Mặt trời - bí ẩn và hy vọng
Thứ ba, 29/10/2013 - 09:57
Tin từ Hội đồng năng lượng thế giới (WEC), chỉ 50 năm nữa trữ lượng dầu mỏ toàn cầu sẽ cạn kiệt.
Tin từ Hội đồng năng lượng thế giới (WEC), chỉ 50 năm nữa trữ lượng dầu mỏ toàn cầu sẽ cạn kiệt. Ngay đến than, nguồn năng lượng hóa thạch dồi dào nhất cũng chỉ đủ cho loài người dùng trong 100 năm nữa. Khi một thế kỷ nữa trôi qua, nhu cầu tiêu thụ năng lượng vẫn không ngừng tăng lên, vậy con người sẽ hy vọng vào đâu?
Mặt trời - nguồn năng lượng vô tận
Theo tư duy về thời gian của một người bình thường thì tất cả những gì xảy ra trước Công nguyên đều đã quá xa xưa, tức là cách đây hơn 2.000 năm. Còn nếu là 20.000 năm thì đã không thể tưởng tượng được, chưa nói đến 1 triệu năm. Thế mà theo các nhà khoa học, Mặt trời được hình thành cách đây khoảng 4,57 tỷ năm khi đám mây phân tử hydro tích tụ dần lại. Tuổi của Mặt trời được xác định theo 2 cách: tuổi của các sao ở dãy chính mà hiện tại Mặt trời đang thuộc về nhóm này, được xác định thông qua các mô hình máy tính của sự kiện tiến hóa sao và niên đại học phóng xạ hạt nhân.
Mặt trời được cấu tạo chủ yếu bởi các nguyên tố hydro và heli, các nguyên tố này chiếm tương ứng 74,9% và 23,8% khối lượng của Mặt trời trong quang quyển. Các nguyên tố nặng hơn được gọi là kim loại trong thiên văn học, chiếm ít hơn 2% khối lượng Mặt trời. Trong đó phổ biến nhất là oxy (chiếm gần 1%), cacbon (0,3%), neon (0,2%), và sắt (0,2%).
Mặt trời hiện đã tồn tại nửa vòng đời của nó theo tiến hóa của các sao dãy chính, trong khi các phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi của nó chuyển hydro thành heli. Mỗi giây có hơn 4 triệu tấn vật chất trong lõi của Mặt trời được chuyển thành năng lượng, tạo ra neutrino và các dạng bức xạ năng lượng Mặt trời. Với tốc độ này cho đến nay, Mặt trời đã chuyển đổi khoảng 100 lần khối lượng vật chất Trái đất thành năng lượng. Mặt trời sẽ mất tổng cộng khoảng 10 tỷ năm để kết thúc sự tồn tại của nó trước khi trở thành sao lùn trắng.
Kết quả của sự tăng cường nguyên tử heli một cách từ từ trong lõi của Mặt trời, độ sáng của ngôi sao này đang từ từ tăng lên. Độ sáng của Mặt trời sẽ tăng 10% trong 1,1 tỷ năm tới, 40% sau 3,5 tỷ năm.
Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái đất. Hằng số năng lượng Mặt trời được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích bề mặt Trái đất; nó bằng khoảng 1.370 Watt trên một mét vuông. Ánh sáng Mặt trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái đất. Gần 1.000 Watt/m2 năng lượng Mặt trời tới Trái đất trong điều kiện trời quang đãng khi Mặt trời ở gần thiên đỉnh. Năng lượng này có thể dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo. Quá trình quang hợp trong cây sử dụng ánh sáng mặt trời và chuyển đổi CO2 thành oxy và hợp chất hữu cơ. Nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng năng lượng Mặt trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt trời. Năng lượng dự trữ trong dầu khí và các nguồn nhiên liệu hóa thạch khác được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt trời được chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh vật cổ.
Theo tính toán của các nhà khoa học, nhiệt độ Mặt trời gia tăng diễn ra trong khoảng 1 tỷ năm nữa, bề mặt Trái đất sẽ trở nên rất nóng để nước khó có thể tồn tại ở dạng lỏng và kết thúc tất cả sự sống Trái đất.
Một tỷ năm là con số hữu hạn, nhưng với sự tưởng tượng của con người về thời gian, thì có thể coi đó là vô hạn.
"Trời sinh voi ắt sinh cỏ"
Ngay từ khi loài người xuất hiện trên trái đất đã biết khai thác năng lượng mặt trời để sinh tồn. Năng lượng mặt trời, gồm bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời, đã được khai thác bởi con người từ thời cổ đại bằng cách sử dụng một loạt các công nghệ phát triển hơn bao giờ hết. Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng lượng mặt trời như sức gió và sức nóng, sức nước và sinh khối, làm thành hầu hết năng lượng tái tạo có sẵn trên Trái đất. Chỉ có một phần rất nhỏ của năng lượng mặt trời có sẵn được sử dụng.
Gần gũi nhất với con người có lẽ là năng lượng sinh khối. Theo các nhà khoa học, nguồn năng lượng sinh khối được hiểu là dạng vật liệu sinh học từ sự sống, hay gần đây là sinh vật sống, đa số là các cây trồng hay vật liệu có nguồn gốc từ thực vật. Được xem là nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sinh khối có thể dùng trực tiếp, gián tiếp một lần hay chuyển thành dạng năng lượng khác như nhiên liệu sinh học. Sinh khối có thể chuyển thành năng lượng theo ba cách: chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi hóa học và chuyển đổi sinh hóa.
