Katalog

PROJELERDEN BİRİNİN ‘TUTMASI’ YETERLİ Sürdürülebilir Enerji Politikaları çin 7 Yeni Köklü Çözüm Gelecekte dünyanın çok büyük bir enerji darboğazı ile karşı karşıya kalacağını tahmin eden bilim insanları ve mühendisler, bugünkü enerji politikalarında köklü değişiklikler yaratacak yeni enerji teknolojileri üzerinde çalışıyor. Füzyon ile tetiklenen fizyon, güneş ışığını ve karbon dioksiti benzin yerine geçen bir yakıta dönüştüren makine örneğindeki gibi, yeni teknolojiler %90 işe yaramayabilir, ancak bu egzotik teknolojilerden herhangi birinin başarılı olması durumunda gezegenimiz uzun süre enerji sıkıntısı çekmeyecek ve bu enerji kaynaklarından yüksek verim alabilecek. Ç ok sayıda bilim insanı yenilenebilir enerji kaynaklarından daha yaygın bir şekilde yararlanmak ve enerji verimini arttırmak için çabalıyor. Bunların hepsi geleceğimiz için olumlu adımlar. Ne var ki çabaların pek çoğu büyük bir olasılıkla yalnızca kısmi iyileşme sağlayacak. Oysa gezegenimizin uzun vadede enerji krizi yaşamaması için köklü çözümlere gereksinimi var. Bilim insanları ve mühendisler yıllardan beri bazı fantastik projeler üzerinde çalışıyor. Örneğin karalara yerleştirilmiş alıcılara güneş enerjisini ışınlayan uydular, atmosferde dolaşan ve elektrik üreten rüzgâr makineleri vb..Ancak ayağı yere basan projelere öncelik tanıyan gerçekçi bilim insanları, kamu ve özel sektörden sağlamış oldukları mali destek ile birkaç kilit alanda uzun vadede çözüm üretecek teknolojiler üzerinde çalışıyor. Burada tanıtacağımız projeler başarılı olma olasılığı en yüksek olan örnekler. Ancak uygulanabilir ve seri üretilebilir bir çözüm için bilim insanlarının önünde çözülmesi gerek çok sayıda engel var. CBT 1260/ 10 13 Mayıs 2011 2 Güneş’in bir saat içinde Yeryüzü’ne gönderdiği enerji, uygarlığın bir yılda kullandığından daha fazladır. Bilim insanları bu enerjinin çok küçük bir bölümünü bile sıvı yakıta dönüştürmeyi başarmış olsaydı, ulaşım için kullandığımız fosil yakıtlara olan bağımlılığımız ortadan kalkardı ve neden olduğu GÜNEŞ IŞIĞINDAN SIVI YAKIT Günümüzün ticari güneş pilleri ışığın ancak %10 ile %15’ini elektriğe dönüştürebiliyor. Bunun sonucunda da ortaya pahalı bir elektrik çıkıyor. Bunun nedenlerinden biri ışık emen silikonun tek bir tabakasının kuramsal verim limitinin % 31 dolayında olmasıdır. Yarı iletken kristaller veya kuantum noktaları konusundaki SICAK ELEKTRONLARLA ELEKTR K CBT 1260/ 11 13 Mayıs 2011 Fizikçi ve mühendislerin yıllardır üzerinde çalıştıkları çılgın projelerinden biri nükleer füzyondan enerji elde edilmesini sağlayan teknolojidir. Füzyon, hidrojen bombasının ve güneş patlamalarının altında yatan süreçtir. Bilim insanları şu anda füzyon reaksiyonunu gerçekleştirebiliyor. Bunun için hidrojen çekirdeklerini şiddetle çarpıştırarak birbirlerine kaynamasını sağlamak yeterlioid. Bu işlemin sonucunda ortaya nötron ve enerji çıkar. Ne var ki bu işlem yazıldığı kadar kolay değil; işlemin en zor kısmı, reaksiyonların, kendilerini başlatan enerjiden daha fazla enerji üretebilecek kadar verimli hale dönüştürülebilmesi. Başka bir deyişle ateşlemenin sonucunda elektrik üretebilmelidir. Kaliforniya, Livermore’daki Ulusal Ateşleme Tesisi’nden bilim insanları şimdi ilginç bir teknoloji üzerinde çalışıyor. Bu, fizyon yaratmak için füzyondan yararlanma denemesidir. Fizyon sürecinde, atom parçalanır ve bunun sonucunda elde edilen