ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΔΟΣΟΛΗΨΙΕΣ

«Απέραντο, ανεξέλεγκτο στοιχείο της Φύσης,

η φωτιά γεννάει αμφιβολία,

αν καταστρέφει μάλλον ή δημιουργεί.»

Πλίνιος ο Πρεσβύτερος

 

Από τις πρώτες σχολικές βαθμίδες,  ο μικρός άνθρωπος μαθαίνει, ότι κανένα φυσικό φαινόμενο δεν πραγματοποιείται δίχως μεταβολή ενέργειας  και κανένα χημικό φαινόμενο δεν γίνεται δίχως μεταβολή ύλης και ενέργειας. Η ζωή στον μοναχικό μας πλανήτη κυλάει μέσα από διαρκείς ενεργειακές μεταβολές, συχνά ανεπαίσθητες σαν το παιχνίδισμα των βλεφάρων, ενίοτε όμως επιβλητικές σαν τις εκρήξεις ενός ηφαιστείου, ή μιας πυρηνικής βόμβας. Στα χημικά φαινόμενα,  (χημικές αντιδράσεις), είναι γνωστό ότι κάποιες αρχικές ουσίες (αντιδρώντα) μετατρέπονται σε άλλες τελικές ουσίες (προϊόντα). Τόσο η κατάσταση «πριν», όσο και η κατάσταση «μετά», περικλείουν μια εσωτερική ενέργεια. Η ενέργεια αυτή οφείλεται σε διάφορους παράγοντες, όπως στις εσωτερικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των δομικών σωματιδίων (μορίων, ατόμων, ιόντων), ή στην κινητικότητα των σωματιδίων. Η ενέργεια αυτή, μπορεί να είναι αριστοτεχνικά κρυμμένη και να μην είναι άμεσα παρατηρήσιμη – τι ενέργεια να διακρίνεις σε ένα ακίνητο δοχείο πετρελαίου- εκδηλώνεται όμως, όταν πραγματοποιηθεί ένα χημικό φαινόμενο, όπως η καύση του πετρελαίου στο συγκεκριμένο παράδειγμα. Η εσωτερική ενέργεια των αντιδρώντων διαφέρει από την εσωτερική ενέργεια των προϊόντων. Αν η εσωτερική ενέργεια των αντιδρώντων είναι μεγαλύτερη από την εσωτερική ενέργεια των προϊόντων, τότε με την εκδήλωση της αντίδρασης, ενέργεια με την μορφή θερμότητας, θα ελευθερωθεί από το χημικό μας σύστημα προς το περιβάλλον. Στην περίπτωση αυτή αναφερόμαστε σε εξώθερμη αντίδραση , όπως μια καύση, ή μια εξουδετέρωση οξέος από βάση.  Στην αντίθετη περίπτωση έχουμε ενδόθερμες αντιδράσεις, όπως μια θερμική διάσπαση άλατος, ή την γνωστή σε όλους φωτοσύνθεση.

Αυτό το εσωτερικό θερμικό ενεργειακό περιεχόμενο των σωμάτων αποδίδεται με την υπέροχη λέξη ενθαλπία, που προέρχεται από το αρχαίο ρήμα  ενθάλπω δηλαδή περιέχω θερμότητα, κρύβω μέσα μου θερμότητα. Η ενθαλπία είναι μία καταστατική ιδιότητα. Καταστατική ιδιότητα ενός συστήματος είναι το μέγεθος εκείνο που εξαρτάται από την ποσότητα και τις συνθήκες στις οποίες βρίσκεται το σύστημα και όχι από τον τρόπο με τον οποίο το σύστημα έφτασε στην κατάσταση αυτή. Π.χ. 2 mol CO₂ σε Ρ = 1atm και θ = 25 °C έχουν την ίδια ενθαλπία είτε η ποσότητα αυτή σχηματίστηκε από την καύση CH₄ , είτε από τη διάσπαση CaCO₃. Προσέξτε όμως, η ενθαλπία δεν είναι θερμότητα. Μπορούμε να πούμε ότι ένα  σώμα έχει ενθαλπία, αλλά όχι θερμότητα. Η θερμότητα είναι ένα μέγεθος που αποκτά περιεχόμενο μόνο όταν μεταφέρεται από το ένα σώμα στο άλλο. Μπορούμε δηλαδή να πούμε ότι ένα σώμα δίνει, ή παίρνει θερμότητα, με αποτέλεσμα να αλλάζει η ενθαλπία του.

Από το πρώτο δευτερόλεπτο της δημιουργίας, αυτό που αποκαλούμε Σύμπαν, αποτελείται από ΥΛΗ και ΕΝΕΡΓΕΙΑ. Οι περισσότεροι άνθρωποι θεωρούν , ότι η ύλη δεν έχει καμία σχέση με την ενέργεια. Η ύλη έχει μάζα, όγκο, σχήμα  και είναι πλησιέστερα στις  αισθήσεις μας , επομένως πιο οικεία. Την ενέργεια δεν την βλέπουμε, την αντιλαμβανόμαστε όμως από τα αποτελέσματά της. Αυτά πίστευαν οι Φυσικοί στην προ του Einstein εποχή. Η ιδιοφυία του μεγάλου Φυσικού συνέλαβε και απέδειξε αυτό που πολλοί Επιστήμονες της εποχής του υποψιάζονταν. Ότι ύλη και ενέργεια αποτελούν τις δύο όψεις του ίδιου νομίσματος! Η ύλη μπορεί να γίνει ενέργεια, αλλά και η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ύλη. Την  ισοδυναμία μάλιστα αυτή, κατάφερε να την χωρέσει στην πλέον αναγνωρίσιμη μαθηματική σχέση όλων των εποχών, την περίφημη εξίσωση του Einstein.

E=m^.c²

(E: Ενέργεια, m:η ισοδύναμη μάζα, c: η ταχύτητα του φωτός δηλαδή 300.000 Km/s)

Η εξίσωση αυτή κρύβει  μεγάλο ενδιαφέρον. Έστω ότι μια μάζα ενός μόνο γραμμαρίου , π.χ. ένα εισιτήριο του λεωφορείου μετατρέπεται σε ισοδύναμη ενέργεια. Προσέξτε όμως κάτι! Όχι μέσω καύσης, γιατί τότε η μάζα του μεταβάλλεται ανεπαίσθητα. Συγκεκριμένα, μετατρέπεται το υλικό του  χαρτιού σε διοξείδιο του άνθρακα και  νερό δηλαδή σε  αέρια που δεν τα αντιλαμβανόμαστε με τις αισθήσεις μας, καθώς και σε στάχτη. Στην περίπτωση αυτή ισχύει η αρχή διατήρησης της μάζας (Lavoisier), σύμφωνα με την οποία, σε χημικά ή φυσικά φαινόμενα η ολική μάζα σε ένα κλειστό σύστημα διατηρείται σταθερή. Επιστροφή όμως στο εισιτήριο! Αν στην εξίσωση Einstein βάλετε m=1g τότε παίρνετε ενέργεια ίση με 100 εκατομμύρια joules. Η ενέργεια αυτή είναι αρκετή για να κάνει ένα μεγάλο τραίνο το γύρο  της Γης!!! Θα αναρωτιέστε βέβαια αν μπορεί να γίνει αυτό στη πράξη. Ασφαλώς και γίνεται και μάλιστα σε πολύ μεγάλη κλίμακα. Σε όλα τα πυρηνικά  εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, μια πολύ μικρή ποσότητα πυρηνικού υλικού , μετατρέπεται σε γιγαντιαία ενέργεια, με ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση.

“Παρ’ όλο που οι επιδόσεις του Einstein  ήταν καλές στα περισσότερα μαθήματα, η συμπεριφορά του στη τάξη εξαγρίωνε τους δασκάλους του. Καθόταν στο πίσω μέρος της αίθουσας, με το ονειροπόλο βλέμμα του και το ελαφρύ μειδίαμά του, αρνούμενος το σεβασμό και τη δουλικότητα που εκείνοι ένιωθαν πώς τους όφειλε. Ο διευθυντής του σχολείου ήταν ιδιαίτερα ενοχλημένος. Στο προαύλιο καθόταν παράμερα νιώθοντας απέχθεια για τα βίαια αθλήματα. Στο τέλος της σχολικής μέρας κατέφευγε στο σπίτι του, βρίσκοντας ανακούφιση στο αγαπημένο του βιολί και σ’ αυτό που αργότερα θα αποκαλούσε «Ιερό βιβλίο της Γεωμετρίας»…..

  Όταν αργότερα (μετά από μακρά απουσία), επέστρεψε στο Βερολίνο για να αναλάβει θέση καθηγητή   στο Πανεπιστήμιο, επισκέφθηκε το παλιό του σχολείο, ο διευθυντής του σχολείου ήταν πεπεισμένος πως ο μαθητής του, που δεν υποσχόταν τίποτα, θα ήταν πάμπτωχος και πως πιθανώς είχε έρθει για να ζητιανέψει χρήματα”.

