Valorificarea resurselor extraterestre si atmosferice

Valorificarea resurselor extraterestre si atmosferice

1. Energia solara

Captarea energiei solare se poate realiza printr-o mare varietate de filiere si metode, dintre care unele sunt deja utilizate pe scara larga, iar altele inca in stadiul experimental. Energia solara poate fi utila omului doar prin conversia ei intr-o alta forma de energie, prin intermediul a diferite metode.

a. Bioconversia, desemneaza transformarea naturala a energiei solare in biomasa, care pune la dispozitia omului o cantitate imensa de produse vegetale si animale, toate plecand de la fotosinteza substantelor organice in plante verzi. Anual se produce pe glob o biomasa evaluata la 172 miliarde tone materie uscata, din care o buna parte se acumuleaza permanent, astfel incat, rezervele de biomasa continentala sunt apreciate la 1800 miliarde tone materie uscata, iar cele din biomasa oceanica la 900 miliarde tone materie uscata (Ph. Cartier, S. Meriaux, 1980). Biomasa a asigurat pana in secolul al XIX-lea cea mai mare parte din consumul energetic al omenirii, iar in momentul de fata, prin combustia biomasei, se obtine anual echivalentul a 1.5 miliarde tone combustibil conventional. In majoritatea tarilor aflate in curs de dezvoltare, combustia biomasei continua sa ocupe primul loc in balanta energetica, - 65 % din consumul total de energie din Africa, 50 % in India, 45 % in America Latina.

b. Conversia energiei solare in energie termica este realizata prin doua metode clasificate dupa temperatura ceruta de domeniul de utilizare, respectiv utilizarea la temperaturi joase si utilizarea la temperaturi ridicate.

b.1. Utilizarea energiei solare la temperaturi joase se realizeaza fie prin absortia radiatilor solare de catre corpuri de culoare inchisa (neagra), fie prin crearea efectului de sera, fenomene folosite simultan in constructia de helio-convertoare. Aceste helioconvertoare permit incalzirea unui fluid cu un randament de pana la 60 % la temperaturi de 100°C. Astfel de instalatii de incalzire a apei au devenit extrem de numeroase in state ca Japonia, Israel, Cipru, Australia, C.S.I., ajungandu-se pana la 'orasele solare', ca Village Hornes din California, in care peste 50 % din necesarul de energie este furnizat de Soare. Numai in S.U.A. se desfac anual pe piata circa 1 milion de captatori solari, iar in Japonia peste 800.000 de bucati, utilizarea acestor captatori solari patrunzand si in Olanda, Germania, Marea Britanie, etc. In tara noastra exista realizari importante in acest sens. INCREST a construit o serie de helio-convertori, de marimi diferite, care asigura o parte din energia electrica necesara unor obiective.

b.2. Folosirea energiei solare la temperaturi ridicate, necesita cresterea randamentului conversiei termodinamice, printr-un sistem care permite concentrarea radiatiei solare in vederea ridicarii temperaturii sursei.  Aceste instalatii sunt mult mai sofisticate, folosesc oglinzi de forme diverse, orientabile prin programare electronica, care ating randamente de 80 % si in a caror focare temperatura se ridica pana la 1700-3500°C. Numarul acestor helioconvertoare este insa mic iar capacitatea lor este modesta, 1-2 MW, asa cum sunt cele de la Adrano (Italia), Almeria (Spania), etc., prima centrala de talie ceva mai mare, 10 MW, fiind in constructie la Barstow (California-S.U.A.). Aceste instalatii mai servesc la topirea substantelor greu fuzibile (ex. Montlouis-Franta), la desalinizarea apei de mare (ex. Taskent), etc. S-au elaborat si o serie de proiecte de sisteme de oglinzi satelizate care sa ilumineze noaptea marile orase sau zonele polare. Pentru viitorul apropiat, se preconizeaza a se construii in Europa centrale de acest tip, cu puteri electrice de 1-3.5 MW.

c. Conversia energiei solare in energie electrica (fotovoltaica) se obtine prin intermediul unor instalatii cu baterii fotoelectrice pe baza de siliciu. Randamentul acestor instalati este ridicat, dar pretul lor este mare cu toate ca s-a mai redus in ultimul timp (1 kW instalat costa circa 5500). Se folosesc acolo unde nu exista alta sursa de electricitate sau la alimentarea cu energie electrica a satelitilor artificiali, a unor faruri (ex. in insulele Xisha din R.P.Chineza), a unor relee de televiziune (in Africa), a instalatilor de foraj submarin (in golful Mexic), a unor statii de pompare a apei (ex. Dir, in Mali), etc. In 1980 s-a construit si primul avion solar, cu 16.000 celule fotoelectrice, dar care nu dezvolta o putere mai mare de 2.5 CP. De mentionat este si ideea lansata de P. Glaser in 1969 de a se construi heliocentrale satelizate, cu celule fotoelectrice si puteri de pana la 10000 MW, a caror productie sa fie transmisa spre sol sub forma de microunde.

