Üzemanyag rozsdából - radikálisan új, de kiaknázható energiaforrások

Mágneses légkondicionálás, atommag-fúzióval kiegészített atomerőmű, a kárba vesző hulladékhő hasznosítása emlékező fémekkel, autómotor lökéshullámokkal. Az ötletek tudományos-fantasztikus regénybe illenek, viszont megbízható tudományos háttérrel bírnak, és van köztük olyan, amelynek prototípusa nem a távoli jövőben, hanem 2013-ra készül el. 

A fukusimai atomerőműben történtek és Csernobil 25. évfordulóján világszerte vita folyik arról, hogyan lehet egyszerre biztonságosan kiszolgálni az emberiség energiaéhségét és visszaszorítani a klímaváltozást. Számos kutató dolgozik a megújuló energiaforrások hatékonyabb felhasználásán és az energiapazarlás visszafogásán. Az eredmények hasznosak, de ezen az úton jórészt csak részmegoldások születhetnek. Az energiatermelés és -hasznosítás terén valami radikálisan újra van szükség a jelentős változáshoz - valami olyan jelentőségű megoldásra, mint amilyen az atomenergia volt az 1950-es években.

Az utóbbi évtizedben is születtek sci-fi-szerű ötletek - kár, hogy a földi naperőműveknek a világűrből fényt sugárzó műhold vagy a légkörben lebegő szélerőmű inkább fantasztikus, mint tudományos. Azonban számos komoly, de újszerű ötleteken alapuló kutatási program részesült jelentős állami vagy magántámogatásban. Hat olyan tervet mutatunk be ezek közül a Scientific American tudományos folyóirat nyomán, amelyek a legnagyobb haszonnal kecsegtetnek.

A megoldások mindenike meglehetősen szokatlan, a kutatóknak-feltalálóknak jelentős akadályokat kell legyőzniük, amíg eljutnak a sorozatgyártásig és a költségek elfogadható szintre szorításáig. Lehet, hogy a tervek kilencven százaléka zsákutcának bizonyul, azonban a maradék is elég lehet az energiabiztonság és -hatékonyság jelentős jobbításához. A tervek mindenikéhez pontozás tartozik: az 1-es a legvalószínűtlenebb, illetve legkevésbé hatásos, az 5-ös a leginkább megvalósítható és legnagyobb kihatású technológiát jelöli.

Atommagfúzióval vezérelt maghasadásos erőmű

Gyakorlatilag egy orosz tudós, Andrej Szaharov (a szovjet hidrogénbomba atyja) ötletének megvalósításán dolgoznak a kaliforniai Livermore-ban, az amerikai fúzióserőmű-kutatóintézetben (NIF). Az ötlet lényege az, hogy az atommagok egyesülésének hatalmas energiájával indítják be az uránban (vagy más nukleáris fűtőanyagban) a maghasadást. Így ki lehet iktatni a hagyományos atomerőművek láncreakcióját, amelyben a felszabaduló neutronok újabb atommagokat hasítanak szét. A reakció fenntartásához plutónium vagy dúsított urán szükséges; ha viszont ezt fúzióval pótoljuk, dúsítatlan uránt, az urándúsítás melléktermékét és a hagyományos atomerőművekben elhasznált üzemanyagot is fel lehet használni, így jelentősen csökkenteni lehetne az atomhulladék mennyiségét is. A fúziós-hasadásos reaktor üzemanyaga 90%-át elhasználná a hagyományos erőmű pár százalékával szemben.

A fúziós erőmű egyébként is a magfizika Szent Grálja: évtizedek óta folynak a kutatások, de még nem sikerült úgy lemásolni a Nap energiatermelési metódusát, hogy a végeredmény több energia legyen a felhasználtnál. A NIF-ben tervezett reaktor belsejében lézer váltaná ki az atommagok egyesülését, majd a felszabaduló energia a reaktorfal belső urán-plutónium borításában okozna maghasadást. Ehhez viszont a lézernek másodpercenként tíz fúziót kéne generálnia, de a laborban egyelőre legjobb esetben is napi pár találat az eredmény. A NIF igazgatója, Edward Moses húsz évre becsüli, míg az első prototípusok elkészülnek.

Pontozás: várható kihatás - 4; valószínűség - 2

Üzemanyag a rozsdából

A Földet óránként éri el annyi energia a Napból, mint amennyit az egész emberiség egy év alatt elhasznál. A már teljesen megszokott - de még mindig nem versenyképes- napelemek mellett a napenergiát elvileg arra is fel lehet használni, hogy segítségével kémiai úton üzemanyagot gyártsunk. A kísérletek az új-mexikói sivatagban folynak: a Sandia Laboratórium munkatársai egy hat méter átmérőjű tükörrel koncentrálják a napsugarakat egy fél méter hosszú, söröshordóra emlékeztető szerkezetre.