  «ΦΥΣΙΚΗ για ποιητές», Robert March,  Δίαυλος

Η ενέργεια είναι μια κυρία με πολλά πρόσωπα. Κρύβεται στη βενζίνη σαν χημική ενέργεια, στην φλόγα σαν θερμική, στην ηλιακή ακτινοβολία σαν φωτεινή και θερμική, στον πυρήνα των ατόμων σαν πυρηνική, στο νερό της υδατόπτωσης σαν δυναμική  και στο κινούμενο βλήμα σαν κινητική. Σαν μαγική εικόνα τα πρόσωπα αυτά μεταβάλλονται και η χημική ενέργεια του πετρελαίου στον κινητήρα του αυτοκινήτου μετατρέπεται σε κινητική μόλις κινηθεί το αυτοκίνητο, σε δυναμική όταν ανέβει σε κάποιο υψόμετρο, χημική καθώς επαναφορτίζει την μπαταρία του, φωτεινή μόλις ανάψουν κάποια φώτα, και φυσικά σε θερμότητα λόγω τριβών, η οποία διαχέεται στο περιβάλλον αυξάνοντας την αταξία του (εντροπία). Ίσως το πιο παράδοξο χαρακτηριστικό της ενέργειας είναι ότι δεν γίνεται αντιληπτή παρά μόνο όταν αλλάζει μορφή. Ποιος αντιλαμβάνεται την ενέργεια που κρύβει ένα σπίρτο, ή μια χειροβομβίδα; Μόλις όμως η χημική ενέργεια γίνει θερμική, τότε αντιλαμβανόμαστε την ενέργεια μέσα από τα αποτελέσματά της. Το νερό σε ένα φράγμα όσο είναι φυλακισμένο δεν φαίνεται ότι έχει κάποια ενέργεια. Μόλις όμως κυλήσει ορμητικό από τους υδατοφράκτες του φράγματος, τότε μας χαρίζει την ευεργετική του δυναμική ενέργεια, την οποία μετατρέπουμε σε  ηλεκτρική. Τα συνήθη λοιπόν  «πρόσωπα» της ενέργειας είναι τα εξής: Μηχανική (διακρίνεται σε δυναμική και κινητική), θερμική, ηλεκτρική, χημική, ακτινοβολιών και πυρηνική. Άλλες μορφές ενέργειας όπως η αιολική, η ενέργεια κυμάτων , η ηλιακή, η γεωθερμική, η ενέργεια βιομάζας, ωσμωτική ενέργεια κλπ εντάσσονται στις παραπάνω βασικές κατηγορίες. Όλες οι μορφές αυτές αποτελούν ένα είδος συγκοινωνούντων δοχείων , μπορεί δηλαδή οποιαδήποτε μορφή ενέργειας να μετατραπεί σε άλλη μέσω καταλλήλων διατάξεων. Στις μετατροπές αυτές ένα μέρος της ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα, που την «κλέβει» το περιβάλλον.  Πολλοί υποστηρίζουν ότι η θερμότητα αποτελεί το «νεκροταφείο» της ενέργειας, με την έννοια ότι η ενέργεια που μετατρέπεται σε θερμότητα και διαχέεται στο περιβάλλον είναι μια «χαμένη» και μη αξιοποιήσιμη πλέον μορφή. Το σημαντικό όμως είναι ότι ανεξάρτητα από τις οποιεσδήποτε μεταβολές η συνολική ενέργεια ενός κλειστού συστήματος παραμένει σταθερή. Τίποτε δεν χάνεται και τίποτε δεν δημιουργείται ενεργειακά από το μηδέν, σύμφωνα με τον νόμο διατήρησης της ενέργειας. Συχνά οι ανθρώπινες αισθήσεις οδηγούν τον άνθρωπο σε εσφαλμένα συμπεράσματα. Γεμίζει κάποιος  το ρεζερβουάρ του αυτοκινήτου του και μετά από ορισμένα αγχωτικά, ή αγχολυτικά χιλιόμετρα διαπιστώνει ότι το καύσιμο καταναλώθηκε και έγινε ενέργεια, οπότε πρέπει και πάλι να καταφύγει στην πιστωτική του κάρτα για ανανέωση. Στην πραγματικότητα, από την καύση της αρχικής μάζας του καυσίμου παράχθηκαν  διάφορες μορφές ενέργειας, κυρίως   θερμική, δυναμική και κινητική. Η   μάζα όμως του καύσιμου παρέμεινε ουσιαστικά ίδια και  απλά μέσω των καύσεων στον κινητήρα άλλαξε σύσταση μετατρεπόμενη κυρίως σε ένα μείγμα από οξείδια άνθρακα αζώτου και θείου και νερό. Το ίδιο συμβαίνει και όταν ένα ογκώδες κούτσουρο καεί και δώσει τη θέση του σε ελάχιστα γραμμάρια στάχτης. Και πάλι τίποτε δεν χάθηκε, απλά μεταμορφώθηκε. Μόνο που όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη παράγραφο, το ενεργειακό επίπεδο των προϊόντων είναι μικρότερο από το ενεργειακό επίπεδο των αντιδρώντων και η διαφορά ενέργειας την εισπράττουμε σαν θερμότητα.

Η ενέργεια μπορεί να έχει πολλά πρόσωπα και να αλλάζει συνεχώς μορφές, υπόκειται όμως σαν φυσικό μέγεθος που είναι, σε απαράβατους νόμους και αρχές. Μια από τις θεμελιώδεις αρχές της Φυσικής καθορίζει ότι σε ένα σύστημα σωμάτων που το θεωρούμε απομονωμένο από το περιβάλλον του η συνολική ενέργεια διατηρείται σταθερή. Με διαφορετικά λόγια η ενέργεια δεν μπορεί να χαθεί , αλλά ούτε και μπορούμε να την δημιουργήσουμε εκεί που δεν υπάρχει. Το μόνο που επιτρέπεται είναι να αλλάζει μορφές. Η έμφυτη ανθρώπινη περιέργεια και η τάση υπέρβασης των ορίων της Φύσης, ώθησαν τον άνθρωπο εδώ και αιώνες, σε μια μάταιη μέχρι σήμερα προσπάθεια να ανατρέψει την αρχή αυτή και να δημιουργήσει ενέργεια από το μηδέν. Η απόλυτη αυτή μηχανή  αυτή, που την αποκάλεσαν  «αεικίνητο» , αποτέλεσε μια ακόμη Χίμαιρα της ανθρώπινης ματαιοδοξίας. Αν όμως αναλογισθούμε τη ρήση του μεγάλου Γάλλου Φιλόσοφου Sartre ότι «το μέλλον δεν δεσμεύεται από τίποτε», ίσως οι μακρινοί μας απόγονοι βιώσουν την κατάρριψη προαιώνιων φυσικών ορίων, όπως η ταχύτητα του φωτός, η διατήρηση της ενέργειας κλπ. Για την ώρα όμως αρκούμαστε στο στιγμιότυπο γνώσης του σήμερα, έχοντας όμως επίγνωση της σχετικότητας και της προσωρινότητάς του.

Προσέξτε τώρα κάτι ενδιαφέρον. Στην αρχή της ενότητας  αναφέραμε ότι η ύλη και η ενέργεια αποτελούν δύο όψεις του ίδιου νομίσματος. Η ενέργεια δηλαδή μπορεί να γίνει μάζα και αντίστροφα, η μάζα ενέργεια. Δικαιολογημένα μπορείτε να υποθέσετε, ότι αν ένα μέρος της ενέργειας σε κάποιο φαινόμενο γίνει μάζα, τότε η περίφημη διατήρηση της ενέργειας «πάει περίπατο». Έχετε δίκιο! Και υπάρχουν τέτοια φαινόμενα, τα πυρηνικά, στα οποία διασπώνται πυρήνες ατόμων με αποτέλεσμα να παράγονται νέα άτομα.

Στους γιγαντιαίων διαστάσεων επιταχυντές σωματιδίων όπως ο L.H.C.  του C.E.R.N.  της Γενεύης, δέσμες σωματιδίων π.χ. πρωτονίων που κινούνται με αντίθετες κατευθύνσεις,  επιταχύνονται μέχρι να φτάσουν σχεδόν την ταχύτητα του φωτός. Τότε τις εκτρέπουμε ελάχιστα από την πορεία τους και τις αναγκάζουμε να συγκρουσθούν μετωπικά. Ένα μέρος της τρομακτικής κινητικής ενέργειας που έχουν, γίνεται ύλη, δημιουργώντας στοιχειώδη σωματίδια που δεν υπήρχαν πριν. Έτσι η νέα συνολική ενέργεια είναι μικρότερη της αρχικής  Είναι φανερό, ότι για να καλύψουμε το σύνολο των φαινομένων πρέπει να αναδιατυπώσουμε την αρχή διατήρησης της ενέργειας κάπως έτσι: Σε κλειστά συστήματα σωμάτων,  το σύνολο της ύλης και ενέργειας που περικλείουν  διατηρείται σταθερό.