d. Conversia energiei solare in alta forma de energie foloseste urmatoarele metode:

d.1. Folosirea caldurii inmagazinate in stratul superior al apei oceanului, este o idee care apartine francezului A. Arsonval (1881), care poate fi pusa in practica in zona intertropicala, unde diferenta de temperatura intre suprafata si adancime depaseste 18°C in tot timpul anului. Potentialul evaluat este imens (circa 100000 miliarde kWh anual) si pentru punerea sa in valoare s-au imaginat circuite de gaze care se lichefiaza prin racire cu apa adusa de la adancime (care are temperatura de 4°C) si trece din nou in stare gazoasa prin incalzirea cu apa calda cantonata in stratele superioare (cu temperaturi de 25-30°C). Mici uzine de acest fel au functionat la Matanzas (Cuba) inca din 1930, la Abidjann (Coasta de Fildes), dar care nu au dat rezultatul  scontat. Experimentarile continua totusi in S.U.A. (Hawai, Florida), Japonia si Brazilia pentru a gasii o solutie optima in vederea valorificarii acestei energii potentiale.

d.2. Un procedeu de perspectiva este fotoelectroliza apei, reusita deocamdata experimental, pe baza unor instalatii cu dioxid de titan si platina, folositi ca electrozi intr-un circuit electric declansat de energia solara. Se obtine astfel hidrogen, un combustibil foarte bun, iar randamentele acestor instalatii ating 40 %.

: Olimpiada de Biologie - clasa a VII a, faza judeteana : Anatomia aparatului locomotor

Utilizarea energiei solare, in toate variantele prezentate anterior, are si avantajul de a fi inepuizabila, abundenta, un pret de cost neglijabil in forma sa bruta si mai ales nepoluanta, aspecte de mare importanta pentru valorificarea ei in viitor. Totusi, faptul ca numeroase metode de valorificare a acestei energii nu ai depasit stadiul de experiment se datoreaza unor servituti inerente - densitate slaba a fluxului energetic (cel mult 1400 W/m²), intermitenta datorita alternantei dintre zi si noapte, nebulozitatea, pret ridicat al instalatiilor de captare si conversie, pierdere de energie prin conversie etc. Se explica astfel numarul redus de instalatii de captare si conversie a energiei solare a caror productie de energie electrica este inca foarte mica, si chiar la nivelul anului 2000 nu acopera mai mult de 2 % din consumul de energie al statelor industriale dezvoltate.

2. Energia eoliana

Energia eoliana rezulta ca urmare a diferentelor de potential termic si baric din troposfera, ca urmare a incalzirii neuniforme a atmosferei. Curentul de aer, vantul, care tinde sa echilibreze diferentele existente, se remarca prin intensitate, viteza, durata si directie. Cu cat viteza este mai mare cu atat efectul mecanic creste. Astfel, la o viteza de 9,5 m/s efectul mecanic este de 7 kgf/m² iar la 30 de m/s valoarea se ridica la 220 kgf/m².

Amplificarea energiei mecanice proportional cu cubul vitezei (Legea cubului) are o mare semnificatie pentru captarea si valorificarea energiei eoliene. De asemenea, durata de bataie a vantului, in special durata cu o viteza constanta sau crescanda (asa numitele viteze utile - Vu, mai mari decat viteza de pornire - Vo care este egala la majoritatea motoarelor cu 4 m/s), este importanta pentru evaluarea posibilitatilor de exploatare. Cunoasterea celor doi parametrii este necesara la proiectarea si exploatarea instalatiilor energetice eoliene. Se stie faptul ca numai o parte a potentialului eolian poate fi receptionat de aceste instalatii si depinde de suprafata acoperita de roata eoliana, precum si de coeficientul de utilizare a vitezei vantului (randamentul motorului eolian). Asadar, valorificarea potentialului eolian depinde de dimensiunile instalatiilor, de puterea acestora si de viteza vantului.

Dupa unele estimari, potentialul eolian teoretic al Pamantului, pe suprafata sa totala si pe o grosime de 11 km in atmosfera, in cazul unui randament de 100 %, s-ar cifra la 50 mil TWh/an. Conform altor estimari, potentialul eolian al globului este de 2,6x1014 kWh/an. Din acest potential teoretic se poate folosi cel mult 59,3 %.

