Słońce made in China – energia przyszłości

Wzrost ekonomiczny kosztem środowiska naturalnego

Rozpoczęta cztery dekady temu chińska transformacja oznacza wzrost gospodarczy i technologiczny, jak również poprawę standardów i wygody życia mieszkańców miast. Jednak bogacenie się i umacnianie swojej pozycji na arenie światowej niesie ze sobą wiele oczekiwań ze strony środowisk międzynarodowych: poszanowania praw człowieka czy uwzględniania w swoich działaniach odpowiedzialności za klimat i środowisko naturalne.

Chińska Republika Ludowa od wielu lat ma ogromny wkład w zanieczyszczanie powietrza emitując 1/3 dwutlenku siarki, tlenku azotu i pyłów PM 2.5 w skali całego globu[1]. Docierają one nawet do innych kontynentów, w tym Ameryki. Stopień zanieczyszczenia powietrza dalece odbiega od norm Światowej Organizacji Zdrowia, a zdecydowana większość jezior, rzek i wód gruntowych jest w bardzo złym stanie[2]. Od około pięciu lat Chiny zużywają prawie ¼ energii w skali świata[3] powodując przy tym dewastację środowiska naturalnego. Budowa Jedwabnego Szlaku i wymiana towarowa czy rosnąca turystyka masowa mogą przyczynić się do pogorszenia sytuacji. Chiny powinny zacząć podejmować odpowiedzialne decyzje nie tylko w trosce o własne państwo, ale cały świat.

Fuzja jądrowa jako alternatywne źródło energii

Dotychczas głównie wykorzystywanymi przez nas źródłami energii są paliwa kopalne (węgiel, olej i gaz), ale związane jest to z pewnymi problemami. Po pierwsze ich ilość jest bardzo ograniczona. Aktualne szacunki mówią, iż wystarczy ich jedynie na kolejne kilkadziesiąt lat[4]. Po drugie, emitują zanieczyszczenia, które przyczyniają się do powstawania smogu. W związku z tym, iż współcześnie zużycie energii rośnie, a jednocześnie istnieje konieczność ograniczania emisji CO2, jednym z dążeń nauki stało się opracowanie sposobu wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Ponieważ zasoby paliw kopalnych się wyczerpują, istnieje potrzeba dywersyfikacji źródeł energii oraz jej magazynowania.

Alternatywą dla paliw kopalnych jest czysta energia (wiatrowa, słoneczna i wodna), jednak jej produkcja nie jest tania. De facto jest dużo wyższa niż cena energii pochodzącej z węgla, ponieważ wymaga budowy elektrowni, turbin i paneli o ogromnej powierzchni. Po drugie, możliwość jej magazynowania jest ograniczona, a konwersja wciąż relatywnie niska. Kolejnym rozwiązaniem jest rozszczepienie jądrowe, czyli tzw. energia atomowa. Również i ono nie jest pozbawione wad: minusem są ograniczone zasoby uranu wzbogaconego, niezbędnego w procesie produkcji energii. Prawdopodobnie może on być wydobywany jedynie przez kolejnych kilka dekad. Po drugie, istnieje zagrożenie, iż taki system może być nieszczelny, a w konsekwencji zakończyć się tragedią, jaka miała miejsce w Czarnobylu lub Fukushimie. Po trzecie, jest źródłem powstawania odpadów, które  są radioaktywne i mogą promieniować przez setki lat. Odpady te są  często ,,opakowywane” i  zakopywane pod ziemią, wrzucane do morza lub trzymane w specjalnie przystosowanych do tego budynkach. Jeśli jednak wydostaną się na powierzchnię lub wyciekną, to będą oddziaływać na ludzi i środowisko.

W związku z powyższymi opracowano najnowszą technologię, jaką jest produkcja energii w procesie fuzji jądrowej. Z połączenia jąder atomowych lżejszych pierwiastków (np. wodoru lub izotopów wodoru) powstają cięższe jądra atomowe (np. helu) i wydzielają ogromną ilość energii. Aby zaszła reakcja połączenia jąder muszą one znaleźć się bardzo blisko siebie. Jednak jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny, a w konsekwencji się odpychają.  Dlatego, aby doszło do zbliżenia, muszą one zostać poddane bardzo wysokiej temperaturze, która spowoduje wzrost prędkości (energii kinetycznej) ich poruszania się na tyle, aby mogły przezwyciężyć odpychanie i zderzyły się. Efekt ten uzyskiwany jest przez poddanie ich działaniu mikrofal. Wskutek tego przechodzą w stan zwany plazmą (mieszanina dodatnio naładowanych jąder i ujemnie naładowanych elektronów), gdzie możliwe jest połączenie jąder. Dokładnie na tej samej zasadzie działa słońce. Reakcja fuzji pomiędzy dwoma izotopami wodoru wytwarza atom helu oraz jeden neutron i powoduje uwolnienie większej ilości energii, która z kolei jest wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej.

Zaletą takiej metody jest jej kilkukrotnie większa efektywność niż w wyniku rozszczepienia jądrowego, jak również nieograniczona ilość materiału potrzebnego do produkcji energii. Izotopy wodoru można względnie łatwo i praktycznie w nieograniczonych ilościach pozyskiwać, np. z wody morskiej[5]. Co więcej, jest to bezpieczna energia. Aby reakcja mogła zajść, potrzebuje ona wysokiej temperatury, ciśnienia i gęstości. Toteż nawet jeśli plazma wydostanie się na zewnątrz, środowisko naturalne nie spełnia warunków do zajścia reakcji i zwyczajnie ,,wygaśnie” nie powodując zagrożenia wybuchem czy skażeniem. Co więcej, nie wytwarza odpadów promieniotwórczych i gazów cieplarnianych[6]. Jednak spełnienie wszystkich niezbędnych warunków dla podtrzymania procesu fuzji jest ogromnym wyzwaniem dla nauki.