Αν προσπαθούσαμε να αναζητήσουμε κάποιους «σταθμούς» στην μακρά ενεργειακή  ιστορία της ανθρωπότητας, αναμφισβήτητα θα ξεκινούσαμε από την φωτιά, την οποία ο Δαρβίνος θεωρεί ότι αποτελεί το δεύτερο σπουδαιότερο επίτευγμα του ανθρώπου μετά την γλώσσα. Σε εποχές παλιότερες, οι άνθρωποι θεωρούσαν την φωτιά και την φλόγα έννοιες ταυτόσημες με την ενέργεια. Η φωτιά αποτέλεσε διαχρονικό εργαλείο επιβίωσης αλλά και πολιτισμού και έχει συνδεθεί με δεκάδες μύθους, θρύλους και παραδόσεις σε όλες τις φυλές . Σύμφωνα με την ελληνική μυθολογία, ο Τιτάνας Προμηθέας έκλεψε την φωτιά από τους Θεούς του Ολύμπου προκαλώντας την οργή του Δία, που αλυσόδεσε τον Προμηθέα σε ένα βράχο του Καυκάσου και έστειλε τον φοβερό αητό να του τρώει κάθε μέρα το συκώτι του. Ήταν υψηλό βλέπετε το τίμημα της ασέβειας του μικρού ανθρώπου απέναντι στην «θεϊκή τάξη των πραγμάτων». Σκληρή η μυθική τιμωρία για το δώρο ζωής στον άνθρωπο, που κατάφερε να θερμαίνεται, να μαγειρεύει, να φωτίζεται, να κατασκευάζει εργαλεία και όπλα, αλλά και να δημιουργεί καλλιτεχνήματα. Όλο το ενεργειακό αφήγημα του ανθρώπου, ξεκίνησε από μια φλόγα. που πιθανότατα προκάλεσε κάποιος κεραυνός και χάνεται κάπου στα βάθη της παλαιολιθικής εποχής.

Στη συνέχεια θα κάναμε κάποιες ενδιάμεσες στάσεις στην ανακάλυψη του τροχού, και στην ενεργειακή αξιοποίηση του νερού και του ανέμου.

Ο τροχός, ως γνωστόν, θεωρείται μια από τις σημαντικότερες και αρχαιότερες εφευρέσεις. Απλή σαν το περίφημο αυγό του Κολόμβου και συνάμα μεγαλοφυής διάταξη, μετατρέπει την κυκλική κίνηση σε γραμμική.  Η αρχαιότερη χρήση τροχών έγινε πιθανότατα στη Μεσοποταμία από τους Σουμέριους, περίπου την Πέμπτη χιλιετηρίδα π. Χ.  Κάρα με τροχούς έχουν βρεθεί σε προϊστορικούς τάφους στην περιοχή του Καυκάσου οι οποίοι χρονολογούνται γύρω στο 3700 π. Χ. Τώρα, τι ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική μέσω των αμαξών; Μα η  χημική ενέργεια του σανού, που έθρεψε τα τετράποδα τις προηγούμενες μέρες.

Το νερό εδώ και πολλούς αιώνες αποτέλεσε πηγή ενέργειας. Θεωρητικά όταν μια ποσότητα νερού πέφτει σε χαμηλότερο επίπεδο , τότε η διαφορά ενέργειας μπορεί να κινήσει νερόμυλους, ή να θέσει σε κίνηση ηλεκτρομαγνητικές γεννήτριες ρεύματος. Το πρώτο υδροηλεκτρικό εργοστάσιο κατασκευάστηκε το 1880 στο Northumberland της Αγγλίας. Σήμερα, οι υδατοπτώσεις αποτελούν την κυριότερη πηγή ανανεώσιμης ενέργειας που αξιοποιείται, με ορισμένες χώρες όπως η Παραγουάη, η Ουρουγουάη, η Νορβηγία κλπ να καλύπτουν σχεδόν το σύνολο των ενεργειακών τους αναγκών με τον τρόπο αυτό.  Στη χώρα μας η υδροηλεκτρική ενέργεια καλύπτει περίπου το 10% των ενεργειακών μας αναγκών.

Το πολύτιμο δώρο του θεού Αίολου στον άνθρωπο ήταν οι άνεμοι, τους οποίους αυτός  δάμασε μέσω των ιστίων. Έτσι κίνησε πλοία, μυλόπετρες και εσχάτως ηλεκτρικές τουρμπίνες. Ο Codex του Βασιλιά Χαμουραμπί, (King Hammurabi,  βασιλείς 1792 – 1750 π.Χ.) έκανε αναφορά σε ανεμόμυλους για την παραγωγή μηχανικής ενέργειας. Ανεμοκίνητα μηχανήματα που χρησιμοποιούνται για την άλεση σιτηρών και την άντληση  νερού, αναπτύχθηκαν μέχρι τον 9ο αιώνα στις περιοχές που βρίσκονται σήμερα τα κράτη Ιράν, Αφγανιστάν και Πακιστάν. Οι αντλίες με αιολική ενέργεια στην  αμερικανική δύση   αντλούσαν πολύτιμο  νερό για κτηνοτροφία γεωργία και ατμομηχανές, εικόνα που σίγουρα θα έχει πάρει το μάτι σας σε κάποια ταινία  γουέστερν.

Ο πρώτος ανεμόμυλος που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας κατασκευάστηκε στη Σκωτία τον Ιούλιο του 1887 από τον καθηγητή James Blyth από το Anderson’s College της Γλασκόβης. Η ύψους 10 μέτρων ανεμογεννήτρια τοποθετήθηκε στον κήπο του εξοχικού σπιτιού του Blyth στο Marykirk και χρησιμοποιήθηκε για τη φόρτιση των συσσωρευτών που ανέπτυξε ο Γάλλος Camille Alphonse Faure, για την τροφοδοσία του φωτισμού στο εξοχικό του. Ήταν το πρώτο σπίτι στον κόσμο που ηλεκτροδοτήθηκε  από αιολική ενέργεια. Ο Blyth προσέφερε την πλεονασματική ηλεκτρική ενέργεια στους κατοίκους της Marykirk για το φωτισμό του κεντρικού δρόμου, ωστόσο εκείνοι απέρριψαν την προσφορά καθώς πίστευαν ότι η ηλεκτρική ενέργεια ήταν «το έργο του διαβόλου». ⁽¹⁾

Ο επόμενος λαμπρός σταθμός στην ενεργειακή περιπέτεια του ανθρώπου, θα ήταν η αξιοποίηση της ηλεκτρικής ενέργειας και η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Εδώ έχουν βάλει αρκετοί επιστήμονες γνώση, ιδέες και πολλή δουλειά.

Το 1800 ο ιταλός φυσικός Βόλτα (Alessandro Volta) ανατρέπει τη θεωρία του Γκαλβάνι περί ζωικού ηλεκτρισμού και αποδεικνύει ότι ο ηλεκτρισμός μπορεί να παραχθεί από την επαφή δύο διαφορετικών μετάλλων μέσω αγώγιμου διαλύματος. Κατασκευάζει στη συνέχεια την  πρώτης πηγή συνεχούς ρεύματος, που ήταν μια συσκευή αποτελούμενη από διαδοχικά στρώματα χαλκού, ψευδαργύρου και χαρτονιού, βυθισμένα σε αλατισμένο νερό. Λόγω της διαφορετικής τάσης απόδοσης ηλεκτρονίων από τα δύο μέταλλα, δημιουργείται μια μόνιμη ηλεκτρική πηγή. Το “βολταϊκό στοιχείο” ήταν μια πρώτη μορφή μπαταρίας και με αυτό έγινε η μετάβαση από τον ηλεκτρισμό των ακίνητων φορτίων (στατικός), σε αυτόν των κινούμενων (ηλεκτρικό ρεύμα).  Την εφεύρεσή του ο Βόλτα την παρουσίασε στον αυτοκράτορα  Ναπολέοντα ο οποίος του απένειμε τον τίτλο του κόμητα της Λομβαρδίας και τον ανακήρυξε ισόβιο γερουσιαστή του Βασιλείου της Λομβαρδίας. Πολύ αργότερα, το 1881, η παγκόσμια επιστημονική κοινότητα έδωσε προς τιμήν του το όνομα Volt (βολτ) στη μονάδα τάσης του ρεύματος.