enerji ile konvansiyonel nükleer santrallar çalışır. Bu yeni projenin lideri Edward Moses, 20 yıl içinde bu işlemin prototip enerji satrallarında kullanılabileceğini ileri sürüyor. Livermore projesinde, lazer pulsları reaksiyon odasının merkezinde füzyon patlamalarını gerçekleştirir. Burada ortaya çıkan nötronlar, odanın duvarlarını kaplayan kalın bir uranyum örtüsündeki atomları parçalar. Parçalanan atomların çıkarttığı ener 1 FÜZYON LE TET KLENEN F ZYON ji odadaki enerji çıkışını dört faktöryel ile çarpar. Füzyonu tetikleyen fizyon kavramının geçmişi ilk kez Sovyet Hbombasının “babası” olarak bilinen Andrey Sakharov’a kadar uzanır. O dönemde bu kavram barışçıl amaçları hedefliyordu. Eğer enerjinin büyük bir kısmı fizyondan elde ediliyorsa, konvansiyonel nükleer santralları niçin olduğu gibi kullanmaya devam etmiyoruz? Niçin füzyonun tetiklemesi için çaba harcıyoruz? Bir fizyon reaktörü zincirleme reaksiyona dayanır. Bu reaksiyonda parçalanan atomlardan çıkan nötronlar daha fazla atomun parçalanmasını sağlar. Bu zincirleme reaksiyonu sürdürebilmek için plütonyum veya zenginleştirilmiş uranyum yakıtı gerekir. Bu ikisi de nükleer silah yapımında kullanılabilir. Bir hibrit füzyonfizyon tesisinde ise, füzyon patlamalarından çıkan nötronlar fizyon ürettiği için zircir reaksiyonunu sürdürme gereği ortadan kalkar. Bu uygulama, olası yakıt menüsünü de çeşitlendirir. Örneğin zenginleştirilmemiş uranyum, seyreltilmiş uranyum vb…Bir diğer yararı da tüketilen yakıtın miktarındaki düşüştür. Konvansiyonel reaktör, yakıt tamamen değiştirilmeden önce yakıtının parçalanabilir atomlarının yalnızca birazını parçalar. Oysa Moses’ın füzyonfizyon tesisleri %90 oranında yanma sağlayabilir. Böylece tipik bir fizyon reaktörünün ihtiyacı olan miktarın yirmide biri ile idare edebilir. Moses’in tesisi bu yıl içinde ateşlemeyi başarmış olsa bile projenin yaşama geçirilebilmesi için şu teknik engellerin üstesinden gelinmesi gerekir: Füzyon yakıt topakçıklarının, ucuz maliyetlerle seri olarak üretilmesi gerekir Ateşlemenin saniyede 10 kez yapılması gerekir. Bunun için de henüz tam olarak kanıtlanmamış teknolojilerin yaşama geçirilmiş olması ön koşuldur. Ulusal Ateşleme Tesisi şu anda ancak günde iki atım gerçekleştirebiliyor. Hibrit yaklaşımlar, saf füzyonda gerekmeyen teknolojilere ihtiyaç duyar. Moses, bu engelleri aşmak için agresif bir yol izlese de önceliği lazer füzyonunun ateşlenmesine veriyor. sorunlar da sona ererdi. Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’ndeki Yapay Fotosentez Merkezi Yöneticisi N atha n Le wis, “Güneş ışığından ucuz ve verimli bir şekilde kimyasal yakıt elde ederseniz, enerji alanındaki tüm ezberler bozulabilir” diyor. Bu alanda Sandinia Ulusal Laboratuvarları’nda yürütülen bir çalışmada, altı metre genişliğinde aynalardan yapılmış bir çanak, New Mexico Çölü’ne yerleştirildi. Bu çanağın topladığı güneş ışınları, önüne yerleştirilmiş yarım metre uzunluğunda silindirik (bira fıçısı şeklinde) bir makineye yönlendirildi. Sistem şöyle çalışıyor: Aynalar, makinenin duvarlarındaki bir pencereden gelen ışınları, dakika başı dönen iç içe geçmiş bir düzine halkanın üzerine odaklar. Halkaların kenarlarını oluşturan demir oksitin (pas) veya seryum oksidin dişleri ışınlara doğru dönerken, 1.500 dereceye (santigrat) kadar çıkar. Bu ısı, pasın içindeki oksijenin dışarı çıkmasına yol açar. Dişler reaktörün daha