Revoluce v energii a nanotechnologii přichází

Energie

Energie je všude kolem nás a nikdy nezmizí, to už ale asi víte ze zákona o zachování energie. Energie se pouze přeměňuje (nelze ji zničit ani vyrobit) a její koloběh je relativně představitelný. Energie se projevuje v mnoha podobách, i v rámci elektromagnetického záření (vlnění), které pochází například ze Slunce, z vysílače obyčejného WiFi routeru nebo vašeho biologického těla. Pro jednoduchou představu cyklu - energii ze slunečních fotonů přijme díky fotosyntéze list stromu, který tuto energii využije pro postupný růst a tvorbu hmoty, přičemž tato energie je pak samozřejmě v určitém množství ukryta například ve dřevě a kůře.

Hlavní a nejpoužívanější formou energie je pro náš druh především elektrická energie, kterou lze samozřejmě opět proměnit na jinou dle potřeby (tepelná, mechanická a tak dále). Nejdříve se tak zjednodušeně podíváme, jak lze běžnými způsoby získat energii z hmoty.

E=mc²

Spalováním (hořením) z materiálu (například zmíněné dřevo) získáme přibližně 0,00000001 % ukryté energie (slavný vzorec E=mc²). Tepelné elektrárny jsou tedy tím nejprimitivnějším, nejstarším a nejhorším způsobem, jak lze získat využitelnou energii. Je jedno, jestli spalujeme „ekologickou“ biomasu, nebo cokoli jiného, jedná se stále o neefektivní „jeskynní“ technologii.

Při jaderném štěpení (rozdělení) těžkých jader uranu U235 se lze dostat na 0,1 % dostupné energie ve hmotě. Jak už název napovídá, při odstřelování nestabilního atomu U235 neutronem se neutron dostane do jádra, kde samozřejmě vznikne přebytek energie, která donutí se jádro rozdělit na dvě části, které svou kinetickou energii ohřejí vodu. Při tomto štěpení se uvolní nové dva až tři volné neutrony. Neutrony mají vysokou rychlost, díky vodě však zpomalí a jsou zachyceny proti dalšímu štěpení (ponechá se vždy jeden pro další pokračování této reakce).

Temelínské věže s vodou

Tento proces nazýváme řízená řetězová reakce (reaguje vždy jen jeden neutron) a pokud nastane neřízená reakce (nové neutrony štěpí další jádra uranu a nastane nekontrolovatelná řetězová reakce s exponenciálním růstem) vznikne atomový výbuch. V jaderných elektrárnách vzniká po řízených reakcích poněkud neekologický a radioaktivní odpad a i když se jedná o „řízenou“ reakci, nejedná se o příliš bezpečný a čistý způsob získávání energie.

Mnohem „čistším“ a bezpečnějším způsobem je využití termojaderné fúze (sloučení lehkých jader – opak rozdělení/štěpení). Tato reakce probíhá například uvnitř našeho Slunce, přičemž tímto způsobem lze z hmoty dostat přibližně 1 % uložené energie, tedy 10× více než jaderným štěpením.

Jak ale asi tušíte, tento způsob není tak jednoduchý, především kvůli nutnosti opravdu vysokých teplot (plasma). Ke sloučení jader je nutná vysoká energie, vysoká teplota tak dodá dostatečnou kinetickou energii na překonání elektrostatického pole jednotlivých jader. Lehčím prvkům stačí menší kinetická energie než v případě těžkých jader, proto lze použít například vodík.

Problém je však s vysokou teplotou, udržením takového plazmatu a získávání energie. Na svět proto přišly první tokamaky. Smysl je takový, aby výstupní energie byla několikrát vyšší, než dodávaná (potřebná k vysoké teplotě a udržení magnetického pole). Nové metody používají ke sloučení jader napříkad energii z laserů či proudu částic. Studená fúze (při pokojové teplotě)  je metoda elektrolýzy těžké vody na speciální platinové elektrodě, kde by mělo docházet ke slučování jader deuteria (izotopy vodíku). Pokusy jsou však zatím stále neúspěšné, problematické a většina vědců od této metody upustila.

V současné době se pracuje na několika termojaderných reaktorech s různými technologiemi, většina by měla být hotova nejpozději do roku 2020.

Výběr některých termojaderných reaktorů ve vývoji
 

Stoprocentní energii ukrytou ve hmotě lze získat zatím jediným známým způsobem - při setkání hmoty s antihmotou. Antihmota se dle doposud zjištěných informací v přírodě nebo ve vesmíru nevyskytuje, teorie však předpokládá, že při vzniku našeho vesmíru vznikla hmota i antihmota a díky zatím nepochopitelné nesymetrii převážila hmota, která však tvoří pouze 4 % vesmíru (všechny hvězdy tvoří 1 % hmoty ve vesmíru), zbytek tvoří zatím neznámá temná hmota (23 %) a temná energie (76 %). Jakmile se totiž potká hmota (elektron, proton, neutron atd.) s antihmotou (pozitron, antiproton, antineutron atd.) dojde k anihilaci částic (zcela zaniknou) a uvolnění veškeré energie ve formě fotonů a bosonů.

Získání energie z hmoty:

• spalování - 0,00000001 %
• jaderné štěpení - 0,1 %
• termojaderná fúze - 1 %
• anihilace hmoty s antihmotou - 100 %

Jak je vidět, získání 100 % energie z hmoty je nejvyšší možný cíl, k reálnému využití jsme však zatím stále daleko. Antihmotu už jsme sice v naprosto miniaturním množství dokázali díky výkonnému urychlovači LHC uměle vyrobit, následné problémy s udržením a získáním energie jsou však ještě nesčetněkrát větší, než v případě termojaderné fúze.

Dlouhá cesta

Při hoření, štěpení i termojaderné fúzi pak obvykle využijeme přeměněnou energii na elektromagnetické záření o frekvencích v rámci infračerveného spektra (tepelné záření) a následný ohřev vody způsobí tvorbu páry, která mechanickou energií roztočí obří lopatky alternátorů, které svou rotací způsobí elektromagnetickou indukci a vyrobí elektrický proud, tedy hlavní cíl celého snažení. Taková přeměna původní energie na cílovou je nesmírně ztrátová, počet kroků a přeměn je několik, což je samozřejmě značně neefektivní.

Na světě se však začínají rýsovat efektivní a „téměř“ zcela čisté technologie, většina z nich se soustředí na jeden z největších zdrojů energie mimo naší planetu – Slunce.