Hoppa till huvudinnehåll

Vetenskap

Kvanthopp: "Det bästa kraftverket är det som inte behöver byggas" – jobba smartare, inte hårdare i energikrisen

Hand som håller upp en glödlampa mot solen.
Bild: Mostphotos

Energikris? Vilken energikris? Vi bor ju i ett universum fullt av energi. Faktum är att allting är energi, enligt formeln E=mc². Materia är bara en av energins många uttrycksformer. Du är energi!

Och nej, ingressens konstaterande är inte bara något sådant där new age-mantra, det är helt sant. En någorlunda typisk människokropp på, säg nu 80 kilogram innehåller ungefär 70 triljoner joule. Det är ungefär lika mycket energi som i tusen Hiroshimabomber.

Tur nog så är materian i din kropp väldigt stabil, så du kommer inte plötsligt att förvandla din hemstad till en enorm, rykande krater.

Bara det vatten du innehåller är en otrolig energiresurs. En liter vatten, konverterad enligt E=mc², innehåller så mycket energi att det skulle täcka hela Europas energibehov för ungefär ett dygn.

Nå, den totala energin som atomer i stil med syre och kol innehåller konverterar man inte så där bara till elström, till exempel. I de flesta fall får vi bara nöja oss med att låta kolet reagera med syre, det vill säga brinna, för att komma till och från jobbet.

Men tur nog är de här två ytterligheterna inte ens nära på de enda alternativen. Det finns massvis med outnyttjade energikällor runt omkring oss som bara väntar på att bli tyglade. I veckans Kvanthopp presenterar vi en lista i tio punkter över energikällor som du inte visste att du ville utnyttja. Vissa av dem kompletterande punktlösningar, andra totala game-changers.

Ja, och så ska jag också berätta vilket som sist och slutligen är det allra effektivaste och renaste sättet att alstra kraft, och huruvida det är möjligt att utnyttja det i praktiken.

Friktionen, den stora energiboven

Innan vi går in på listan över otippade sätt att producera energi, några allmänna observationer. Först och främst: den bästa energin är den energi som aldrig ens behöver produceras. Det vill säga, den som vi sparar in genom att eliminera slöseri.

Precis som vi kunde eliminera en stor del av världens hungersnöd helt enkelt genom att inte kasta så mycket mat i soporna, kunde vi eliminera en stor del av världens energiunderskott helt enkelt genom att eliminera slöseri.

Och jo, det inkluderar de där uppenbara grejerna som att skruva ned rumstemperaturen där hemma, eller att inte värma elbastun varenda kväll. Eller att ta cykeln till kiosken istället för bilen. Nå du vet, sådant som alla kan göra.

Men visste du att en av de främsta formerna av slöseri är friktion? Enligt en studie från forskningscentralen VTT använder världen sisådär 100 miljoner terajoule varje år bara till att övervinna friktion. Det motsvarar en femtedel av all producerad energi. Lejonparten av den här energin används av industrin (29 procent) och av transportsektorn (27 procent).

En samling kullager på vit yta.
Bildtext Kullager får hjulen att snurra smidigare. Men det finns gott om utrymme för förbättring.
Bild: Mostphotos

VTT-forskarna studerade energianvändningen i personbilar, lastbilar och bussar och kom fram till att det skulle vara möjligt att spara så mycket som 17,5 procent av energin som går åt till vägtransporter på kort sikt (5 – 9 år) genom bättre smörjning och undvikande av onödig nötning.

Låt oss ta ned det här på individnivå: hur mycket energi slösar din bränsledrivna bil bort i form av friktion? Svar: cirka en tredjedel av allt bränsle du fyller i tanken går åt till att övervinna friktion. Av det här går 35 procent åt till att övervinna rullmotståndet i hjulen. Ungefär lika mycket, det vill säga 35 procent går förlorat i själva motorn, 15 procent äts upp av växellådan och 15 procent går till kråkorna då du bromsar.

Det inbesparade bränslet i ett bättre smörjt och mer friktionsfritt samhälle skulle uppgå till cirka 330 miljarder liter, vilket skulle ge en minskning av CO2-utsläppen med 860 miljoner ton globalt.

Energimängden vi snackar om motsvarar inalles alltså hela 11,6 exajoule. Det är ungefär så mycket som 300 miljoner LED-lampor (à 10 watt) förbrukar under ett år.

Har du koll på din tribologi?