Καθοριστική  στην ιστορία του ηλεκτρισμού, ήταν η συμβολή του Μάικλ Φαραντέι (Michael Faraday), ο οποίος το 1831 παρατήρησε, ότι αν ένας κλειστός αγωγός κινηθεί κοντά σε έναν μαγνήτη, τότε στον αγωγό αναπτύσσεται ηλεκτρικό ρεύμα.
Το φαινόμενο αυτό ονομάστηκε “ηλεκτρο-μαγνητική επαγωγή” και ουσιαστικά με αυτό ο Φαραντέι διαπίστωσε ότι ο μαγνητισμός μπορεί να παράγει ηλεκτρισμό. Η υπόθεση αποδείχθηκε πειραματικά με τον  “Δακτύλιο του Φαραντέι”, που αποτελείτο από δύο ηλεκτρικά ανεξάρτητα πηνία, διάταξη που αποτέλεσε τον πρώτο  μετασχηματιστή. Η παρατήρηση αυτή εφαρμόστηκε από τον ίδιο και από άλλους, για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από μηχανική, μέσω μηχανών που αρχικά ονομάστηκαν μαγνητοηλεκτρικές και εξέλιξη τους αποτελούν οι γνωστές σε μας γεννήτριες και τα δυναμό. Ο Φαραντέι θεωρείται από πολλούς επιστήμονες ο κορυφαίος πειραματιστής όλων των εποχών. Γιος σιδερά, με ελάχιστη επιστημονική κατάρτιση, αλλά προικισμένος με καταπληκτική φαντασία ,παρατηρητικότητα και ένστικτο, κατάφερε να αναδειχθεί σε κορυφαίο επιστήμονα της εποχής, του συμβάλλοντας τα μέγιστα στην ανάπτυξη του ηλεκτρισμού.⁽²⁾

Μια προφητική απάντηση.

 

  Ο Faraday κατασκεύασε ένα πρότυπο δυναμό, που βέβαια δε μπορούσε να ανταγωνιστεί ακόμη τις μπαταρίες ως πηγή ηλεκτρικού ρεύματος.

  Σε μια επίσκεψη στο Βασιλικό Ίδρυμα, ο Υπουργός των Οικονομικών τον ρώτησε:

  – Ποια είναι η χρησιμότητά του;

Η απάντηση του Faraday είναι σήμερα κλασσική:

  – Μια μέρα , κύριε, θα το φορολογήσετε!

Μέσα σε μια γενιά οι «απόγονοι» του δυναμό του Faraday είχαν αρχίσει να φωτίζουν τον κόσμο.

ΠΗΓΗ: «ΦΥΣΙΚΗ για ποιητές», Robert March,  εκδ. Δίαυλος

 

Ο Αμερικανός εφευρέτης Έντισον (Thomas Alva Edison) έθεσε τον ηλεκτρομαγνητισμό σε πρακτικές εφαρμογές, κυρίως στο φωτισμό και τη μεταφορά ισχύος. Το πρώτο έγινε με μια ιστορικής σημασίας εφεύρεση. Το 1874 ο Έντισον βρήκε τρόπο να διατηρεί τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα καρβουνιασμένο νήμα, που βρισκόταν μέσα σε μια γυάλινη αμπούλα χωρίς αέρα. Το ηλεκτρικό ρεύμα θέρμαινε το νήμα ώσπου αυτό ακτινοβολούσε λευκό φως (λευκοπυρωνόταν). Η συσκευή ήταν ο πρώτος   ηλεκτρικός λαμπτήρας στην ιστορία. Πολύ σημαντική ήταν η συμβολή του Έντισον και στην ανάπτυξη της μεγάλης κλίμακας διανομής ηλεκτρισμού σε εργοστάσια, γραφεία και σπίτια. Οι δύο πρώτοι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας του Έντισον στο Λονδίνο και την Νέα Υόρκη έδωσαν το 1882 για πρώτη φορά φως στους καταναλωτές.

Στους μεγάλους σκαπανείς, όσον αφορά την υπόθεση της ηλεκτρικής ενέργειας, συμπεριλαμβάνεται ο Σέρβος   μηχανικός Νίκολα Τέσλα (Nikola Tesla). Στις αρχές του 1900   αναλαμβάνει να κάνει την ηλεκτρική ενέργεια   εμπορικά εκμεταλλεύσιμη. Θεωρείται πρωτοπόρος ερευνητής  του εναλλασσομένου ρεύματος  και  οδήγησε στη δημιουργία ενός πολυφασικού συστήματος διανομής , που χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα. Το ιστορικό της εμπορικής εκμετάλλευσης του ηλεκτρισμού με την εμπλοκή των πρωταγωνιστών εφευρετών ‘Εντισον, Τέσλα και Γουέστινχάους ήταν τόσο μυθιστορηματικό, με απίστευτο παρασκήνιο και ίντριγκες, ώστε αποτέλεσε το σενάριο δύο αξιόλογων κινηματογραφικών  ταινιών. («Τέσλα» σε σκηνοθεσία Μάικλ Αλμερέιντα και «Η μάχη της επικράτησης» σε σκηνοθεσία του Αλφόνσο Γκομέζ Ρεχόν) Ακολουθούν ελάχιστες μόνο λεπτομέρειες από το συνολικό ιστορικό.  Ο ιδιοφυής Τέσλα κάνει το μεγάλο άλμα για Αμερική τον Ιούνιο του 1884. Συναντάται με τον καταξιωμένο εφευρέτη Έντισον στη Νέα Υόρκη ο οποίος   δοκιμάζει τις ικανότητές του αναθέτοντάς του την επισκευή της γεννήτριας του ατμόπλοιου “Oregon”. Με την βοήθεια τεσσάρων βοηθών ο νεαρός Τέσλα εργάζεται όλη τη νύχτα και το πρωί θέτει  την γεννήτρια σε λειτουργία. Ο Έντισον εντυπωσιάζεται και ξεκινά την μεταξύ τους συνεργασία. Οι σχέσεις των δύο ανδρών περνούν από σαράντα κύματα, διότι είχαν εντελώς διαφορετικούς χαρακτήρες, αλλά και διαμετρικά αντίθετες επιστημονικές απόψεις. Ο Έντισον ήταν υποστηρικτής του συνεχούς ρεύματος, ενώ αντίθετα ο Τέσλα του εναλλασσόμενου. Στο διάστημα της εξάμηνης συνεργασίας τους ο Τέσλα επανασχεδιάζει τις γεννήτριες του Έντισον και έχει σημαντική συμβολή στην ανάπτυξη των λαμπτήρων τόξου. Απογοητευμένος γιατί ουδέποτε ανταμείφθηκε για τις ιδέες του, πέραν του πενιχρού εβδομαδιαίου μισθού των 18 δολαρίων, αποχωρεί.

Μετά από κάποιες ανεπιτυχείς επιχειρηματικές κινήσεις του ο Τέσλα βρίσκει το 1887 νέο χρηματοδότη, τον διευθυντή της τηλεγραφικής εταιρείας Western Union A, Μπράουν που του στήνει νέο εργαστήριο, σε ελάχιστη απόσταση από το εργαστήριο του Έντισον. Τον Οκτώβρη του 1887 πατεντάρει το πολυφασικό σύστημα Τέσλα και προκαλεί το ενδιαφέρον του βιομήχανου Τζορτζ Γουεστινγκχάους (George Westinghouse) που συνεργάζεται μαζί του.

Δημιουργείται ατμόσφαιρα επιχειρηματικού πολέμου με την πλευρά των Εντισον και Μόργκαν (χρηματοδότης του) να ανοίγουν μέτωπο δυσφήμησης κατά των Τέσλα και Γουεστινγκχάους,   ειδικά μετά την απόφαση των τελευταίων να πουλήσουν στις φυλακές Σινγκ-Σινγκ ηλεκτρική καρέκλα εκτελέσεων, που λειτουργούσε με εναλλασσόμενο ρεύμα και στην οποία το 1890 εκτελείται ο πρώτος me ton tr;opo ayt;o κατάδικος Γουίλιαμ Κέμλερ.    Αν και ο Γουέστινγκχάουζ αντιμετώπιζε εκείνη την εποχή οικονομικά προβλήματα και δεν μπόρεσε να καταβάλει την αμοιβή του Τέσλα, ο εφευρέτης του εναλλασσόμενου ρεύματος  συνέχιζε να εργάζεται για αυτόν αφιλοκερδώς. Την ίδια στιγμή η εταιρεία του Μόργκαν, Thompson Huston άνθιζε και εξαγόρασε την General Electric του Έντισον, η οποία συνεχίζει να υφίσταται μέχρι σήμερα με την ίδια ονομασία.