Pentru tara noastra acest potential eolian se ridica la 200 mlid. KWh/an, deoarece pe aproape jumatate din teritoriul tarii noastre se inregistreaza vanturi cu o viteza medie de minimum 3 m/s si cu o durata de peste 3500 h/an.

Pe suprafata Pamantului energia eoliana se manifesta neuniform. Potentialul eolian variaza latitudinal, regional si altitudinal. Sub raportul manifestarii sunt luate in considerare trei categorii de teritorii (Tabelul nr. 3).

Tabelul nr. 3. - Evaluarea potentialului exploatabil a energiei eoliene de-a lungul litoralului (dupa Raboca N., 1995)

Preocupari in directia valorificarii energiei eoliene apar inca din antichitate. Nu se stie cand s-a inceput folosirea fortei vantului pentru navigatie, dar instalatiile eoliene de pompare a apei pentru macinatul cerealelor au fost utilizate de catre egipteni, chinezi si persani. Pe la inceputul secolului al IX-lea isi fac aparitia morile de vant in Anglia si se vor raspandi in timpul evului mediu in Tarile de Jos iar mai tarziu in Germania si Rusia. La sfarsitul secolului al XVIII-lea apar constructii de motoare de vant, urmate la mica distanta de motoare eoliene care sunt folosite pentru producerea curentului electric. Criza energetica contemporana a readus in actualitate constructia de centrale electrice eoliene. Ele pot functiona in zonele in care viteza medie anuala a vantului depaseste 5 m/s. Din motive tehnice, centralele eoliene sunt inca destul de putine, potentialul energetic al atmosferei fiind slab folosit, pretul electricitatii obtinute cu ajutorul energiei eoliene fiind cu cca. 30 % mai mare decat al celei obtinute prin metode clasice.

Prima centrala electrica eoliana a functionat in C.S.I., la Ai-Petri (Crimea). Acesteia ii urmeaza o serie de centrale in S.U.A. (Rutland-Vermont, cu 1.2 MW, Grandpe Know cu 1.2 MW), Marea Britanie (Caernarvon, cu 0.1 MW), Franta (Nogent la Roy, cu 0.6 MW), Canada, Japonia, Olanda. Cea mai mare centrala eoliana pusa in functiune (1981) se afla la Brunsttel in Germania. Interesant este programul de cercetare al Ministerului Energiei din Danemarca care, pe baza experientei castigate si alocarii de fonduri, a construit pana in 1985 un numar de 1400 aerogeneratoare. Langa Aalborg sunt in functie doua centrale eoliene de capacitate medie cu o putere instalata de 600 KW. Concomitent cu acesta, se desfasoara o intensa activitate de proiectare si experimentare a unei game variate de tipuri de masini, cu puteri diferite, atat cu ax orizontal cat si cu ax vertical. Totodata, la nivelul anului 1985, valoarea exportului de centrale eoliene se ridica la circa 2000 milioane de coroane daneze.

In Romania, aceasta sursa de energie poate fi utilizata in mod rentabil mai ales in Dobrogea, Delta Dunarii, Baragan, nordul Moldovei si in zona montana. In unele din aceste locuri au fost construite centrale eoliene cu diferite puteri instalate.

Pentru viitor se prevede construirea unor centrale electrice eoliene mai mari, pana la 200 MW, pe tarmul atlantic al Frantei, pe litoralul estic al S.U.A., in Anglia (proiectul Orkney, cu doua centrale). De asemenea, pe coasta vestica si sudica a Australiei se vor construi 300 de generatoare eoliene care vor furniza 20 milioane MW/an.

Pentru a avea un randament mai mare, la Hilton Keynes, S.U.A., a fost construita o minicentrala solar-eoliana alcatuita dintr-o turbina eoliana de 20 KW, o serie de celule fotovoltaice insumand 5 KW si un acumulator pentru stocarea energiei electrice in surplus.

Construirea de centrale electrice eoliene ridica insa o serie de probleme care se cer a fi solutionate, cum ar fi: concentrare relativ mica a energiei si variatia acesteia in timp, incapacitatea instalatiilor de a exploata intregul potential eolian, fenomenul de oboseala a instalatiilor, conditiile meteorologice nefavorabile din zonele montane (chiciura), lipsa unor mijloace si forme de stocare a energiei eoliene, reducerea pretului de realizare a instalatiilor de captare, etc. Este imperioasa rezolvarea acestor probleme deoarece sursele clasice de energie sunt intr-o continua regresie, energia eoliana este nepoluanta si, in conditii tehnice optime, ieftina.