Men friktion är inte bara trafikens problem. I ett pappersbruk går 15 – 25 procent av energin åt till att övervinna friktion. Den elström som används av en pappersmaskin fördelas så här: 32 procent för att övervinna friktion, 36 procent för själva pappersproduktionen och masstransporterna, och 32 procent är andra förluster.

I pappersmaskiner kunde man, enligt VTT:s studie, spara in 11 procent av den totala energi som friktionen orsakar, bara genom “implementering av ny tribologisk teknologi”, som forskarna formulerar saken.

Och vad är tribologi nu då? Jo, tribologi är vetenskapen om ytor i glidande eller rullande kontakt och omfattar friktion, nötning och smörjning. Ordet kommer från grekiskans tribo, som betyder gnida.

Kort sagt, dålig tribologi är ett stort problem. En brittisk studie visade att onödig friktion kostar Storbritannien upp till en och en halv procent av landets BNP.

Och en stor del av det här är alltså sådan friktion som kunde elimineras med relativt enkla medel. Eller lite mer avancerade medel, som snabbtågen som svävar på magnetiska kuddar. Dylika så kallade maglev-tåg finns redan i bruk bland annat i Kina.

Ett magnetiskt svävande maglev-tåg i Kina.
Bildtext Ett magnetiskt svävande, så kallat maglevtåg i Shanghai, Kina. Inga hjul = inget rullmotstånd.
Bild: Mostphotos

Jag menar, ett tåg som helt saknar hjul, det kan ju inte ha något rullmotstånd i hjulen, eller hur. Sedan är det en annan sak att det krävs massor med energi också till att alstra de kraftfulla magnetfält som får tåget att sväva strax ovanför rälsen.

En annan form av friktion som kunde gå att eliminera är luftmotståndet. Multi-industrialisten och Bondskurken Elon Musk propagerar ju för sin supermetro kallad Hyperloop, där tåget glider fram inuti ett rör som man har pumpat ut en stor del av luften från. Med andra ord, väldigt litet luftmotstånd.

På den mera vardagliga nivån har biltillverkarna ju de facto redan i årtionden jobbat på att få ned luftmotståndet. Det här är orsaken till att de flesta bilar mer eller mindre ser likadana ut numera. Det finns helt enkelt inte så många optimala former om du vill undvika luftmotstånd.

Biltillverkarna jobbar också på att ta vara på friktionsenergin som bromsarna producerar. De flesta hybrid- och elbilar har ju ett bromssystem som återvinner bromsenergin och laddar batterierna med den.

Svart bälte i energiproduktion

Det här var en ganska lång parentes, men man kommer inte ifrån att den bästa alternativa energiformen är den energi som aldrig ens behöver produceras.

Det är lite som filosofin bakom många österländska kampsporter. Judo till exempel, handlar ju inte nödvändigtvis om att vara större och starkare och mera skrämmande än motståndaren. Det behövs inte när du kan använda din stora och starka motståndares kraft mot honom själv genom att rikta om hans kraft och rörelsemoment och på så vis bryta hans balans.

Segling handlar inte heller om att kämpa mot vinden, utan att utnyttja vindens kraft och rörelsemoment – det här gör det möjligt till och med att röra dig mot själva vinden, till och med fortare än själva vinden.

Inte att undra på att segelfartygen väntas göra comeback på bred front. Jag menar, före 1700-talet och de första ångdrivna fartygen, gick all import och export till sjöss med vindkraft. De ostindiska kompanierna var inga trädkramare minsann, och de körde 100 procent med vindkraft.

Av alla varutransporter i världen går 80 procent just nu sjövägen, och världens fraktfartyg står följaktligen för cirka tre procent av världens alla utsläpp av växthusgaser, det här enligt FN.

Med andra ord, om sjöfarten var ett land skulle det vara den sjätte största koldioxidutsläpparen och släppa ut mer CO2 årligen än Tyskland.

Fraktfartyg som dras av ett draksegel.
Bildtext Segelfartygens renässans bakom hörnet?
Bild: Yves Partier

Men en förändring är på gång. Vind-, solenergi- och vätgasdrivna lösningar utlovar fraktfartyg med låga eller inga koldioxidutsläpp alls. Men här är det inte egyptiska bomullsdukar som hissas upp i masterna. Ny experimentell segeldesign inkluderar hårda segel av de senaste rymdåldersmaterialen, roterande vertikala cylindrar och till och med drakar.

Nej, inte sådana där drakar som i Game of Thrones, utan sådana där som du flög med på stranden när du var liten. Fast i kolfiber och kevlar, och styrda av datorer, kanske via satellit från andra sidan världen. Gamle Gustaf Erikson skulle gilla den senaste utvecklingen, har jag på känn. Ni vet, den åländska segelfartygsredaren, den siste kaphornaren.