Η δεκαετία 1890-1900 ήταν η δεκαετία ανόδου και λαμπρής φήμης για τον Τέσλα. Δίνει δεκάδες διαλέξεις, εφευρίσκει το πηνίο Τέσλα, ενώ αγωνίζεται να αποδείξει ότι η εκπομπή και λήψη ραδιοκυμάτων, ήταν δική του εφεύρεση και όχι του Ιταλού Μαρκόνι. Τελικά ο Τέσλα δικαιώθηκε το 1943, ενώ αναγνωρίστηκε ως ο εφευρέτης του ραδιοφώνου το 1955. Τη νύχτα της 1^ης Μαΐου  1893 ο πρόεδρος των ΗΠΑ φωταγωγεί το Σικάγο με εναλλασσόμενο ρεύμα και η φήμη του Τέσλα φτάνει στο απόγειο.  Η υψηλή δημοτικότητα αρχίζει να προκαλεί μια σειρά εκκεντρικών και «παράλογων» συμπεριφορών εκ μέρους του. Το 1903 ο Μόργκαν διακόπτει την χρηματοδότησή του (ο ίδιος που αρχικά χρηματοδοτούσε τον Έντισον) όταν ο Τέσλα του εκμυστηρεύθηκε ότι η ηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει να μοιράζεται δωρεάν. Από το 1910 αρχίζει η παρακμή  και ο παραγκωνισμός του από την επιστημονική κοινότητα, ενώ χάνει την ευκαιρία να προταθεί από τον ίδιο τον Έντισον(!) για το βραβείο Νόμπελ. Το 1926 τα Πανεπιστήμια του Βελιγραδίου και του Ζάγκρεμπ  του απονέμουν τον τίτλο του επίτιμου διδάκτορα, όταν είχε φθάσει πλέον σε ηλικία 70 ετών. Σύγχρονοι μελετητές του έργου του τον θεωρούν ως «τον άνθρωπο που εφηύρε τον Εικοστό Αιώνα» και «προστάτη άγιο του σύγχρονου ηλεκτρισμού».

Το 1937 ένα αμάξι χτυπά τον Τέσλα  κλονίζοντας σοβαρά την υγεία του.   Η Γιουγκοσλαβία μετά το ατύχημά του, του χορηγεί ισόβια σύνταξη. Πέθανε στις 7 Ιανουαρίου 1943 από θρόμβωση της στεφανιαίας στο ξενοδοχείο Νιου Γιορκ. Βρέθηκε νεκρός δύο μέρες αργότερα, καθώς είχε κρεμάσει στην πόρτα του δωματίου του την επιγραφή «Μην ενοχλείτε». ⁽²⁾

Πραγματικά, ζωή σαν μυθιστόρημα…

Επόμενο σταθμό στην ενεργειακή ιστορία θα πρότεινα να κάνουμε στα ταπεινά σπίρτα, στα οποία η χημική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα και φως. Τα σπίρτα χαρακτηρίσθηκαν από τον Βικτωριανό φιλόσοφο Χέρμπερτ Σπένσερ, ως το «σπουδαιότερο ευεργέτημα και ευτύχημα που συνέβη στην ανθρωπότητα». Αν επιθυμείτε περισσότερη πληροφόρηση για την λειτουργία ενός σπίρτου μπορείτε να ανατρέξετε στην ενότητα 17 (Τα απλά μόνο απλά δεν είναι).  Η αυτόματη ανάφλεξη αποτελεί μια πολύ ενδιαφέρουσα περίπτωση ενεργειακής μετατροπής. Σε αλλοτινές εποχές, όταν οι άνθρωποι δεν είχαν χορτάσει το εντυπωσιακό και αξιοθαύμαστο, μια αυτοανάφλεξη, θα μπορούσε κάλλιστα να αποτελεί δρώμενο μαγείας σε τσίρκο, ή θέατρο. Το 1786 ο γάλλος χημικός Κλωντ Μπερτολέτ (Claude Berthollet) κατασκεύασε μπριγκέτες εμποτισμένες με πολτό σακχάρου και χλωρικού καλίου, οι οποίες με την προσθήκη μιας σταγόνας θειικού οξέος αναφλέγονταν. Στη προκειμένη περίπτωση, πίσω από την «μαγεία» υπάρχει μια ισχυρά εξώθερμη οξειδοαναγωγική αντίδραση, της οποίας το προϊόν είναι το καθαρό οξυγόνο. Το οξυγόνο θεωρείται στοιχείο απαραίτητο για τις καύσεις και πυροδοτεί λόγω της υψηλής θερμοκρασίας που παράγεται, μια λαμπρή καύση των λοιπών συστατικών του μείγματος.

Η καλά φυλαγμένη ενέργεια στα δομικά συστατικά της ύλης και συγκεκριμένα   στους πυρήνες των ατόμων,  θα είναι ο τερματικός μας σταθμός. Όχι γιατί η ενεργειακή περιπλάνηση του ανθρώπου έχει  ολοκληρωθεί, αλλά γιατί βρίσκεται σε δυναμική εξέλιξη. Οι ήπιες μορφές ενέργειας έχουν ξαναμπεί στο κάδρο, αλλά και νέας γενιάς καύσιμα, όπως το υδρογόνο, του οποίου το καυσαέριο είναι το άσπιλο και αμόλυντο νερό, υπόσχονται ένα πλανήτη πιο φιλικό για ζωή.  Τα πειράματα  διάσπασης του πυρήνα του ουρανίου είχαν προχωρήσει σημαντικά στην προπολεμική Γερμανία. Το 1938 στο Βερολίνο έγινε η πρώτη σχάση πυρήνα από τους φυσικούς Ότο Χαν (Otto Emil Hahn) και Λίζε Μάιτνερ (Elise Meitner). Οι δύο διακεκριμένοι φυσικοί «βομβάρδισαν» το ουράνιο, στοιχείο με ατομικό αριθμό 92,  με νετρόνια προσπαθώντας να παράξουν  με ενσωμάτωση ενός πρωτονίου στον πυρήνα του, ένα νέο στοιχείο με ατομικό αριθμό 93. Το αποτέλεσμα όμως τους εξέπληξε διότι το νέο στοιχείο ήταν πολύ «ελαφρύτερο» από το ουράνιο.  Η εβραϊκής καταγωγής Μάιτνερ υποχρεώθηκε να εγκαταλείψει το Βερολίνο, όπως δεκάδες άλλοι ομοεθνείς της επιστήμονες και τα πειράματα συνεχίσθηκαν με τον γερμανό φυσικό Φριτς Στράτσμαν να καταλαμβάνει την θέση της, ενώ η ίδια η Μάιτνερ εργαζόταν από την Σκανδιναβία.  Σύντομα ανακάλυψαν οι τρεις επιστήμονες, ότι το παραγόμενο στοιχείο από την διάσπαση του πυρήνα του ουρανίου, ήταν το Βάριο με ατομικό αριθμό μόλις 56, ενώ παράγονταν και ένα ακόμη στοιχείο με ατομικό αριθμό 43 που αργότερα ονομάσθηκε τεχνήτιο. Αλλά δύο στοιχεία ήταν εκείνα που έκαναν κυριολεκτικά συγκλονιστική την ανακάλυψη. Το πρώτο ότι από την σχάση του πυρήνα ελευθερώθηκε ένα τεράστιο ποσό ενέργειας. Το δεύτερο ότι η πρώτη σχάση ελευθέρωσε και δύο νετρόνια, τα οποία μπορούσαν να προκαλέσουν δύο νέες σχάσεις από τις οποίες θα παράγονταν 4 νέα πρωτόνια, δημιουργώντας και συντηρώντας με τον τρόπο αυτό μια αλυσιδωτή αντίδραση! Το συμπέρασμα ήταν ότι από μια μικρή ποσότητα σχάσιμου υλικού, μπορεί να ελευθερωθεί μια γιγαντιαία ενέργεια η πυρηνική ενέργεια. Στο χέρι του ανθρώπου ήταν, αν αυτή η ενέργεια θα τον υπηρετούσε, ή θα τον σκότωνε. Αν και είναι γνωστό ότι ισχύουν και τα δύο, αξίζει να επισημανθεί ότι προηγήθηκε ο όλεθρος.  Ο άνθρωπος κατασκεύασε και έριξε την ατομική βόμβα στις 6 Αυγούστου 1945 στη Χιροσίμα και έπρεπε να περάσουν πολλά χρόνια, για να τεθεί το 1951 σε λειτουργία ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας για παραγωγή μικρής ποσότητας ηλεκτρικού ρεύματος, στο Αϊντάχο των ΗΠΑ. Οι προτεραιότητες δυστυχώς, ακολουθούν τα μονοπάτια των συμφερόντων και  δεν είναι αυτές που θα έπρεπε να είναι…

Το σίγουρο και θετικό στην όλη υπόθεση, είναι ότι οι υπερόπτες Ναζί, βάζοντας το φυλετικό μίσος πάνω από το εθνικό τους συμφέρον, έδιωξαν την αφρόκρεμα των πυρηνικών τους φυσικών  εβραϊκής καταγωγής, προσφέροντας στους Αμερικάνους σχεδόν έτοιμο, το υπερόπλο που λέγονταν ατομική βόμβα.