soğuk, karanlık yüzüne doğru dönerken, haznenin içine verilen karbon dioksitin veya buharın içinden oksijeni geri emer; geride enerji zengini hidrojen ve karbon monoksit kalır. Sonuçta ortaya çıkan hidrojen ve karbon monoksit karışımına sentez gazı veya kısaca sengaz adı verilir. Bu gaz fosil yakıtların, kimyasalların, hatta plastiğin temel, moleküler yapı taşlarıdır. leri Araştırma Projeleri Ajansı yöneticisi Arun Majumdar’a göre bu sistem “bir taşla dört kuş vuruyor”: Temiz yakıt kaynağı Daha güvenli enerji CO2 miktarında azalma Daha az iklim değişikliği tehlikesi Zürih’teki sviçre Federal Enstitüsü ve Minnesota Üniversitesi gibi dünyanın başka bölgelerinde de sengaz üreten makineler geliştirilmekte. ABD’deki Sun Catalytix, Liquid Light gibi özel sektör kuruluşları da bu konuya ilgi gösteriyor. Bu teknolojide sorunlar tam anlamıyla çözülmüş değil. Örneğin Sandia’da yürütülen projede dişler sürekli olarak kırılıp durduğu için reaksiyon gerçekleştirilemiyor. Bir sonraki aşamada dişerin daha sağlam yapılması gerekiyor. Belki bunun için nanoteknolojiden yararlanılabilecek. Ayrıca aynaların maliyetinin de azaltılması gerekiyor. Projenin geliştiricilerinden James E.Miller, “Bütün bu çabalardan bir sonuç çıkmama olasılığını düşünmek bile istemiyoruz. Ancak kesin olan önümüzde çok uzun bir yol olduğudur.” yeni araştırmalar bu kuramsal üst limitin %60’a kadar çıkartılabileceğini gösteriyor. Dolayısıyla makul fiyatlarla elektrik üreten ürünlerin geliştirilmesi mümkün olabilecek. Konvansiyonel pillerde içeri giren fotonlar, silikonun üzerindeki elektronlara çarparak gevşemelerine yol açar. Böylece elektronlar rahat bir şekilde iletken tel üzerinde akarak elektrik üretirler. şin kötüsü, güneş fotonlarının pek çoğunda gereğinden fazla enerji bulunduğu için silikona çarptıkları zaman “sıcak elektronlar” çıkartır. Ki bunlar da hızla enerjilerini kaybeder ve ilk haline geri döner. Eğer elektronlar soğumadan önce yakalanabilirse maksimum enerji iki katına çıkabilir. Çözümlerden biri elektronların soğuma hızını yavaşlatmak olabilir. Böylece elektronları yakalamak için daha uzun zaman tanınmış olur. Geçen yıl Austin’deki Teksas Üniversitesi’nden kimyacı Xiaoyang Zhu ve ekibi her biri birkaç bin atom içeren kuantum noktalardan yararlanmayı düşündü. Zhu, deneylerinde titanyum dioksit tabakalarından yararlandığı zaman elektronların bin kez daha uzun süre içinde ısılarını yitirdiklerini keşfetti. Ne var ki elektronları ısı kaybını geciktirmek hedeflerden yalnızca biri. Zhu şimdi iletkenin olabildiği kadar fazla sayıda sıcak elektronu elektriğe dönüştürmesi için çalışıyor. Güneş pillerinin çalışabilmesi için daha pek çok engelin aşılması gerekiyor. Zhu’ya göre önce hangi malzemenin maksimum verim sağlayacağının saptanması gerekiyor. Ve ne yazık ki Zhu bunun da oldukça uzun süre alacağını tahmin ediyor. 5 4 3 ABD’de üretilen enerjinin %60’ı boşa gidiyor. Bunun büyük bir kısmı enerji santrallarından ve milyonlarca araçtan ısı olarak kaçıyor. General Motors’dan (GM) bilim insanları şekilbellek malzemeleri olarak bilinen egzotik malzemelerden yararlanarak, ziyan olan bu enerjiyi geri kazanmaya çabalıyor. Bu malzemeler ısıyı mekanik enerjiye dönüştürdükten sonra elektrik üretiminde kullanılacak. Bu ekibin lideri Alan Browne’nın ilk hedefi aracın egzoz sistemindeki ısıyı yeniden kullanarak klimayı veya radyoyu çalıştırmak ve böylece