Dieselmotorn blir bojtyngd

Apropå honom, ja. Innan Gustaf Erikson dog 1947 var han förtjust i att berätta för alla som ville lyssna att en ny guldålder för segelfartyg var vid horisonten.

Förr eller senare, insisterade Erikson, skulle världens förråd av kol och olja ta slut. Ång- och dieselmotorer skulle förvandlas till metallklumpar som bara var lämpliga som bojtyngder, och de som fortfarande visste hur man transporterar gods över havet med bara vindens kraft skulle ha havet, och världens fraktrutter, helt för sig själva än en gång.

Pommern vid kajen i Mariehamn.
Bildtext Pommern, en kvarleva från den förra guldåldern.
Bild: Yle/Pekka Leppänen

Hur som helst, om jag skulle sammanfatta allt som det här avsnittet av Kvanthopp handlar om, skulle det kunna vara: “work smarter, not harder”. Jobba smartare, inte hårdare. Det gäller också när det kommer till energiproduktion och -användning. Den bästa reaktorn är som sagt den som aldrig behöver byggas.

Och då kommer vi till listan som jag utlovade. Tio fräscha knep för att få energin att räcka längre. Tio möjliga game changers. Obs att sol och vind fortfarande är de stora grabbarna i det här sammanhanget, de regerar så klart. Men om vi tänker lite utanför boxen kunde work smarter, not harder-listan se ut så här:

1. All denna härliga kroppsvärme

Flera större städer har projekt som går ut på att ta vara på värmen som folkmassorna alstrar i de stora tunnelbanesystemen. Vi snackar om miljontals pendlare i alla dessa slutna tunnlar – det genererar en enorm mängd värme.

Tunnelbaneoperatörerna har länge sett överskottsvärmen från pendlarna som ett problem, de har varit tvungna att spendera avsevärda summor pengar på ventilationssystem för att avleda värmen.

Människor i Londons tunnelbana.
Bildtext En mänsklig kropp producerar värme som motsvarar cirka 100 watt. Det blir mycket värme i tunnelbanan i rusningstid, som kunde tas vara på bättre.
Bild: Mostphotos

Men numera har man insett att överskottsvärmen kan tas till vara. Till exempel till uppvärmning av byggnader. I London värms hundratals hem kring Highbury och Islington upp med värme från Londons tunnelbana. Liknande system planeras eller finns redan över hela Europa.

2. Konfiskerad sprit

Sveriges rikstullverk beslagtar årligen hundratusentals illegalt smugglade flaskor med alkohol. Och hej, varför hälla prima etanol i avloppet, omvandla det istället till något användbart. Så resonerar svenskarna.

En fickpluntta.
Bildtext Lilla nubben värmer inombords, men den kan också bli prima biobränsle.
Bild: Helsingfors Stadsmuseum.

I samarbete med Svensk Biogas AB har Tullverket därför gått in för att omvandla denna gratisresurs till kraft. Så tidigt som 2013 körde bussflottor i mer än ett dussin svenska städer på biobränsle utspätt med smuggelsprit. Är det här inte redan en grej i Finland så hoppas jag sannerligen att någon tar itu med saken.

3. Vuxenblöjor som bränsle

Japans befolkning åldras i rask takt, precis som Finlands. Även om den åldrande japanska befolkningen ger nationalekonomerna gråa hår, har vissa sett det här som en intressant alternativ möjlighet till att generera el.

Kvinna som håller i en vuxenblöja.
Bildtext Den här? Bränsle?
Bild: Mostphotos

Det japanska SFD-återvinningssystemet tar använda vuxenblöjor och steriliserar, pulveriserar samt torkar dem i en patenterad maskin, och returnerar biomassapellets redo för bränning i lämplig ugn. Saldo: cirka 5 000 kcal per kg återvunna blöjor.

Ingen dålig avkastning för en tidigare helt värdelös avfallsprodukt. SFD-systemet kan processa runt 320 kilo använda vuxenblöjor per dag, per enhet, och har installerats bland annat på japanska äldreboenden och stora sjukhus.

4. Kraft från dansgolvet

Den kinetiska energin som genereras av våra vardagliga sysslor går oftast helt och hållet till spillo. Men nu har framför allt tunnelbanestationer, nattklubbar och gym börjat ta människors muskelkraft till vara, bland annat med hjälp av piezoelektrisk kraftåtervinning.

