Az energia gondja egyidős az emberi civilizációval. A természetátalakító munkánk teszi lehetővé a környezethez való gyors és hatékony alkalmazkodást, tehát a túlélésünk feltétele, de energia kell hozzá. A történelem arra tanít, hogy mennél fejlettebb egy társadalom, annál több energiát fogyaszt. Persze meg lehet lenni a folyamatos fejlődés nélkül is, léteztek átmenetileg egyensúlyban lévő társadalmak is (kínai, indiai), de ezek inkább a azoknak aű fejlődésben elakadt fázisai voltak.
Ahogyan ez most kinéz, a technikai civilizáció a társadalom fejlődésének kikerülhetetlen szakasza, minden áldásával és átkával egyetemben. Ez teszi lehetővé a kényelmesebb, hosszabb életet (ami nem feltétlenül boldogabb is), és sajnos az emberi élet kiüresedését, de az elkerülhetetlen környezet szennyezést, az emberiség létét szintén fenyegető túlfegyverkezést, tömeg pusztító fegyverek megjelenését is okozza.
A civilizáció kezdetén a felhasznált energia elsősorban élő energia volt, az emberek és az állatok energiája. Ez vezetett többek között a rabszolgasághoz. Korlátozott energiaforrás volt, és rengeteg gondot okozott. Az állatoknak is van akaratuk, nem beszélve az emberekről, akik még nehezebben kezelhetők, mint az állatok (lásd: lázadások). Az élő erővel végzett munka lassú volt, az embernek, állatnak pihennie is kellett. Gondoljunk csak kereskedelem miatt szükséges utazásokra. Valamelyik Jókai-regényben olvastam, hogy Szatmárból Nagykárolyba eljutni nemcsak többnapos utazást jelentett, de veszélyes is volt, kiépített utak híján például könnyű volt a sár fogságába esni, ahonnan csak az ökrök húzhatták ki a szekeret (ha kéznél voltak, és sikerült nekik). Ez okból a közlekedés a Szamos vizén, csónakokkal történt – olcsóbb is volt, gyorsabb is, csak nem mindig oda folyt a folyó, ahová menni akartunk. A technikai civilizációt dicséri, hogy a XIX. század végén, anyai nagyapám mozdonyvezetősége idején, ez vonattal legfeljebb két órát, manapság nekem, közúton valamivel több mint félórát tart.
Ezzel a lassú, nehézkes technikával is elődeink épületei, útjai minden tiszteletet megérdemlő emberi alkotások. Elődeink nagyon ismerték az anyagokat, az akkori technikákat, és elképesztő kitartásról tettek tanúbizonyságot. Tudjuk azt is, hogy sok millió rabszolga és állat esett áldozatul a grandiózus tervek megvalósításának.
Az áttörést az 1769-ben James Watt által megépített gőzgép hozta meg. Különböző próbálkozások előtte is voltak, úgy száz éven keresztül, nem beszélve az ókori görög Héron által szerkesztett „gőzturbináról”, de az első biztonságosan működő gőzgép a Watté. Ettől az áttöréstől számítjuk az ipari forradalom kezdetét, az oly sokszor szidott technikai civilizáció elterjedését.
A fejlődés gyorsult, és a technika majd minden részét érintette. Működtek gőzgépek bányákban (vízkiemelésre), használták azokat szállításra ( gőzmozdony, gőzhajó), a mezőgazdaságban, traktorként, cséplőgép működtetésére, favágásra stb. Gondolom, nem szükséges a gőzgép jelentőségét tovább hangsúlyozni. Kezdetben a hő a szén elégetésből származott.
A gőzgép megjelenésének volt egy tudományt érintő jelentősége is. Ráirányította a figyelmet a hőjelenségekre. A gőzgépek tökéletesítése, a hatásfok növelésének kényszere a tudósokat az ezzel kapcsolatos jelenségekkel, fogalmakkal való foglalkozásra késztette. Addig a hőjelenségek önmagukban voltak érdekesek, a hőt egy kis viszkozitású, súlytalan folyadéknak tekintették, ami átkerül az egyik testről a másikra. A kalorikumnak nevezett hőt megmaradó mennyiségként kezelték, amelyet ha közvetve is de a hőmérséklethez kapcsolták. Ekkor történt a kalorimetria mint tudomány megjelenése, a hő mérésével kapcsolatos eljárások kidolgozása. Függetlenül az elmélet igaz vagy kevésbé igaz voltától a kalorimetria ma is ugyanaz. Az energiához csak később kapcsolták, pedig a kalorikum megmaradása már előrevetítette az energiához való hasonlatosságát.