motorun üzerindeki yükü azaltmak. Browne bunun için ince, nikeltitanyum bir alaşımdan yapılmış paralel şeritlerin oluşturduğu bir kayıştan yararlanmayı planlıyor. Bu alaşım belirli bir şekli “anımsıyor”. Şekilbellek alaşımlarının tümü iki durum arasında gidip gelir. Araçlarda bu iki durum, yüksek sıcaklık altındaki daha katı olan durum ve daha esnek olan durumdur. GM’nin prototipinin bir sakıncası şekilbellek alaşımlarının yorulması ve kopma riski taşımasıdır. Browne bu soruna şimdiye dek tatmin edici bir çözüm üretememiş. GM bu projede tek tüfek değil. Illinois Üniversitesi’nden Sanjiv Sinha da esnek, katıhal malzemelerinden yararlanarak ısıyı elektriğe dönüştüren sistemler üzerinde çalışıyor. Bu projenin amacına ulaşması durumunda, soğutma kulelerinden fabrika kazanlarına, milyonlarca ev radyatöründen buzdolaplarına kadar yüzlerce alan bu malzemeleri bekliyor. Browne’a göre bu teknoloji 10 yıl içinde ticari boyutlarda üretilerek piyasaya çıkacak duruma gelebilir. ŞEK LBELLEK ALAŞIMLARI LE ENERJ Yüz yıldır pistonlu motorlar neredeyse tüm otomobil ve kamyonlarda kullanılıyor. Hatta bugünün hibrit taşıtları, enerjiyi yükseltmek ve aküyü verimli bir şekilde yeniden şarj edebilmek için küçük pistonlu motorlardan yararlanıyor. Fakat Michigan State Üniversitesi dalgadisk motoru veya şokdalga motoru olarak bilinen, tamamen farklı bir tasarım üzerinde çalışıyor. Bu tasarım pistonları tamamen ortadan kaldırıyor. Proje başarılı olursa, geleceğin hibritleri bir litre benzin ile beş kat uzun yol kat edebilecek. Bu kompakt motor normal bir ev tenceresi boyutlarında ve pistonlu motorlardan daha az ekipmana ihtiyaç duyuyor. Michigan State Üniversitesi’nden makine mühendisi Norbert Müller’e göre pistonlar, çubuklar ve motor bloklarına gerek kalmayacak. Azaltılmış kütle ve yüksek yakıt verimi hibrit bir otomobilde aynı miktarda yakıt ile 5 misli uzağa gitmeyi sağlamasının yanı sıra, karbon monoksit emisyonunu da belirgin oranda azaltacak. Müller’e göre aynı zamanda üretim maliyetleri de %30 oranında azalacak. Konvansiyonel ateşlemeli motorda, buji, benzin ve hava karışımını gaz odasında ateşler. Bu da krank milini döndüren pistonları çalıştırır. Bunun sonucunda tekerlekler döner. Bir dizel motorda piston, güçlü bir şekilde yakıt ve hava karışımını sıkıştırarak ateşler. Sonuçta ortaya çıkan yanma, gazın genişlemesine, pistonun geriye çekilmesine ve krank milinin dönmesine yol açar. Oysa dalgadisk tasarımında, enerji üreten işlem dönen bir türbinin içinde gerçekleşir. Sıcak, basınçlı hava ve yakıt, kanatlar arasındaki aralıklara dolar. Yüksek basınçlı karışım ateşlendiği zaman yanan gazlar dar yerde genişler ve şok dalgası yaratır. Bu dalga da geride kalan yerdeki havayı sıkıştırır. Bunu izleyen şok dalgaları ısıyı ve havayı biraz daha sıkıştırdığı zaman, bunlar uygun buldukları anda koruyucu gövdeden dışarı kaçar. Basınçlı gazın bükülü kanatların üzerinde yarattığı kuvvet ve gaz kaçakları rotoru, rotor da krank milini döndürür. Mühendisler 1906 yılından bu yana dalgarotor motorları üzerinde çalışmakla birlikte, henüz somut bir prototip yaratabilmiş değiller. Bu motorların bilgisayar modellerinin uygulamada çalışıp çalışmayacağı da henüz bilinmiyor. Müller ise çalıştıkları modelin çevreci hibrit araçlarda kullanılacağından emin. Ancak daha fazla zamana, gayrete ve hayal gücüne ihtiyaçları var. GAZTÜRB NL ARAÇLAR P STONLULARDAN