Σε ένα τυπικό πυρηνικό αντιδραστήρα, ο πυρήνας του (reactοr core)  αποτελείται από 80-100 τόνους πυρηνικού καύσιμου, π.χ. ουρανίου σε περισσότερες από 30.000 ράβδους καυσίμων. Κατά την πυρηνική αντίδραση, η παραγόμενη θερμότητα αποδίδεται από τις ράβδους στο νερό, οπότε μέσω ενός συστήματος ατμοπαραγωγών μπόιλερ παράγεται ατμός. Ο ατμός που παράγεται θέτει σε κίνηση τουρμπίνες συνδεδεμένες με ηλεκτρικές γεννήτριες, και στη συνέχεια ψύχεται και συμπυκνώνεται,  προκειμένου να επαναληφθεί η ίδια διαδικασία. Για να αποφευχθεί ανεξέλεγκτη αλυσιδωτή αντίδραση, χρησιμοποιούνται ειδικοί ράβδοι ελέγχου οι οποίοι απορροφούν τα επιπλέον πρωτόνια που παράγονται από κάθε πυρηνική σχάση, κάτι που δεν συμβαίνει στην περίπτωση των πυρηνικών όπλων.  Ολόκληρος ο αντιδραστήρας βρίσκεται σε ανθεκτική κατασκευή από σκυρόδεμα, η οποία εμποδίζει την διαρροή ακτινοβολίας προς το περιβάλλον.

Πηγή: Noesis.edu.gr

Για διάφορους λόγους, η αρχική αισιοδοξία που επικρατούσε την δεκαετία του 1950 σχετικά με τις δυνατότητες αξιοποίησης της πυρηνικής ενέργειας, που θεωρήθηκε ότι θα κάλυπτε τις παγκόσμιες ενεργειακές ανάγκες με ελάχιστο κόστος, δεν είχε την ανάλογη συνέχεια. Είναι χαρακτηριστικό ότι ο τότε πρόεδρος της Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας των ΗΠΑ  Λιούις Στράους,  έκανε την απόλυτα λανθασμένη πρόβλεψη ότι «στο μέλλον η πυρηνική ενέργεια θα είναι τόσο φθηνή, που δεν θα κάνουμε τον κόπο να την κοστολογούμε». Από την μία όμως τα πυρηνικά ατυχήματα, (βλέπε. ενότητα 19) από την άλλη το υψηλό κόστος της διαχείρισης των πυρηνικών αποβλήτων, κατέστησαν την πυρηνική ενέργεια πολύ λιγότερο δημοφιλή και αξιοποιήσιμη. Ίσως, αν βρισκόταν λύση στα δύο αυτά ζητήματα, η πυρηνική ενέργεια να έδινε οριστική λύση στις ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας, δεδομένου ότι έχει τεράστια απόδοση σε σχέση με την ποσότητα του χρησιμοποιούμενου καύσιμου και παράγει πολύ λιγότερα ρυπογόνα αέρια θερμοκηπίου σε σχέση με τα κλασικά ορυκτά καύσιμα. (Σύµφωνα  µε έρευνα της Βασιλικής Ακαδηµίας της Βρετανίας, η ενέργεια που παράγουν τα πυρηνικά εργοστάσια κοστίζει 0,156 ευρώ ανά KWh, η ενέργεια που παράγουν εργοστάσια µε φυσικό αέριο κοστίζει 0,249 ευρώ και µε άνθρακα 0,228 ευρώ ανά KWh. Επίσης, ένα δισκίο πυρηνικού καύσιµου, διαμέτρου δύο μόνο εκατοστών, παράγει την ίδια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που αποδίδει 1,5 τόνος άνθρακα).  Τελικά για την ώρα, η πυρηνική ενέργεια παραμένει μια αμφιλεγόμενη μορφή ενέργειας, με φανατικούς υποστηρικτές και αρνητές, όσον αφορά την αξιοποίησή της για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Να σημειωθεί ότι εκτός από την σχάση ενός πυρήνα, ενέργεια μπορεί να παραχθεί και από μια αντίστροφη διαδικασία, την πυρηνική σύντηξη, η οποία είναι ένας μηχανισμός συνένωσης πυρήνων υδρογόνου. Με την διαδικασία αυτή παράγεται η ενέργεια στον πυρήνα του   κοντινού μας αστεριού, δηλ. του ήλιου, σε συνθήκες όμως εντελώς ακραίες και συγκεκριμένα θερμοκρασίες 100 εκατομμυρίων βαθμών και πίεση εκατομμυρίων ατμοσφαιρών.⁽⁴⁾

Οι μετατροπές ενέργειας δεν αποτελούν προνόμιο του ευφυούς ανθρώπου, αλλά είναι ένα παιχνίδι που η Φύση παίζει καθημερινά και ενίοτε με ακραία μεγέθη, και παράδοξους τρόπους.

Σε επίπεδα φύσης λοιπόν, εν αρχή είναι ο Ήλιος. Ο Ήλιος ο οποίος σύμφωνα με τον Πλίνιο τον πρεσβύτερο αποτελεί εξαίσια, υπέρτατη, και κυρίαρχη αρχή του Σύμπαντος. Ο Ήλιος είναι ένας γιγαντιαίος πυρηνικός αντιδραστήρας, που μετατρέπει κάθε δευτερόλεπτο, 600 εκατομμύρια τόνους ύλης (υδρογόνο) σε ενέργεια μέσω αντιδράσεων πυρηνικής σύντηξης, κατά τις οποίες πυρήνες υδρογόνου μετατρέπονται στο στοιχείο Ήλιο. Σύμφωνα με διαφορετική προσέγγιση,  η ενέργεια αυτή είναι ισοδύναμη με την ενέργεια 100 δισεκατομμυρίων πυρηνικών βομβών του ενός μεγατόνου η κάθε μία! Ή αλλιώς: Η ενέργεια που μεταφέρεται (αποδεσμεύεται) από τη σύντηξη 1 γραμμαρίου ατόμων υδρογόνου (1 mol ατομικού υδρογόνου) είναι ίση με την ενέργεια που ελευθερώνεται από την καύση περίπου 23.000 λίτρων βενζίνης (από την οποία παίρνουμε τόση ενέργεια, όση ηλεκτρική ενέργεια καταναλίσκει περίπου όλη η Ελλάδα σε μία ώρα! Ευτυχώς στη γη φθάνουν μόνο τα δύο δισεκατομμυριοστά αυτής της ενέργειας, δηλαδή περίπου 1400watt  ανά τετραγωνικό μέτρο γήινης επιφάνειας.

Μετά τον Ήλιο , τεράστιο χωνευτήρι ενέργειας αποτελεί το εσωτερικό της γης. Μια λεπτή στερεά φλούδα του πλανήτη αποτελεί τον θεματοφύλακα των συνθηκών ζωής και φιλοξενεί «προσωρινά» τις θάλασσες, τα δάση,  τις ερήμους, αλλά και τις ιστορίες των ανθρώπων και όλα τα έμβια πλάσματα. Η κιβωτός αυτή επιπλέει πάνω  σε ένα διάπυρο μάγμα  το οποίο ψύχεται αργά και σταθερά, συνδεδεμένο με την κλεψύδρα που ορίζει το τέλος της ζωής στη γη. Για την ώρα, η θερμότητα του μάγματος διαχέεται προς την επιφάνεια, συντελώντας σε συνθήκες φιλικές  για ανάπτυξη και διατήρηση της ζωής. Να σημειωθεί ότι στον πυρήνα υπάρχουν τεράστια κοιτάσματα σιδήρου και νικελίου, ο θερμικός στροβιλισμός των οποίων δημιουργεί το γεωμαγνητικό πεδίο. Οι γεωλόγοι προβλέπουν ότι  σε τέσσερα περίπου εκατομμύρια χρόνια, ο πυρήνας θα έχει ψυχθεί τόσο πολύ, ώστε το πολύτιμο γήινο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που μας προστατεύει από την κοσμική ακτινοβολία, θα πάψει να υφίσταται. Τότε σύμφωνα με την ποιητική σύλληψη του Τ.Σ.Έλιοτ  «ο Κόσμος θα σβήσει σαν ελαττωματική κροτίδα, με ένα απογοητευτικό σύριγμα, όχι με κρότο, αλλά με λυγμό».