A berendezés ablaka mögött egy furcsa fogaskerék forog (percenként egyszer), amelynek a fogai vasoxidból (rozsdából) vagy cériumoxidból vannak. Az 1500 fokra felmelegedő anyagból felszabadul az oxigén. Ahogy a fogak a berendezés hűvösebb oldalára érnek, oxigént vesznek fel a befúvatott vízgőzből vagy szén-dioxidból, így hidrogén és szén-monoxid keletkezik. A kettő keveréke a szintetikus gáz. A megvalósítás egyik legnagyobb akadálya, hogy a kerék fogai percenként 1500 Celsius-fokra melegednek, majd 900-ra hűlnek vissza, így gyakran elrepednek. A megoldás az anyag struktúráját nanoméretekben megerősíteni. További akadály a precíziós tükrök magas ára. Ezzel együtt azt állítják a Lockheed Martin fegyvergyártó cégcsoport által fenntartott intézet kutatói, hogy egy liter szintetikus gázt 2,65 dolláért (480 Ft) tudnak előállítani.

Pontozás: várható kihatás - 4; valószínűség - 3

Emlékező fém hasznosítja a hulladékhőt

A megtermelt hőenergia 60 százaléka kárba vész a járművek motorjainál és az erőművekben - ebből indultak ki a General Motors szakértői a cégcsoport michigani kutatóközpontjában. Alan Browne és kollégái első körben a járművek kipufogócsonkjánál keletkező hőt tervezik hasznosítani különleges ötvözetek, vagyis alakmemóriás emlékező fémek segítségével. A vékony nikkel-titán huzalokból készített ékszíj alapállapota a feszesség, ezt melegebb környezetben éri el, míg hideg hatására hajlékonyabbá válik. A szíj három dobon forog, amelyek közül egyet a hőforrásnál, egy másikat pedig távolabb helyeznek el. Minél nagyobb a hőmérsékleti különbség, a szíj annál gyorsabban pörgeti az áramtermelő generátort.

A prototípus mindössze két wattot termel egy tízgrammos szíj segítségével, így csak a működési elv bemutatására szolgál - sorozatgyártásra érett típus még nincs. A GM mérnökei állítják: az eszköz egy évtizeden belül elterjedhet a háztartási eszközöktől kezdve a kéményeken át az erőművek hűtőtornyaiig, mert műszaki akadálya nincs a fejlesztésnek. Az ékszíj szálainak előkészítése, a két állapot "bevésése" viszont három hónapba kerül, az emlékező fémet károsítja az anyagfáradás, továbbá a léghűtés is problémás. A kutatók a fémszálak átmérőjének és a szíj geometriájának változtatásával, továbbá a felmelegítés-hűtés hatékonyabbá tételével próbálkoznak.

Pontozás: várható kihatás - 3; valószínűség - 3

Autómotor lökéshullámokkal

A mai hibridautókban is kisméretű dugattyús robbanómotorokkal segítik ki az elektromos hajtást - a dugattyús motorok karrierje évszázados. A michigani állami egyetemen folyó kutatásban viszont gázturbinára cserélik a dugattyút. A sürített üzemanyag-levegő keverék a vízszintesen forgó rotor hajlított lapátjainak tövében áramlik be a motorba. Gyújtásra a keverék berobban, a lökéshullámok pedig visszaverődnek a lapátokról. A rotort (és a főtengelyt) a lapátokra ható nyomás és a kilépő gázok tolóereje hajtja meg.

A kompakt, fazékméretű motorhoz nincs szükség motorblokkra és dugattyúkra, kevesebb a forgó alkatrész, így kisebb a súly, és nő az üzemanyag-hatékonyság. Norbert Müller, a berendezés egyik feltalálója szerint az ilyen meghajtással kiegészített hibridautók ötször nagyobb távolságot tudnának megtenni egy liter benzinnel. Müller és kutatócsoportja egy 25 kilowattos (33 lóerős) motor kifejlesztésén dolgozik. A 30%-os energiahatékonyság elmarad ugyan a fejlett dízelmotorok 45%-ától, de a szakemberek szerint finomhangolással - például a gyújtás tizedmásodperc pontosságú vezérlésével - 65%-ot is el tudnak érni. A fő probléma az állandóan változó gázáramlás hatásainak kiszámítása, amely eddig nagy falatnak bizonyult a feladat komplexitásához képest szűkös számítógépes kapacitás miatt.