Az áttörés akkor következett be amikor a hőt (kalorikumot) a munkához (az energiához) kapcsolták (ΔE=L). A kalorikum megmaradása akkor lett elfogadhatatlan amikor egy értelmes iparos megfigyelte annak a keletkezését. Az ágyúcsövek fúrásánál észrevette, hogy azok felmelegszenek anélkül, hogy máshonnan hőt vennének fel. Így kapcsolódott össze a munkavégzés (fúrás) a hővel. Mi még tanultuk a hő mechanikai egyenértékét, az azt bizonyító, speciális kaloriméterrel elvégzett Joule-kísérlettel együtt. A kísérlet idején ez nem volt egyértelmű, hiszen a mértékegységeik másak, mindegyiket másképp határoztuk meg, az energia a munkavégzéshez, a hő a hőmérséklet-változáshoz kapcsolódik. Mára a kísérlet elvesztette a jelentőségét, miután kiderült, hogy mindkettő energia, feladtuk a kalóriát mint mértékegységet, maradt a joule.
A munka és a hő kapcsolata nem szimmetrikus, ahogyan azt a hő és a mechanikai energia (munka) egyenértékéből következne. A hőerőgépek tanulmányozása hamar rávilágított erre az aszimmetriára. A munka bármikor átalakulhat hővé – a bárhol jelenlévő súrlódási erő miatt –, a hő esetében ez nem áll fenn. Könnyű belátni, hogy a Szahara az 50 Celsius-fokos hőségben (árnyékban, csak hát árnyék nincs sehol) elég hőt tartalmaz, de munkát nem végez, nem lehet „befogni” például járművek hajtására, ami pedig nagyon jól jönne. A hő erre nem alkalmas, „rá kell venni”, hogy munkát végezzen, speciális körülményeket kell teremteni.
Végül a termodinamika második főtétele megállapítja, hogy a hőerőgép csak két hőforrással működhet. Kell legyen egy meleg forrás, ahonnan hőt vesz fel, meg egy hideg forrás, amelynek hőt ad le. Másképpen megfogalmazva, a hő nem teljesen alakul át munkává, csak a melegforrástól felvett és a hideg forrásnak leadott hő különbsége. Feltételezve, hogy meg tudjuk valósítani a tökéletes hőszigetelést és a súrlódási erő kiküszöbölését, kizárva minden hőveszteséget (ami a gyakorlatban lehetetlen, legfeljebb mint határesetet lehet figyelembe venni), még így sem lehet a hőt teljesen munkává alakítani, eleve benne van a veszteség.
Érdekes párhuzam vonható a vízenergia és a hő között. A természetben a víz energiája is lényegében a hőből származik: a napsugarak hőhatására a víz elpárolog, felhő lesz belőle, majd eső formájában leesik, majd patak, folyó formájában leszalad a völgyekbe, közben megfelelő körülmények között munkát végezhet. A helyzeti energia különbsége (mivel fentről indul) mozgási energiává alakul, majd munkát végez. Amint a víz csak lefelé folyik (a gravitáció miatt), a hő is a magasabb hőmérsékletű testről (magától, spontán módon) az alacsonyabb hőmérsékletű testre megy, miközben megfelelő körülmények között (hőerőgép) munkát végez.
Ugyanúgy, ahogy a víz nem fogy el, csak annak az energiája, a gőz (gőzgép esete) sem tűnik el, csak annak a hőenergiája (lehűl) a munkavégzés során. Azt talán mondanom sem kell, hogy a szélenergia is a hőhöz kapcsolódik, hiszen a szél akkor fúj, ha a légkörben különböző hőmérsékletű helyek vannak. A hőmérséklet kiegyenlítődése úgy történik, hogy a levegő a melegebb helyről a hidegebb felé áramlik, létrehozva a szelet. A szélkerék a levegő mozgási energiáját alakítja villamosenergiává, a levegő nem használódik el csak a mozgási energiája csökken.
Kultúrtörténetünk úgy alakult, hogy az első mesterséges, primér energiaforrásunk a gőzgép volt, amely a hőenergia alapján működött, azt alakította a számunkra fontos munkává. Ha végignézzük a hosszú távon hasznosítható, jelentős mennyiségű energiát (munkavégzést) szolgáltató berendezéseinket, majd mindegyik valamilyen módon kapcsolódik a hőenergiához. A technikai civilizáció kezdetén az égetésből ( fa, szén, majd földgáz, petróleumszármazékok, lényegében az ezekben található szén elégetéséből) származó hőenergiát hasznosítottuk. Megépítettük a dugattyús gőzgépet, majd a gőztubinát (már az ókorban is volt valami hasonló, lásd Héron-gömb), később a belső égésű motorokat (Otto-, illetve a Dieselmotor).
