Lähes kahden vuosisadan ajan ajatus siitä, että voimme tuottaa sähköenergiaa yksinkertaisesti hyödyntämällä maapallon luonnollista pyörimistä, on ollut sekä houkutteleva että saavuttamaton.
Sisällysluettelo
Ajatus siitä, että maapallon pyöriminen voi tuottaa sähköä, on kiehtonut tutkijoita lähes 200 vuotta, ja nyt amerikkalaiset tutkijat ovat ottaneet merkittävän askeleen eteenpäin todistamalla tämän mahdollisuuden. Princetonin yliopiston tutkijat ovat onnistuneesti tuottaneet pienen sähkövirran käyttämällä maapallon pyörimistä ja magneettikenttää. Tämä kokeellinen läpimurto on puhaltanut uutta henkeä 1800-luvulla syntyneeseen teoriaan ja valottanut salaperäistä ja hyödyntämätöntä energiaa, joka on aivan jalkojemme alla.
Kuinka maapallon pyöriminen ja magneettikenttä luovat sähkövirran
Ajatus käyttää maapalloa itse energianlähteenä ei ole uusi. Yksi sähkömagnetismin pioneereista, Michael Faraday, tutki tätä mahdollisuutta ensimmäisen kerran vuonna 1832. Faraday huomasi, että johtimen liike magneettikentässä voi aiheuttaa sähkövirran – periaate, joka on nykyisten generaattoreiden ja dynamokoneiden perustana.
Mutta ongelmana oli maapallon ainutlaatuinen magneettikenttä. Sen aksisymmetrinen osa, joka on pääosin samansuuntainen planeetan pyörimisakselin kanssa, on paikallisesti melko homogeeninen. Tämä tarkoittaa, että kun johtimen pyörii yhdessä maapallon kanssa, siihen vaikuttavat voimat tasapainottuvat ja neutraloivat merkittävän elektronivirran. Aikaisemmat kokeet, mukaan lukien Princetonin ryhmän vuonna 2016 tekemät kokeet, näyttivät vahvistavan, että tämä lähestymistapa on umpikuja käytännön energian tuotannossa.
Kaikki muuttui, kun Christopher Chiba ja Kevin P. Hand uudistivat tämän idean fyysisen perustan. He ymmärsivät, että oletus voimien täydellisestä kumoamisesta pätee vain, jos magneettikenttä johtimen sisällä pysyy muuttumattomana tai noudattaa yksinkertaista säännönmukaisuutta. Suunnittelemalla johtimen magneettisesti pehmeästä materiaalista onttoon sylinterin muotoon, he pystyivät häiritsemään magneettikenttää huomaamatta. Tämä häiriö rikkoo symmetrian ja estää vaimennuksen, jolloin heikko tasavirta voi kulkea.
Uraauurtava koe ja pienten jännitteiden mittaamisen ongelmat
Oikean materiaalin valinta oli ratkaisevan tärkeää. Tiimi valitsi mangaani-sinkki ferriitin, merkki M100 (MnZn), joka tunnetaan kyvystään ohjata tehokkaasti magneettikenttää ja säilyttää samalla alhainen sähkönjohtavuus. Tämä tasapaino takasi alhaisen Reynoldsin magneettiluvun (noin 0,088) – avaintekijän, joka mahdollistaa magneettikentän riittävän nopean hajoamisen materiaalin sisällä.
Kokeellinen laitteisto suunniteltiin huolellisesti: ontto sylinteri, jonka pituus oli noin 12 tuumaa (30 cm) ja halkaisijaltaan alle 1 tuuman (2,5 cm) sylinteri oli asennettu tarkasti siten, että sen akseli oli kohtisuorassa sekä maapallon pyörimisnopeuteen (noin 1160 jalkaa sekunnissa Princetonin leveysasteella) että paikalliseen magneettikenttään (~0,45 gaussia). Sylinterin vastakkaisissa päissä olevat elektrodit mittasivat syntyvän jännitteen.
Jännitteen mittaaminen ei ollut helppo tehtävä: tiimi odotti sähköpotentiaalin olevan mikrovolttien alueella, mikä on alle tuhannesosa kellopariston jännitteestä. Heidän piti poistaa kaikki taustamelut ja häiriöt käyttämällä erittäin herkkiä laitteita ja tiukkaa valvontaa.
Tulos oli vaivan arvoinen. He mittasivat jatkuvan jännitteen, joka oli noin 17 mikrovolttia, ja virran, joka oli noin 25 nanoampeeria. Se oli pieni, mutta tärkeä arvo – ensimmäinen kokeellinen todiste siitä, että maapallon pyöriminen voi todella tuottaa sähköä.
Energian käytännön käyttö ja maapallon pyörimisen hidastuminen
Tästä vaikuttavasta edistysaskeleesta huolimatta tämän ilmiön laajamittaisen hyödyntämisen käytännön ongelmat ovat valtavat. Nykyinen lähtöjännite on mitätön. Jopa pienen kotitalouden virransyöttöön tarvitaan miljoonia tai miljardeja tällaisia laitteita, jotka toimivat yhdessä. Tutkijat tutkivat tapoja lisätä lähtötehoa testaamalla erilaisia materiaaleja, pienentämällä laitteiden kokoa suurten verkkojen rakentamista varten tai jopa tekemällä kokeita kiertoradalla, jossa sekä pyörimisnopeus että magneettikentät voivat olla voimakkaampia.
Tämä herättää mielenkiintoisen kysymyksen: mistä tämä sähköenergia tulee? Vastaus löytyy maapallon pyörimisliikkeestä. Generaattori toimii kuin pieni jarru, joka hidastaa maapallon pyörimistä ja muuntaa osan sen energiasta sähköksi.
On tärkeää huomata, että tiimi on laskenut tämän teknologian laajamittaisen käyttöönoton seuraukset: jos kaikki maailman sähköenergia tuotettaisiin tällä tavalla, maapallon pyöriminen hidastuisi noin seitsemän millisekuntia joka vuosisata. Tämä kuulostaa huolestuttavalta, mutta se on varsin vähän verrattuna päivän pituuden luonnollisiin vaihteluihin, jotka vaihtelevat muutaman millisekunnin verran joka vuosikymmenen aikana planeetan sisäisten liikkeiden vuoksi. Kuun vuorovesien aiheuttama tunnettu hidastuminen on noin 2,5 millisekuntia vuosisadassa, joten tämä uusi ilmiö on paitsi mitattavissa myös hallittavissa.
Henkilökohtaisesti tämä löytö muistuttaa minua siitä, että jotkut vanhimmista ja tunnetuimmista tieteellisistä ideoista voivat yhä yllättää meidät. Se on kuin löytäisi piilopaikan omasta pihasta –muistutus siitä, että uteliaisuus ja sinnikkyys paljastavat usein salaisuuksia, jotka ovat näkyvillä.