ÜSTÜN lışıyor. Tüm manyetik malzemeler, manyetik bir alana maruz kalırlarsa bir miktar ısınır ve manyetik alan ortadan kalkınca soğur. Bu uygulamaya manyetokalorik etki adı verilir. Atomlar ısıyı titreşim olarak depolar; bir manyetik alan metaldeki elektronları bir hizaya getirdiği ve serbestçe dolaşmalarını engellediği zaman metal atomları daha fazla titreşir ve ısınır. Manyetik alanı kaldırdığınız zaman sıcaklık düşer. Bu olay 1881 yılında keşfedilmişti ancak ticari amaçlar için kullanılması kimsenin aklına gelmedi, çünkü kuramsal olarak bu etkiyi yaratmak için süper iletken mıknatısların aşırı soğutulması gerekiyordu. Oysa 1997 yılında Amerikan Enerji Bakanlığı’na bağlı Ames Laboratuvarı, gadolinyum, silikon ve germanyum alaşımının oda sıcaklığında devasa bir manyetokalorik etkiye sahip olduğunu keşfetti. Bu tarihten sonra benzer başka alaşımlar geliştirildi. Astronautics şimdi büyücek bir evi soğutacak güçlü bir klima üzerinde çalışıyor. Konvansiyonel soğutucularda kompresör işin büyük bir kısmını üstlenir. Manyetik soğutucularda ise tekerleği döndüren motor, kompresörlerden daha randımanlıdır. Astronautics 2013 yılında tamamlamayı planladığı prototipin, elektrik tüketimini üçte bir oranında azaltacağını öne sürüyor. Astronautics’in yöneticisi Steven Jacobs, “Bundan daha çevre dostu bir cihaz bulamazsınız” diyor. Diğer projelerde olduğu gibi bu projede de üstesinden gelinmesi gereken devasa sorunlar var. Ne var ki sistemin sahip olduğu potansiyelin çok büyük olması, başka özel şirketleri de bu alana çekiyor. Pek çok ülkede kömür en ucuz ve en fazla bulunan enerji kaynağıdır. En fazla karbon içeren bu kaynak, iklim değişikliğinin de en büyük suçlusudur. Mühendisler kömür santralarından çıkan karbon dioksiti atmosfere karışmadan önce yakalayıp temizlemeye çalışmakla birlikte, bu işlem üretilen enerjinin %30’unu çekip emdiği için elektriğin maliyeti giderek artar. University of Notre Dame Enerji Merkezi, bu amaçla bir çeşit tuz olan iyonik sıvıdan yararlanıyor. Bunun ilk avantajı diğer karbon emicilere göre iki misli emme gücüne sahip olması. Bir diğer avantajı da tuzun işlem sırasında katı halden sıvı hale dönüşebilmesi. Bu değişiklik ısı çıkartır; çıkan ısı, sıvının içindeki karbonun çıkartılmasında kullanılabilir. Ekip şu anda teknolojiyi laboratuar ölçeğinde kurabilmiş durumda. Bilim insanları ölçeğin büyütülerek fabrika bacalarına da uygulanabileceğini düşünüyor. Türkçesi: Reyhan Oksay Kaynak: Mayıs 2011, www.scientificAmerican.com 7 DAHA TEM Z KÖMÜR 6 Klimalar, buzdolapları ve dondurucular, yaşadığımız ortamı soğutmaya yarar, ancak çok fazla miktarda enerjiye gereksinim duyarlar. ABD’de normal bir evde kullanılan elektriğin üçte birini tüketirler. Mıknatıslardan yararlanan çok farklı bir teknoloji bu tüketimde radikal bir tasarruf sağlayabilir. Ticari soğutucuların pek çoğu, soğutucu bir gazı veya sıvıyı dönüşümlü olarak önce sıkıştırır daha sonra üzerindeki basıncı azaltır. Soğutucu madde devir yaptıkça odadaki ısıyı çeker. Ancak kompresörler korkunç elektrik tüketirler. Bu cihazlarda en fazla kullanılan gaz, havaya salındığı zaman atmosferi CO2’in ısıttığından bin misli daha fazla ısıtır. ABD’de Milwaukee’deki Astronautics Corporation of America isimli kuruluşta görevli araştırmacılar, sıkıştırma gereğini ortadan kaldıran ve mıknatıslarla çalışan soğutucular üzerinde ça SIRA DIŞI ALAŞIMLARLA SOĞUTMA