Piezoelektricitet genereras av en viss sorts kristaller som reaktion på kompressionskraft. Elektriska cigarettändare har till exempel en piezoelektrisk kristall som ger en tillräcklig spänning för att antända gasen, vilket resulterar i en låga. Och om du har en yta som rör på sig av någon anledning kan du fästa piezoelektriska kristaller på den och få ut små mängder energi.

En person står på en balkong i en nattklubb och håller upp armarna. Nedanom honom ett hav med människor som dansar.
Bildtext Massvis med gratis energi att ta vara på när tonvis med festfolk hoppar upp och ned på dansgolvet nätterna i ända.
Bild: /All Over Press

Och var har vi ytor som bågnar fram och tillbaka, om inte i nattklubbar där tonvis med festfolk hoppar upp och ned hela natten lång till musikens takt. I Rotterdam har man insett det här och installerat piezoelektriska kraftfångare i dansgolvet. Nattklubben kan nu hävda att de är hållbara tack vare sin “boogie power”.

Piezoelektriciteten intresserar för övrigt också järnvägssektorn. Israel Railways har installerat 32 piezoelektriska energifångare längs en livligt trafikerad sträcka av den israeliska järnvägen. Det här låter dem skörda cirka 120 kWh, tillräckligt för att driva signalljus och spårmekanismer.

5. Solfarmer i rymden

Vad kan vara mer futuristiskt än en massiv plattform med solpaneler som kretsar runt jorden och strålar ned elektricitet trådlöst till jordens yta. Och på pappret är det här win-win hela vägen: inget behov av att täcka dyrbara jordarealer med paneler, och i rymden är det aldrig mulet väder, så produktionen skulle vara garanterad.

Dessvärre ligger den här sortens alternativ elproduktion ännu långt i framtiden. Trådlös elöverföring, att skydda solpanelerna mot meteoriter och rymdskrot, och den stora kostnaden för att skjuta upp all hårdvara i omloppsbana är bara några av stötestenarna.

Konstnärens vision av solfarm i rymden.
Bildtext Nasas vision av hur ett solkraftverk i rymden kunde se ut.
Bild: NASA

Men det finns hur som helst de som menar att solkraftverk i rymden bara är en fråga om tid. I praktiken kan ett rymdsolenergiprojekt fungera ungefär så här:

En stor geostationär (ligger alltid över samma punkt på jordytan) solanläggning skulle samla in och fokusera ljuset från solen. Fotovoltaiska celler skulle omvandla det ljuset till elektricitet. Den elektriciteten skulle användas för att driva en mikrovågslaser, riktad mot en markstation på jorden där mikrovågsenergin skulle fångas upp och omvandlas tillbaka till elektricitet.

6. Vindkraftverk i rymden

Solkraftverk i rymden är ännu inte så långsökt, men vindkraft? Det råder ju vakuum där ute. Jo, men ser du, solvinden består av massvis med laddade partiklar som solen spottar ut i extremt höga hastigheter. I princip kunde de här partiklarna användas till att alstra ström.

Ett solvindkraftverk i rymden skulle bygga på en lång, rak strömförande koppartråd riktad mot solen, säg nu en kilometer lång. Strömmen som tråden leder skulle alstra ett magnetfält runt tråden.

Aurinko on hyvin eläväinen kaasupallo, mistä sinkoutuu toisinaan ulos avaruuteen suuria hiukkaspilviä. Joskus ne osuvat maapalloon.
Bildtext Vinden av laddade partiklar från solen upphör aldrig blåsa. Så varför inte ta vara på lite av dess energi?
Bild: ESA

Magnetfältet skulle sedan fånga elektroner från solvinden och leda dem till en mottagare placerad på tråden. Kanaliseringen av elektroner genom mottagaren skulle producera ström, varav en del skulle matas tillbaka till koppartråden för att uppehålla trådens magnetfält. Resten av strömmen skulle omvandlas till en mikrovågslaserstråle riktad mot en mottagarstation på jordytan. Ett stort solsegel i änden av tråden skulle hjälpa till att stabilisera satelliten.

7. Skörd och återvinning av radiovågor

Ett internationellt forskarteam lett av Manos Tentzeris har utvecklat en teknik för att återvinna och samla in energi från flera radiokällor, inklusive trådlöst internet, TV-sändare, mobiltelefoner och mycket mer. Insamlingsprocessen använder ultrabredbandsantenner som kan ta emot ett stort utbud av signaler över olika frekvensområden.

