Fyzika a klasická energetika

„Voda je uhlí budoucnosti. Energií zítřka je voda, rozložená elektrickým proudem na vodík a kyslík. Tyto prvky zajistí na nedozírnou dobu energetické zásobování Země,“ napsal v roce 1870 Jules Verne. Vynálezci na celém světě vytrvale pracují na zařízeních, která mají z této – dnes již mnohdy drahocenné – tekutiny vyprodukovat energii.

V periodické tabulce najdeme chemické prvky uspořádané v úhledných sloupcích a řadách, což nám pomůže odhadnout jejich vlastnosti. Pro chemiky je to první referenční bod pro další bádání – jak například vyvinout lepší katalytické konvertory nebo jak rychleji vyrobit beton, popř. vyhledat nejlepší materiály pro lékařské implantáty. Většina látek ve vesmíru se však nevyskytuje - tak jako na povrchu Země – v chladných a klidných podmínkách. Více než 99,9 % hmoty se nachází na planetách a hvězdách v prostředí vysokých teplot a zejména ohromných tlaků. A o vysokotlaké oblasti toho moc nevíme. Novodobí „alchymisté“ se však začínají pomalu zabývat i touto oblastí, tj. prostředím vysokých tlaků, a dosud známé fyzikální a chemické vlastnosti látek upřesňují. Vysoké tlaky mění například kapaliny v pevné látky, nekovy na kovy atd. Cílem technologů a chemiků je však nejen lépe pochopit chemii naší planety a jiných planet, ale také nalézt materiály, které jinak reagují, skladují energii účinněji nebo dokonce vedou elektřinu při pokojové teplotě, aniž kladou elektrickému proudu odpor.

Mluví-li se v poslední době o energetice, pak jsou ústředím tématem především emise skleníkových plynů a hrozba globálního oteplování. Jak by to však vypadalo, kdybychom spočítali, kolik lidí energetika připraví o život? Uvažujme různé dnes používané energetické zdroje v celém jejich životním cyklu – od dolování surovin přes výstavbu elektrárny a její provoz až po likvidaci odpadů. Na toto téma už vzniklo několik studií, možná budeme jejich výsledky překvapeni.

Elektřinu nelze skladovat. V síti jí musí být právě tolik, kolik zákazníci v danou chvíli požadují. Nerovnováha mezi výrobou a odběrem může způsobit plošný výpadek elektřiny na menším či větším území. A je tu ještě jedno úskalí – elektřina se řídí Kirchhoffovými zákony a nikoliv obchodními kontrakty. A tak když na pobřeží severního Německa fouká vítr, přebytek elektřiny se valí propojenou přenosovou sítí i do Čech a ohrožuje stabilitu naší soustavy. Bezproudí, neboli tzv. blackout, má pro naši na elektřině zcela závislou „civilizovanou“ společnost nedozírné následky. Mnoho zemí s ním má velmi konkrétní zkušenost a u nás je jen otázkou času, kdy přetečení velkého množství elektřiny z neřiditelných severoněmeckých větrných elektráren ochromí i naší zatím velmi „statečnou“ rozvodnou síť.

Svět se dnes dohaduje, zda technologie frakování k získávání ropy a zemního plynu je darem z nebes nebo ekologickou noční můrou. Bývalý pracovník v Oak Ridge National Laboratory ve státě Tennessee, Peter Kearl, se domnívá, že čistější a ekologičtější způsob získávání paliv by mohlo místo tlakové vody a chemikálií při frakování poskytnout používání mikrovln. To ale není vše. Nová technologie by mohla přispět i ke skladování CO₂, zamezit těžbě v dosud nedotčených oblastech a dokonce vyrábět pitnou vodu. Nová technologie by mohla zajistit nový lacinější zdroj ropy a plynu.

V 19. století objevil německý fyzik Georg Simon Ohm (1780-1854), že elektrický odpor je charakteristickou vlastností každého vodiče a závisí na jeho délce, průřezu a materiálu, z něhož je zhotoven (Ohmův zákon). Elektrotechnici se snaží v elektrických obvodech ztráty způsobené odporem minimalizovat. K převratnému objevu došlo v této oblasti v roce 1911, kdy nizozemský fyzik, „gentleman absolutní nuly“, Heike Kamerlingh Onnes, objevil jev zvaný supravodivost. V okamžiku, kdy teplota určitých vodičů klesne pod přechodovou (kritickou) teplotu, klesne jejich elektrický odpor náhle k nule. Mezi 26 prvků, které se takto chovají, patří rtuť, cín, olovo aj. Použití supravodičů však není nijak snadnou záležitostí. Pro dosažení zamýšleného účinku se musí teplota materiálu blížit hodnotě absolutní nuly (0 K = -273,15 °C). A aby se požadované hodnoty podařilo docílit, musí být vodič chlazen kapalným heliem nebo vodíkem. Jen u nově vyvinutých keramických materiálů stačí zkapalněný dusík (pro teploty kolem -200 °C). Na chlazení je ovšem potřeba energie. Dalším problémem je, že silnější magnetické pole dokáže supravodivost zrušit.