A következő lépés az emberiség történetében az atomenergia hasznosítása volt. A maghasadásos reaktorban a nukleáris energia hővé alakul, majd a hőenergiát alakítjuk mechanikai, majd azt elektromos energiává. Itt is meghatározó szerepe van a hőenergiának, csak ezt nem égésből kapjuk, mint az előző esetben. Mivel minden energiaátalakulás elengedhetetlenül energiaveszteséget okoz, mennél több átalakulással működünk, annál nagyobb az energiaveszteség. A maghasadásos reaktor a veszteségek szempontjából sem a legjobb megoldás, nem beszélve a környezet radioaktív szennyeződéséről.
Úgy néz ki, a hő egyszerűen megkerülhetetlen a munkavégzés folyamatában.
Természetesen ismerem a napelemeket. Nem tévesztendők össze a napkollektorokkal, amelyek a napsugarakat gyűjtik össze és azok melegítő hatását (megint hő) használják fel, gőzt fejlesztenek ami hőerőgépekben alakul munkává. A napelemek a fény sugárzó energiáját alakítják elektromos energiává. Olvastam régebben próbálkozásokat arra vonatkozóan, hogy megpróbálták a magfúziós reakció során a felszabaduló nukleáris energiát egyenesen elektromos energiává alakítani. Ezekről mostanában nem hallottam. Valószínűleg két probléma adódott: az egyik a fúziós reakció megvalósítása ellenőrzött körülmények között, illetve a fúziós energia elektromos energiává alakítása, vagyis a lényeges dolgok még megoldatlanok.
Mindezeket a gondokat tetézi a legtöbb folyamatban jelenlevő energia disszipációja. A valós folyamatokban az energia egy része a folyamat szempontjából „elvész”, illetve a továbbiakban nem hasznosuló hővé alakul. A mechanikai folyamatban a súrlódás folyamán alakul az energia hővé, azt áram esetében az elektronok ütközése a rácspontokban lévő ionokkal (a vezető ellenállása) stb. A tapasztalat arra tanít, hogy a súrlódási veszteségeket egészen kis értékre visszaszoríthatjuk, de teljesen nem tudjuk kiküszöbölni, a hasznosítás folyamán a mechanikai energia egy része hővé alakul, elvész a felhasználó számára.
Az elektromos energia esetében a vezető ellenállása nullává tehető, tehát a veszteség kiküszöbölhető, az áram áthaladásakor a vezető nem melegszik. Ezt az állapotot azonban csak igen nagy mennyiségű energia felhasználásával érhetjük el, hiszen a vezetőt le kell hűteni jóval -200 Celsius-fok alá, ami sok energiát igényel – egyelőre nem gazdaságos, sokkal kevesebbet nyerünk, mint amennyit be kell fektetnünk. Jelenleg nagyon úgy néz ki, hogy az energiadisszipációt, a veszteséget nem tudjuk gazdaságosan elkerülni, az energia átalakulásokban ezeket figyelembe kell vennünk.
Visszaemlékezve a fentiekre, a többi energiaátalakulásos folyamatra, világossá válik, hogy mennél több az átalakulás, annál több a veszteség. Álljon itt példának a maghasadásos reaktorok esete. Az áram folyik a napelemekben is, tehát jelen van az energiaveszteség hő formájában itt is (sugárzási energia, elektromos energia, hő).
Természetesen a tudomány és az arra épülő technika is szédítő gyorsasággal fejlődik, meg vagyok arról győződve, hogy még sok meglepetésben lesz része az emberiségnek az energiatermeléssel és -felhasználással kapcsolatban is. Új módszerek és új berendezések jelennek meg, azok is állandóan fejlődni tökéletesedni fognak. Mindezek ellenére illúzió lenne azt hinni, hogy valaha is az energiát gond nélkül fogjuk fogyasztani, hogy lesz pazarolni való energiánk. Akármilyen olcsó is lesz az energia korlátlanul sohasem fog a rendelkezésünkre állni. Az viszont lehet, hogy a fosszilis üzemanyagok kora le fog járni, nem fogunk szenet, kőolajat elégetve energiát előállítani, mert ezek tartaléka is véges, használatuk környezetszennyező. Az energia megmaradásának törvénye tudatosítja, hogy ha valahonnan energiát veszünk el, az onnan hiányozni fog. Az energiagondokat csak a felelős energiatakarékos, a tartalékok okos felhasználása oldhatja meg, nem a korlátlan fogyasztás.
