie korzyści z osiągnięć specjalistów z National Ignition Facility. Osiągnięcie bowiem tak ważnego punktu w pracach nad fuzją termojądrową zwiększy zainteresowanie tymi technologiami, co powinno przełożyć się na większe inwestycje w ich rozwój. Musimy bowiem pamiętać, że świat potrzebuje nowych źródeł energii. Uranu do elektrowni atomowych wystarczy jeszcze na od 90 (według World Nuclear Association) do ponad 135 lat (wg. Agencji Energii Atomowej). Fuzja jądrowa napędzana jest trytem i deuterem, które można pozyskiwać z wody i litu. Dostępne na Ziemi zasoby wystarczą na miliony lat.
Fuzja jądrowa – czyli reakcja termojądrowa – to obiecujące źródło energii. Polega ona na łączeniu się atomów lżejszych pierwiastków w cięższe i uwalnianiu energii. To proces, który zasila gwiazdy. Taki sposób produkcji energii na bardzo wiele zalet. Nie dochodzi tutaj do uwalniania gazów cieplarnianych. Jest ona niezwykle wydajna. Proces łączenia atomów może zapewnić nawet 4 miliony razy więcej energii niż reakcje chemiczne, takie jak spalanie węgla czy gazu i cztery razy więcej energii niż wykorzystywane w elektrowniach atomowych procesy rozpadu atomów.
Co ważne, w wyniku fuzji jądrowej nie powstają długotrwałe wysoko radioaktywne odpady. Te, które powstają są na tyle mało radioaktywne, że można by je ponownie wykorzystać lub poddać recyklingowi po nie więcej niż 100 latach. Nie istnieje też ryzyko proliferacji broni jądrowej, gdyż w procesie fuzji nie używa się materiałów rozszczepialnych, a radioaktywny tryt nie nadaje się do produkcji broni. W końcu, nie ma też ryzyka wystąpienia podobnych awarii jak w Czernobylu czy Fukushimie.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.