Pontozás: várható kihatás - 3,5; valószínűség - 3

Sós szén-dioxid-csapda

A szén az egyik legnagyobb bőségben rendelkezésre álló energiaforrás - kár, hogy az elégetésével óriási mennyiségű szén-dioxid-kibocsátás jár, ami erősíti az üvegházhatást és a globális felmelegedést. Már eddig is tervezték a kibocsátott CO₂ csapdába ejtését, de a megoldások mindenike az elégetett szén energiájának mintegy 30%-át venné igénybe, így pedig megkétszereződne a hőerőművekben termelt áram ára. Az elképzelés viszont annyira vonzó, hogy az USA energiaügyi minisztériumának Fejlett Kutatások Ügynöksége (ARPA) több, ígéretes technológián dolgozó kutatócsoportot támogat.

A Notre Dame Egyetem energiakutató központjában ionfolyadékkal, lényegében egy különleges sóval kísérleteznek. Az anyag kétszer annyi szén-dioxidot von ki az égéstermékekből, mint a hasonló vegyületek. A folyamat közepette szilárdból folyékony halmazállapotúvá válik, és hő keletkezik, amelyet a CO₂ a folyadékból való kivonására lehet használni. A megoldás annyira új, hogy az ionfolyadékot alig két éve fedezték fel, így nem várt problémák bármikor felbukkanhatnak. Az egyetem kutatói most laborkörülmények között működő prototípust terveznek előállítani, arra viszont nincs garancia, hogy a megoldás erőművi méretekben is beválik. A szénbányászatra, a meddőhányókra és a CO₂-kibocsátásra hivatkozva a környezetvédők állítják: nincs tiszta szén, ám ez az energiahordozó annyira olcsó, hogy megéri szén-dioxid-szűrőket fejleszteni.

Pontozás: várható kihatás - 2; valószínűség - 3,5

Mágneses légkondicionálás

A lista leginkább megvalósíthatónak tűnő megoldása a légkondicionálást tenné hatékonyabbá. A légkondicinálók, a hűtők és a fagyasztók akár a lakossági áramfogyasztás egyharmadáért is felelősek az olyan fejlett államokban, mint az USA. A mágneses léghűtés viszont jelentősen csökkentené az áramigényt. A hagyományos berendezésekben hűtőfolyadék vagy -gáz kering, amelyet ütemesen összesürít egy kompresszor - ez utóbbit helyettesítené mágnesekkel a milwaukee-i Astronautics Corporation.

Minden mágneses anyag felmelegszik valamennyire a mágneses mező hatására, és lehűl, ha megszűnik - ez a hőmágneses jelenség. Amikor a mágneses mező hatására egy fém elektronjai megszűnnek szabadon mozogni, az atomok erősebben vibrálnak, így hő keletkezik. Az 1881-ben felfedezett jelenséget korábban nem lehetett hasznosítani, mert szupravezető (azaz extrémen hűtött) mágnesek kellettek hozzá. Az USA energiaügyi minisztériumának Ames Laboratóriuma és az Astronautics 1997-ben olyan gadolínium-szilícium-germánium ötvözetet fedezett fel, amely óriási hőmágnesességet mutatott szobahőmérsékleten is.

A cég most egy 92 négyzetméteres (ezer négyzetláb) lakás hűtését tervezi megoldani egy olyan légkondicionálóval, amelyben egy ötvözetből álló lemez forog egy állandó mágnesben. A mágnes egy helyen lyukas, hogy a mező ott legyen a legerősebb. A lemez hőmágneses részei itt elhaladva felmelegednek, tovább forogva lehűlnek. A rendszerben keringő víz hőt von el a környezettől, ám a lemez folyamatosan lehűti. Mivel a korongot forgató motor hatékonyabb, mint a kompresszor, a cég szerint 2013-ra elkészülő prototípus harmadannyi áram felhasználásával hűt le ugyanakkora helyiséget, mint a megszokott kondicionálók. Kérdés viszont, hogyan áramlik a víz a 360-600 percenkénti fordulatszámmal pörgő, porózus korong körül, és sikerül-e elég kis méretben legyártani a neodímium-vas-bór mágnest úgy, hogy még ellássa a feladatát (mert ez utóbbi ötvözet is meglehetősen drága).

Pontozás: várható kihatás - 3; valószínűség - 4