Most menjünk vissza a kezdetekhez. Nézzük az élőlények energiáját, amelynek a segítségével az ipari forradalom előtti kultúrák társadalma, a városok, a mezőgazdaság a kereskedelem, a kultúra anyagi része. Felépült. A munkát az emberek, illetve az állatok (ló, ökör, bivaly, szamár, elefánt stb.) végezték. Első látásra úgy tűnik, ennek semmi köze sincs a XIX. század energiaforrásához, a kőszénhez. A kőszén dicséretét, illetve annak művészi megfogalmazását Jókai Mór Fekete gyémántok című regényében olvashatjuk. Az akkori felfogás szerint a kőszén mozgatja a világot, ami akkor igaz is volt (vasút, gőzhajó, cséplőgép stb.).
A biológia azóta tisztázta, hogy honnan veszik az állatok, illetve az emberek a munkavégzéshez az energiát. A táplálékkal, a szervezetükbe jutnak szerves anyagok (szénhidrátok, fehérjék stb.). Ezek az anyagok szervetlenekből a növényekben a napsugárzási energiájának a hatására keletkeznek, mondhatnánk azt is, hogy a napenergia elraktározódik a bonyolult szerves molekulákban. Az energia felszabadítása egy nagyon bonyolult folyamat során történik, messzire vezetne most ezzel foglalkoznunk, de lényegében végül is a szerves molekula szénatomjait a belélegzett légköri oxigén oxidálja szén-dioxiddá.
A figyelmes olvasó rögtön észreveszi, hogy ez lényegében a szén elégetése. A számunkra ismerős szó szerinti égés az élő szervezetekben nem mehet végbe, károsítaná az élőlényeket, ezért találta ki a természet az energiahasznosítás bonyolult folyamatát. Máris felmerülhet a kérdés, vajon nincs erre más lehetőség. Egyelőre nem tudjuk, ha van is, itt a földön ez a változat működik, ami nem zárja ki más lehetőségek létezést sem. Egy dolog biztos, ahonnan energiát nyerhetünk, ott az esetek döntő többségében valamiféle égés történik, szén-dioxid keletkezik, tehát szennyezi is a környezetet. A karbonsemlegesség csak óhaj lehet, mert az azt óhajtó tudós sem karbonsemlegesen működik. Nagyon oda kell figyelnünk, mert a normalitás hamar végletes szennyezéssé válhat, és ebben benne van az emberiség már látható túlszaporodása is, amely további csapdákat is rejthet.
Így tekintve kilátástalannak tartom a sokat emlegetett teljes karbonsemlegességet. Úgy tűnik, az élet kialakulásához a meghatározó környezeti paraméterek csak nagyon szűk határok között változhatnak. Ennek ellenére az élet egy elágazásokkal rendelkező bonyolult körfolyamat látszatát kelti, aminek a lényegét nemcsak, hogy nem értjük, de még nem is ismerjük.
S még valamit: a napenergia korlátlan felhasználása sem látszik megoldásnak, mert ahonnan azt elvesszük onnan hiányozni fog. Mi történik a napelemek alatt lévő növényvilággal ha a fényt (a fotoszintézist) elvesszük tőlük, hát a talajban lévő rengeteg élő szervezettel amelyek a növényekkel táplálkoznának, ha lennének növények. Végiggondolta ezt valaki?
A legolcsóbb és a legkevésbé környezet károsító energia az, amit nem termelünk meg. Ezt most is tudjuk, minden energiaforrásra érvényes, csak felelőtlenségünkben nem akarjuk tudomásul venni. Pedig nem fog eljönni a „Kánaán”, ahol és amikor annyi energiát fogunk elhasználni, amennyit csak akarunk. Másképp (érthetőbben) szólva: nincs ingyenebéd.
Úgy néz ki az élővilág is a szén elégetését „választotta” energianyerésre, akárcsak a XIX. század tudósai. Nekünk, modern embereknek vizsgálnunk kell más lehetőségeket is, még akkor is ha nem biztos, hogy léteznek. Az evolúció ezt az utat „választotta”, egyáltalán nem biztos, hogy indokolatlanul, talán csak most nem látjuk a választás logikáját. Mivel az evolúció lassú folyamat, nem jellemzője az ugrás. Lehet talán más utat is választani. Legyünk optimisták!