Energia eoliana continua sa fie folosita in instalatii pentru pomparea apei din adancime, in alimentarea sistemelor de irigatii (ex. in Baragan la Marculesti), pentru unele masini agricole si pentru obtinerea de energie electrica in locurile izolate. Numarul centralelor eoliene a ajuns la circa 500000 in S.U.A., 100000 in C.S.I. si de ordinul zecilor de mii in Franta, Australia, Noua Zeelanda, etc.

3. Valorificare unor componente atmosferice

Folosirea practica a unor componente atmosferice dateaza din a doua jumatate a secolului al XIX-lea, cand incepe cucerirea invelisului gazos al Pamantului.

Astazi, pe baza celor mai recente si mai precise analize chimice la care a fost supus aerul din imediata apropiere a solului si din primele straturi ale atmosferei, compozitia lui este bine cunoscuta. Prin compozitia sa, atmosfera constituie un rezervor important de materii prime, in primul rand, pentru lumea biotica si in al doilea rand, pentru productia industriala.

Plantele se aprovizioneaza cu azot fie prin fixarea lui direct din atmosfera, fie prin intermediul unor compusi nitrici, care odata cu precipitatiile ajung in sol fiind preluati apoi de plante. Se apreciaza ca, pe cale indirecta, un hectar de teren primeste anual 3-4 kg de azot, contribuind la fertilizarea naturala a solului. Dupa unele estimari, plantele globului ar consuma anual 25.000.000 tone de azot, eliberand in schimb, importante cantitati de oxigen.

Oxigenul, element indispensabil vietii in procesele de respiratie si de sinteza organica, faciliteaza procesele de arderi, putrezire si descompunere. El se combina cu alte elemente si da oxizi, devenind o sursa materiala si energetica pentru vietuitoare si om (in 24 de ore un adult consuma 600 l de oxigen). Totodata, a mai primit utilizari variate in industria siderurgica, fiind folosit pentru convertizoarele cu insuflare de oxigen, in industria chimica, industria constructiilor de masini (pentru sudura) si in medicina.

Desi dioxidul de carbon se afla in cantitati mici in atmosfera (0.03 %), are o mare insemnatate in viata plantelor, fiind materia prima de baza in fotosinteza si chimiosinteza. Legat de acest gaz, se fac cercetari pentru obtinerea din dioxid de carbon, in combinatie cu apa si hidrogenul, de combustibili, mase plastice, proteine, etc. De asemenea, unii aerosoli stimuleaza procesele biotice, contribuind chiar la mentinerea starii de sanatate a omului (aerosolii de NaCl, de ex.).

Progresul tehnic inregistrat spre sfarsitul secolului a XIX-lea permite realizarea in laborator a unor presiuni foarte mari si a unor temperaturi coborate (- 200°C). Ca urmare, separarea si utilizarea gazelor atmosferice devin efective. Prin lichifiere s-a obtinut distilarea fractionata a oxigenului (1880), apoi a azotului si a hidrogenului (1888). In conditii extrem de dificile (temperaturi de - 269°C), a fost lichefiat si heliul (1908). In urma acestor performante a putut sa se dezvolte industria produselor chimice pe baza de azot. Peste 80 % din azotul produs se obtine din aer, astfel incat industria chimica fixeaza din aer 45 milioane tone azot anual. Intrebuintarea principala a acestuia este pentru obtinerea ingrasamintelor chimice. Combinarea directa intre azot si oxigen, in prezenta calciului, duce la obtinerea azotatului de calciu, ingrasamant agricol de mare valoare, utilizat inca inainte de al doilea razboi mondial in Anglia, Norvegia, Belgia, Germania, si ulterior pe o scara din ce in ce mai larga. In prezent, industria ingrasamintelor chimice pe baza de azot, mai foloseste ca materie prima, pe langa azotul atmosferic si gazul metan, gazele de sonda si produse ale industriei carbochimice.

Fabricarea anumitor medicamente, a explozibililor, a vopselelor, a mata-surilor, etc., se bazeaza de asemenea pe azotul extras din atmosfera.

Heliul, fiind un gaz usor si neinflamabil, este folosit in aeronautica (la umplerea baloanelor si a dirijabilelor).

Celelalte gaze rare (neonul, kriptonul si xenonul), se folosesc in industria electronica (la umplerea tuburilor luminiscente).

Se poate trage concluzia ca, alaturi de celelalte geosisteme, atmosfera constituie o valoroasa sursa de materii prime.