Telefonmast syns mellan trädgrenar.
Bild: Yle/Jonas Blomqvist

Radiosignaler och andra elektromagnetiska frekvenser omger ju oss jämt och ständigt. Och de är ju energi. Energi som i praktiken går till kråkorna fullständigt i dagens läge, efter att vi har sett det där programmet eller googlat den där grejen via wifin. Att återvinna och förvandla en del av dessa frekvenser tillbaka till energi skulle vara en sällsynt innovativ metod för kompletterande elproduktion.

8. Dysonsfären – vi kapslar in hela solen

En dysonsfär är en teoretisk megakonstruktion som går ut på att omsluta en stjärna, till exempel solen, med solfångande paneler eller speglar. Poängen med en sådan konstruktion är att fånga upp upp till 100 procent av den energi som strålar ut från stjärnan. Fysikern Freeman Dyson beskrev konceptet och lånade sitt namn till det 1959.

De som letar efter intelligent liv i rymden framför ofta dysonsfärer som någonting man ska hålla utkik efter om man vill hitta riktigt avancerade civilisationer. Antagandet är att det är sådant man gör när man blir riktigt mäktig som civilisation.

En hypotetisk så kallad Dysonsfär som omger en stjärna.
Bildtext Dysonsfärer byggs bara av riktigt häva civilisationer, menar de som spanar efter intelligent liv i rymden.
Bild: Kevin Gill

Personligen anser jag och många andra observatörer att en civilisation som är så kraftfull att den kan bygga en dysonsfär också är så smart att den kan komma på vettigare sätt att göra stora saker med små mängder energi. De behöver inte kapsla in hela stjärnor. Som sagt, work smarter, not harder.

9. Den heliga graalen: energi från antimateria

Av alla kända metoder att utvinna energi är den där antimateria reagerar med materia den absolut renaste och den med den högsta verkningsgraden. 100 procent av bränslet förvandlas till ren energi när materia och antimateria möts och utplånar varandra. Inga som helst spillprodukter. Allt blir energi. Ett kilo antimateria innehåller en energimängd som motsvarar cirka 40 megaton trotyl.

Antimateria är alltså motsatsen till materia, en sorts "spegelbildsmateria”. Den består av antipartiklar som i princip är identiska med sina vanliga materiamotsvarigheter, förutom att de har motsatt laddning. Om de kunde föras samman med vanliga materiepartiklar i någon form av reaktor, skulle resultatet bli energi i kopiösa mängder.

Antipartiklar skapas i naturligt förekommande processer, såväl som i stora partikelacceleratorer i samband med högenergiska kollisioner, men då snackar vi verkligen om försvinnande små mängder. Helt nyligen har forskare till exempel noterat att pyttesmå mängder antimateria uppstår ovanför stora åskmoln.

Schema över en antimateria-atom.
Bildtext En antimateria-atom är som en "vanlig" atom, bara att laddningen är omkastad. När antimateria och materia möts, förintar de två varandra och energi frigörs.
Bild: Mostphotos

Problemet med att utnyttja antimateria som kraftkälla är att det krävs sådana absurda mängder energi för att skapa antimateria. Det krävs mer eller mindre en supernova för att skapa seriösa mängder av den varan. Vi är i dagens läge inte ens i närheten av att kunna efterlikna den här sortens massiva typer av processer.

Också om CERN beslöt sig för att använda sina enorma partikelacceleratorer exklusivt till att tillverka antimateria, skulle de inte producera mer än cirka en miljarddels gram per år. Att göra ett enda gram antimateria skulle därför ta cirka en miljard år.

Den totala mängden antimateria som har producerats i CERN:s historia är mindre än tio nanogram – vilket med nöd och näppe innehåller tillräckligt med energi för att driva en sextio watts glödlampa i fyra timmar.

Och till slut:

10. Små vattenkraftsturbiner i vartenda ett stuprör på hela jorden

Det här är mitt eget förslag. Hej – alltid skulle det ge någon watt... Nej, jag har inte räknat ut några siffror, men om någon vill ta lyra, berätta sedan på vilken siffra ni landar. Jag menar, många bäckar små, och så vidare.

Regnvatten strittar ur en stupränna
Bildtext Också här rinner gratis energi bort.
Bild: Yle/Emma Pitkänen

Har du fler förslag på outnyttjade energikällor som bara ligger och dräller och väntar på att någon ska ta vara på dem? Skriv ned ditt förslag och skicka det till kvanthopp@yle.fi.

Mer om ämnet på Yle Arenan