Το διάπυρο μάγμα δέχεται τεράστιες πιέσεις από τα υπέρθερμα αέρια με τα οποία συνυπάρχει. Όταν βρει διέξοδο προς την επιφάνεια προκαλεί βίαιες ηφαιστειακές εκρήξεις, και τότε ελευθερώνονται παχύρευστη λάβα, τέφρα  και τοξικά αέρια. Η ηφαιστειακή τέφρα  δεν είναι ακριβώς μόνο τέφρα, δεομένου ότι μπορεί να περιέχει και ολόκληρα κομμάτια βράχων. Η τρομακτικότερη όμως δραστηριότητα μιας ηφαιστειακής έκρηξης είναι οι πυροκλαστικές ροές που είναι ροές διάπυρων αερίων που κινούνται με πολύ μεγάλες ταχύτητες ικανές να ξεπεράσουν τα 500 χιλιόμετρα την ώρα καταστρέφοντας τα πάντα στο πέρασμά τους. Οι ενέργειες που ελευθερώνονται από τις ηφαιστειακές εκρήξεις είναι γιγαντιαίες. Η έκρηξη του Κρακατόα που έλαβε χώρα το 1883 είναι από τα πιο βίαια ηφαιστειακά γεγονότα στην καταγεγραμμένη ιστορία. Η έκρηξη είχε ισχύ ισοδύναμη με 200 μεγατόνους ΤΝΤ – περίπου 13.000 φορές ισχυρότερη από την βόμβα Λιτλ Μπόι η οποία κατέστρεψε τη Χιροσίμα κατά τη διάρκεια του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου.   Το ηφαιστειακό νέφος  σχημάτισε μια στήλη ύψους 30.000 μέτρων, ενώ η έκρηξη ακούστηκε μέχρι τα νησιά Ροντρίγκες, κοντά στον Μαυρίκιο, 4.780 χιλιόμετρα δυτικά.  Σύμφωνα με τα επίσημα αρχεία των Ολλανδικών Ανατολικών Ινδιών, 165 χωριά και πόλεις καταστράφηκαν κοντά στο Κρακατόα, και 132 υπέστησαν σημαντικές ζημιές. Τουλάχιστον 36.417 άνθρωποι πέθαναν , κυρίως από τα τσουνάμι που ακολούθησαν την έκρηξη.⁽¹⁾

Οι κεραυνοί αποτελούν ένα ενεργειακό θαύμα των 30.000 αμπέρ με τρομερή ισχύ, αλλά ελάχιστη διάρκεια, μόλις μερικά εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Λόγω της μεγάλης διαφορά δυναμικού (τάσης) ενός ηλεκτροφόρου νέφους με τη Γη , ο αέρας από μονωτής γίνεται αγωγός, επιτρέποντας μια απαστράπτουσα ηλεκτρική εκκένωση, στη ραχοκοκαλιά της οποίας η θερμοκρασία αγγίζει τους 28.000 ^οC, δηλαδή πέντε φορές μεγαλύτερη από την θερμοκρασία της ηλιακής επιφάνειας! Στην ακραία αυτή θερμοκρασία το υλικό του αέρα μετατρέπεται σε πλάσμα, δηλαδή σε ιοντική μορφή ύλης. Η απότομη διαστολή του θερμαινόμενου αέρα προκαλεί την «έκρηξή» του και παράγει την ιδιαίτερη υπόκωφη βροντή που συνοδεύει με κάποια χρονοκαθυστέρηση το υπέρλαμπρο φως  της αστραπής. Η γέννηση κεραυνών προϋποθέτει υγρά και θερμά κλίματα, γι αυτό και οι τροπικές περιοχές του Αμαζόνιου και της Αφρικής δέχονται την επίσκεψη καταιγίδων 180 ημέρες κάθε χρόνο. Αντιθέτως η Σιβηρία και η Γροιλανδία  στερούνται σχεδόν παντελώς τις επιδρομές των κεραυνών.

Ένα λογικό ερώτημα που τίθεται είναι, γιατί ο άνθρωπος που τα πάντα δαμάζει και εκμεταλλεύεται στη φύση, δεν αξιοποιεί τους χιλιάδες κεραυνούς που πέφτουν ανά δευτερόλεπτο στο σώμα της γης για ενεργειακή εκμετάλλευση; Η απάντηση είναι απλή και συνοψίζεται σε δύο λέξεις: «Δεν συμφέρει». Διότι άλλο πράγμα είναι η ισχύς και άλλο η ενέργεια. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ο κεραυνός έχει τεράστια ισχύ, η οποία όμως διαρκεί ελάχιστα. Έτσι, το παραγόμενο έργο, δυστυχώς είναι ελάχιστο. Φέρτε στο μυαλό σας ένα μυώδη τύπο, σαν αυτούς που ξημεροβραδιάζονται σε γυμναστήρια φουσκώνοντας   μπράτσα και κοιλιακούς. Ο τύπος διαθέτει  προφανώς ισχύ. Αν όμως έχει πάρει διαζύγιο με την εργασία, (ελάχιστο έργο), θα τον προσλαμβάνατε σαν εργάτη σας;

. Στις 26 Δεκεμβρίου του 2004 προκλήθηκε ένα τρομακτικού μεγέθους τσουνάμι   από σεισμό στον Ινδικό ωκεανό που σάρωσε τις ακτές από την  νοτιανατολική Ασία μέχρι και ανατολική Αφρική και είχε σαν αποτέλεσμα τον θάνατο 235.000 ανθρώπων, πέραν από τις  ανυπολόγιστες  υλικές καταστροφές. Η συνολική ενέργεια του τερατώδους θαλάσσιου  κύματος ήταν ισοδύναμη με πέντε μεγατόνους εκρηκτικού  ΤΝΤ (τρινιτροτολουόλιο).  Για να έχουμε μια εικόνα τι σημαίνει το μέγεθος αυτό , να αναφέρουμε, ότι ήταν διπλάσιο του συνόλου εκρηκτικής ενέργειας που εκλύθηκε συνολικά , απ’ όλα τα είδη εκρηκτικών, καθ’ όλη την διάρκεια του δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου, συμπεριλαμβανομένων και των ατομικών βομβών που ρίχτηκαν σε Χιροσίμα και Ναγκασάκι !

Ενώ αναφερόμαστε ακόμη στα ενεργειακά δρώμενα της Φύσης, προσέξτε κάτι που φαίνεται παράδοξο σε πρώτη ανάγνωση. Εύκολα μπορεί  να κάψει  κανείς οινόπνευμα, χαρτί, ή βενζίνη και να πάρει τελικά διοξείδιο του άνθρακα, νερό και φυσικά ενέργεια, δεδομένου ότι η ενέργεια των προϊόντων είναι μικρότερη από την ενέργεια των αντιδρώντων. Είναι όμως   απίθανο το διοξείδιο του άνθρακα που υπάρχει στον αέρα να αντιδράσει με νερό και να δώσει οινόπνευμα ή βενζίνη. Απίθανο; Η Φύση, εδώ και  αιώνες μας μαθαίνει, ότι δεν πρέπει να είμαστε απόλυτοι. Οι δύο αυτές ουσίες, διοξείδιο του άνθρακα και νερό, που κάτω από φυσιολογικές συνθήκες είναι αδύνατο να αντιδράσουν και να δώσουν σύνθετες χημικές ουσίες, μπορούν τελικά να ενωθούν και να δώσουν υδατάνθρακες και οξυγόνο, αλλά μόνο μέσα στα φυτά! Με την ένωσή τους αυτή όπως καταλαβαίνετε ανεβαίνουν και πάλι ενεργειακά, από τα χαμηλά  στα ύψηλά, επομένως κάποιος πρέπει να τους πρόσφερε την απαιτούμενη ενέργεια. Αυτός δεν είναι άλλος από τον ενεργειακό αυτοκράτορα, τον Ήλιο. Η χημική αυτή αντίδραση   θεωρείται αναμφισβήτητα η πολυτιμότερη από καταβολής Κόσμου και είναι η φωτοσύνθεση. Με τη γλώσσα της Χημείας περιγράφεται ως εξής:

6 CO₂  +  6 H₂O  → C₆H₁₂O₆  +  6 O₂

H αντίδραση αυτή πραγματοποιείται μόνο μέσα στους χλωροπλάστες των φυτικών κυττάρων, και αν την προσέξετε, θα αντιληφθείτε ότι είναι πολύτιμη για τρεις λόγους: Πρώτον, καθαρίζει την ατμόσφαιρα από το προβληματικό διοξείδιο του άνθρακα, δεύτερο, την εμπλουτίζει σε οξυγόνο και τρίτο, αποθηκεύει την ηλιακή ενέργεια στα φυτά, μετατρέποντάς τα σε εύχρηστα «ενεργειακά νομίσματα».

Έχω αναφέρει και σε άλλο σημείο του βιβλίου, ότι οι αισθήσεις μας, αν και αποτελούν πολύτιμες πηγές πληροφοριών από τον εξωτερικό κόσμο, συχνά μας οδηγούν σε απατηλά συμπεράσματα και δεν πρέπει  να τις εμπιστευόμαστε ανεπιφύλακτα. Παρατηρώντας την φλόγα ενός κεριού για παραδειγμα, θα θεωρούσαμε ότι η θερμοκρασία στο κέντρο της φλόγας είναι η μέγιστη και όσο απομακρυνόμαστε προς την περιφέρεια της θα έπρεπε να ελαττώνεται. Κι όμως ισχύει το αντίθετο, όπως απέδειξε   ο μεγάλος φυσικός Faraday, σε μια από τις ιστορικές πειραματικές διαλέξεις που έδωσε τα Χριστούγεννα του 1848 στο Βασιλικό Ινστιτούτο του Λονδίνου, με αποδέκτες τα παιδιά και είχαν θεματική ενότητα την «χημική ιστορία ενός κεριού».