EAST – wynalazek na miarę XXI wieku

W tym celu powstał ITER (Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny). Jest to zarówno reaktor termonuklearny, jak i program badawczy, którego celem jest zbadanie możliwości produkcji energii z kontrolowanej fuzji jądrowej na dużą skalę. Jest to projekt realizowany przez 30 lat za kwotę około 10 mld euro, w którym uczestniczą: Unia Europejska, Japonia, Rosja, Stany Zjednoczone, Chiny, Korea Południowa i Indie[7].

W 1950 roku w Związku Radzieckim zaproponowano rozwiązanie – urządzenie nazwane tokamakiem (akronim pochodzący z języka rosyjskiego od słów „toroidalna komora magnetyczna”)[8]. Czterdzieści lat później ZSRR sprzedał Chinom model T-7[9]. Wkrótce ChRL rozpoczęła własne eksperymenty na przetransportowanym urządzeniu. Projekt nazwano EAST, czy też ,,sztuczne słońce” i jest on częścią globalnego projektu ITER.

Kształt chińskiego tokamaka przypomina oponę. W środku niej plazma porusza się po okręgu. Poprzez oddziaływanie prądu wytwarzane jest pole poloidalne, które napędza plazmę wzdłuż tokamaka. Dodatkowo znajduje się tam wiele pętli, które wytwarzają pole magnetyczne, w związku z czym plazma poruszając się wewnątrz tokamaka, nie uderza o ściany urządzenia. Natężenie prądu jest tak duże, że konstrukcja musi być zbudowana z nadprzewodzących materiałów, które nie ulegną stopieniu[10].

EAST jest w procesie projektowania, a pierwsze jego użycie jest przewidywane na rok 2025. Aktualnie w Instytucie Fizyki Plazmowej Chińskiej Akademii Nauk w Hefei udało się uzyskać temperaturę 100 milionów stopni Celsjusza wewnątrz tokamaka (7 razy więcej niż we wnętrzu Słońca) i wydłużyć czas wydzielania energii do 100 sekund[11]. Docelowo ma podtrzymywać reakcję fuzyjną przez 1000 sekund, osiągając moc do 1100MW wydzielaną w postaci ciepła. W przyszłości mają powstać reaktory osiągające moc nawet do 4000MW[12].

Tokamak został wynaleziony 70 lat temu, jednak dotychczas nie udało się go zastosować w sposób komercyjny. Energia pochodząca z reakcji termojądrowej (fuzji jądrowej) mogłaby zasilić miliony gospodarstw domowych, nie emitując przy tym produktów ubocznych takich jak tlenek węgla, azotu, siarki, pyły, popiół itd[13].  Dlatego naukowcy pracujący przy udoskonalaniu projektu podkładają w nim wielkie nadzieje.

Zwrot ku ekologii

Na dziś dzień Chiny mogą poszczycić się takimi osiągnięciami jak umieszczenie na orbicie laboratorium kosmicznego Tiangong-2[14], zbudowaniem teleskopu o średnicy 500 metrów (FAST) Tianyan[15], czy naukowego satelity kwantowego Mozi. Do tego wychodzą na pozycję lidera w produkcji alternatywnej energii ze źródeł odnawialnych. Od 2013 roku Chiny przyjęły plan, który ma chronić środowisko zgodnie z koncepcją ,,zielonego rozwoju”. W związku z tym za cel przyjęto ograniczenie zanieczyszczeń powietrza aż o 25% w latach 2018-2020[16]. Zapowiedziano do 2030r. przeznaczenie 732 mld dolarów na rozwój energii solarnej i wiatrowej[17]. Chiny już teraz posiadają wiodące marki produkujące turbiny wiatrowe i baterie solarne[18]. Na ratunek naturze powstają kolejne śmiałe plany takie jak dostarczanie wody z lodowców Himalajów do wysuszonego Xinjiangu na zachodzie kraju[19], wywoływanie sztucznych opadów deszczu lub śniegu poprzez skierowanie jodku srebra do atmosfery na terenach suchych[20], jak również wypuszczanie do atmosfery co sekundę 8m^3 świeżego powietrza ze specjalnie skonstruowanej do tego wieży[21].

Do tego wszystkiego trwają prace nad najnowszą wersją tokamaka o nazwie EAST, który być może już wkrótce zaopatrzy świat w nieograniczone ilości bezpiecznej energii. Oznaczałoby to wyeliminowanie perspektywy kryzysu energetycznego, a także uniezależnienie od dostawców paliw kopalnych. Chiny, które dotychczas skrajnie zaniedbywały kwestie klimatyczne i środowiskowe, teraz są pionierem w badaniach nad pozyskiwaniem energii ze źródeł odnawialnych oraz jej czołowym producentem i eksporterem na cały świat. Jest to ogromny krok w dobrym kierunku dla Chin i dla świata.

Niniejszy materiał znajdą Państwo w Kwartalniku Boyma nr – 1/2019

Ewelina Horoszkiewicz Absolwentka zarządzania oraz sinologii na Uniwersytecie Warszawskim. W Instytucie Boyma jest koordynatorką projektów i współpracy z innymi instytucjami. Posiada certyfikat znajomości języka chińskiego HSK na poziomie czwartym. Interesuje się głównie Chinami. W życiu zawodowym łączy swoje umiejętności analityczne z badaniami rynku i współpracą z Chinami oraz Azją Wschodnią.