Về mặt lịch sử, con người đã khai thác các sản phẩm có nguồn gốc từ năng lượng sinh khối khi họ bắt đầu dùng củi và cỏ khô để nhóm lửa sưởi ấm. Ngày nay, thuật ngữ này có thể hiểu theo hai nghĩa. Nghĩa thứ nhất, sinh khối là vật liệu cây trồng dùng để tạo ra điện năng (dùng turbin hơi hoặc nén khí), hoặc tạo ra nhiệt (thông qua việc đốt trực tiếp).
Bắt đầu với việc tăng sử dụng than đi kèm với Các mạng công nghiệp, việc tiêu thụ năng lượng đã dần dần chuyển từ gỗ và sinh khối về nhiên liệu hóa thạch. Sự phát triển sớm của các công nghệ năng lượng mặt trời bắt đầu vào những năm 1860 được thúc đẩy bởi một kỳ vọng rằng than sẽ sớm trở nên khan hiếm. Tuy nhiên, phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời trì trệ trong những năm đầu thế kỷ 20 khi đối mặt với sự sẵn có ngày càng tăng, tính kinh tế và sự tiện dụng của than và dầu mỏ.
Lệnh cấm vận dầu 1973 và cuộc khủng hoảng năng lượng 1979 gây ra sự tổ chức lại chính sách năng lượng trên toàn thế giới và mang lại sự chú ý đổi mới để phát triển công nghệ năng lượng mặt trời. Chiến lược triển khai tập trung vào các chương trình khuyến khích, chẳng hạn như Chương trình Sử dụng quang điện liên bang ở Mỹ và Chương trình Sunshine tại Nhật Bản. Những nỗ lực khác bao gồm việc hình thành các cơ sở nghiên cứu ở Mỹ (SERI, NREL), Nhật Bản (NEDO), và Đức (Viện các hệ thống năng lượng mặt trời Fraunhofer ISE).
Máy nước nóng năng lượng mặt trời thương mại bắt đầu xuất hiện tại Hoa Kỳ trong những năm 1890. Các hệ thống này được tăng cường sử dụng cho đến khi những năm 1920 nhưng đã dần dần bị thay thế bằng nhiên liệu sưởi ấm rẻ hơn và đáng tin cậy hơn. Máy nước nóng năng lượng mặt trời tiến triển đều đặn trong suốt những năm 1990 và tỷ lệ tăng trưởng trung bình 20% mỗi năm kể từ năm 1999. Mặc dù thường bị đánh giá thấp, đun nước nóng và làm mát năng lượng mặt trời đến nay là công nghệ năng lượng mặt trời được triển khai rộng rãi nhất với công suất ước tính khoảng 154 GW năm 2007.
Năng lượng mặt trời còn được con người dùng để sưởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc năng lượng mặt trời, qua chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày...
Khai thác nguồn năng lượng thứ cấp
Nguồn tài nguyên thứ cấp của năng lượng mặt trời như sức gió, sức nước và sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo đã và đang được loài người chú trọng khai thác.
Năng lượng gió đã được con người sử dụng từ hàng trăm năm nay. Năng lượng gió được dùng để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió.
Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện. Lúc đầu, nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện. Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn. Ngày nay, người ta gọi đó là tuốc bin gió, khái niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền. Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970, việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các tuốc bin gió hiện đại.
Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liên tục. Tại châu Âu, các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu, nhờ vào đó mà việc sản xuất điện có thể được điều hòa một phần. Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước để vận hành tuốc bin khi không đủ gió. Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên các đỉnh núi cao.
Thủy điện cũng đã phát triển ngay sau phát minh ra điện và máy phát điện. Đa số năng lượng thuỷ điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một tuốc bin nước và máy phát điện. Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng lượng động lực của nước hay các nguồn nước không bị tích bằng các đập nước như năng lượng thủy triều.
Nhiên liệu sinh học đang được con người quan tâm bởi là nguồn năng lượng tái tạo và thân thiện với môi trường. Đó là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh học) như: nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa...), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương...), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải...)...
Trước kia, nhiên liệu sinh học hoàn toàn không được chú trọng. Hầu như đây chỉ là một loại nhiên liệu thay thế phụ, tận dụng ở quy mô nhỏ. Tuy nhiên, sau khi xuất hiện tình trạng khủng hoảng nhiên liệu ở quy mô toàn cầu cũng như ý thức bảo vệ môi trường lên cao, nhiên liệu sinh học bắt đầu được chú ý phát triển ở quy mô lớn hơn do có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá...). Theo dự đoán, sau khoảng 7-10 năm, công nghệ sản xuất cồn sinh học sẽ được hoàn thiện và đáp ứng được nhu cầu sản xuất và thương mại. Bên cạnh đó, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, nhiên liệu sinh học có khả năng là ứng cử viên thay thế...
Lời kết
Đến đây, nỗi lo lắng của nhiều người chắc sẽ vơi đi, bởi cho dù 100 năm nữa, khi mà than đá và dầu mỏ trên trái đất đã cạn kiệt thì "ông mặt trời" yêu quý của chúng ta vẫn tồn tại, và loài người vẫn còn nhiều cơ hội để thử thách sức sáng tạo và tìm kiếm nguồn hạnh phúc của mình.
Thúy Hằng