Κλείνοντας την ενότητα των ενεργειακών μετατροπών θα ήταν ίσως χρήσιμο να σας μεταφέρω κάποιες ενδιαφέρουσες «ενεργειακές πληροφορίες». Οι πληροφορίες, αν και δεν αποτελούν αυτό που ονομάζεται γνώση, συχνά προσφέρουν μια ιδιαίτερη υδύτητα στο παιχνίδι της μάθησης.  Μάθετε λοιπόν ότι όλες οι καύσεις δεν συνοδεύονται από τα γνωστά φωτεινά αποτελέσματα – φλόγα – και ότι υπάρχουν καύσεις σκοτεινές και «ψυχρές». Στις  καύσεις αυτές αναπτύσσονται θερμοκρασίες περίπου 500 ^oC, όταν στις συνήθεις καύσεις οι θερμοκρασιες είναι περίπου διπλάσιες. «Ψυχρές» καύσεις μπορούν να εκδηλωθούν όταν ατμοί οργανικών ενώσεων  θερμανθούν αρκετά , ώστε να προκληθεί αυτόματη ανάφλεξή τους. Χαρακτηριστικό των καύσεων αυτής της κατηγορίας είναι οι πολύ μικρές ταχύτητες με τις οποίες πραγματοποιούνται.

Όμως, ακόμη και οι πιο απλές καύσεις κρύβουν χημικά μυστικά που εκπλήσουν. Όταν, για παράδειγμα, καίγεται ένα κούτσουρο στο τζάκι, για να γεννηθεί η φλόγα που θα θερμάνει σώμα και ψυχή, απαιτεί κάποιες προύποθέσεις. Συγκεκριμένα θα πρέπει η θερμοκρασία του ξύλου να ανεβεί σε σημείο που θα προκαλέσει την έκλυση αερίου υδρογόνου και άλλων εύφλεκτων αερίων του άνθρακα τα οποία στη συνέχεια θα αντιδράσουν με το οξυγόνο για να δώσουν φλόγα και να συντηρήσουν την καύση. Και μιας και αναφερόμαστε σε απλότητα, να αναφέρουμε ότι και το απλό κάρβουνο δεν είναι ακριβώς ακάθαρτος άνθρακας, όπως θεωρείται από πολλούς, αλλά ένα εξαιρετικά περίπλοκο μείγμα οργανικών ενώσεων που εκτός από άνθρακα, περιέχουν οξυγόνο, άζωτο , υδρογόνο και θείο.

Η στερνή ενεργειακή δοσοληψία για εκατομμύρια ανθρώπους είναι η αποτέφρωση.  Η αποτέφρωση αποτελεί προσωπική επιλογή και σχετίζεται με τις θρησκευτικές πεποιθήσεις του νεκρού. Αν εξαιρέσουμε τις ανατολικές θρησκείες (Ινδοϊσμός, Βουδισμός) οι οποίες επιβάλλουν την αποτέφρωση, στις υπόλοιπες θρησκείες υπάρχουν σημαντικές διαφοροποιήσεις και συχνά ανυπέρβλητες νομικές δυσκολίες .  Στην Ελλάδα το πρώτο αποτεφρωτήριο άρχισε να λειτουργεί το 2019 στην Ριτσώνα της Αττικής. Η διαδικασία της αποτέφρωσης γίνεται σε ειδικούς κλιβάνους , σε θερμοκρασία 800^oC-1000^oC  και διαρκεί 75 λεπτά. Η τέφρα του νεκρού παραδίδεται στους συγγενείς του μέσα σε ειδικές τεφροδόχους. Μάλιστα , τελευταία έχουν κατασκευασθεί ειδικές τεφροδόχοι από αλλάτι , οπότε υπάρχει η δυνατότητα να ρίχνονται απευθείας στο νερό δίχως να ανοίγονται προηγουμένως. Η αποτέφρωση εφαρμόζεται και στην επεξεργασία απορριμάτων, μετατρέποντάς τα σε τέφρα και καυσαέρια, με ταυτόχρονη παραγωγή θερμότητας, η οποία σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι συγχρονοι αποτεφρωτήρες είναι πλέον φιλικοί προς το περιβάλλον και μειώνουν τον όγκο των απορριμάτων κατά 95-96%, αν και δεν υποκαθιστούν πλήρως την υγειονομική ταφή. Η αποτέφρωση απορριμάτων ενδείκνυται ιδιαίτερα στην επεξεργασία ειδικών αποβλήτων, όπως κλινικών και χημικών, διότι κάποια παθογόνα, ή τοξικά συστατικά καταστρέφονται σε υψηλές θερμοκρασίες.

Οι ενεργειακές μετατροπές αποτελούν ουσιαστική παράμετρο  για την συντήρηση της ζωής στον Πλανήτη. Σήμερα, περισσότερο από ποτέ, οφειλουμε με σεβασμό και ταπεινοφροσύνη,  να αναλογισθούμε που πάμε, αν πηγαίνουμε καλά και μήπως πρέπει να πορευθούμε λίγο διαφορετικά. Όσο υπάρχει λίγος χρόνος ακόμη. Η κλεψύδρα αδειάζει…

(Το άρθρο είναι από το βιβλίο “ΑΠΟ ΜΙΚΡΟΣ ΜΙΣΟΥΣΑ ΤΗ ΧΗΜΕΙΑ – Η ΧΗΜΕΙΑ ΑΛΛΙΩΣ” του Τζιανουδάκη Λεωνίδα, εκδόσεις Carpe librum, Αθήνα 2025, και επιτρέπω την διδακτική αξιοποίησή του.) 

 

Τιμητική αναφορά στο στοιχείο της ενότητας Al  (aluminium– Αργίλιο ή αλουμίνιο):  Από τα πλέον ελαφρά μέταλλα έχει ειδικό βάρος το 1/3 του βάρους του χάλυβα γι’ αυτό και χρησιμοποιείται ευρύτατα στην αεροναυπηγική. Είναι το πιο άφθονο μέταλλο στο φλοιό της Γης και συνολικά το τρίτο (3^ο) αφθονότερο χημικό στοιχείο του πλανήτη  , μετά το οξυγόνο και το πυρίτιο. Αλλά λόγω της μεγάλης του δραστικότητας  δεν συναντάται ελεύθερο αλλά δεσμευμένο με άλλα αμέταλλα στοιχεία με την μορφή δηλαδή χημικών ενώσεων. Βιομηχανικά παράγεται από τον Βωξίτη. Διαβρώνεται δύσκολα από τον αέρα διότι με την αρχική του έκθεση σχηματίζει ένα λεπτό επιφανειακό στρώμα από οξείδιο του αργιλίου που εμποδίζει την περαιτέρω διάβρωση. Σχηματίζει με άλλα μέταλλα μια μεγάλη ποικιλία κραμάτων με ευρύτατη ποικιλία εφαρμογών , κάτι που το καθιστά πολύτιμο στην βιομηχανία. Αρχικά, το κόστος του αργιλίου ήταν υψηλότερο από αυτό του χρυσού και του λευκόχρυσου. Γι’ αυτό το λόγο σε γεύματα του Ναπολέοντος Γ’ της Γαλλίας, οι πιο σημαντικοί καλεσμένοι έτρωγαν σε πιάτα από αργίλιο. Κι αυτό γιατί η μεταλλουργία του  με ηλεκτρόλυση  είναι  δύσκολη και ηλεκτροβόρα.   Ένα τυπικό εργοστάσιο παραγωγής αλουμινίου καταναλώνει ρεύμα όσο μια μικρή πόλη. Ενδεχόμενη διακοπή ρεύματος για παραπάνω από 4 ώρες σημαίνει στερεοποίηση των τηγμάτων στις λεκάνες και, συνεπώς, καταστροφή τους. Γι’ αυτό το λόγο, τα περισσότερα εργοστάσια είτε παράγουν επιτόπου την ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνουν είτε συνδέονται με παραπάνω από μία πηγές ενέργειας.

 

ΠΑΡΑΠΟΜΠΕΣ

1. Ρεμπέκα Ρουπ, «Τα τέσσερα στοιχεία», εκδ. αβγο
2. Wikipedia , διαδικτυακή εγκυκλοπαίδεια.
3. Εγκυκλοπαίδεια TIME-LIFE, τόμος ηλεκτρισμός, εκδ. Λύκειος Απόλλων.
4. Μοσχάτος, Ανδρέας, «Ενέργεια, εισαγωγή και επισκόπηση των πρωτογενών μορφών της» εκδ. Δίαυλος.