Před pěti lety byl elektrický inženýr Sun Hongbin dán to, co mnozí považují za nemožný úkol: Vytvořte plnohodnotný systém čisté energie uprostřed nejchladnějších teplot na Zemi, křičící větry a pololetou temnotu.
Čína poté stavěla svou páté antarktické výzkumné stanici, nazvanou Qinling, na nevyslovitelném ostrově v zálivu Terra Nova. A vláda národa tlačila koncept „zelených výpravy“, aby při studiu a zkoumání kontinentu chránila jedinečně křehké prostředí Antarktidy. „Takže mít systém, který by poskytl většinu energii Qinlingu s obnovitelným energií, hodí se k tomuto cíli,“ říká Sun.
Konvenční instalace sluneční a větru však nejsou žádnou shodu s teplotami, které se propadnou pod –40 stupňů Celsia, větry až 300 kilometrů za hodinu (kmh) a divoké vánice. Takové podmínky mohou Snap větrné turbíny čepeleostře snižte výkon solárních panelů a zabrání správnému nabíjení a vybíjení baterií. A samozřejmě je tu šest měsíců polární noci, kdy Slunce nikdy nevychází nad horizontem.
O podpoře vědecké žurnalistiky
Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.
Systém čisté energie na čínské výzkumné stanici Qinling v Antarktidě zahrnuje solární panely, větrné turbíny, vodíkový energetický systém a baterie.
Členové 41. Čínského antarktického expedičního týmu
„Byla to obrovská výzva“ vybudovat systém pro nejchladnější, nejtemnější a nejodlehlejší kontinent Země, říká Sun, nyní prezident TAIYUANské univerzity v Číně a hlavní vědec pro polární čistou energii v čínském Polar Research Institute.
Na konci roku 2024 však jeho tým cestoval na stanici, aby nainstaloval systém, který trval 14 milionů dolarů na vývoj. Skládá se z 10 větrných turbín, 26 solárních modulů, vodíkového systému, kontejneru plné mrazu odolných lithium-iontových baterií a inteligentní mřížky, která může předvídat a vyvážit nabídku a poptávku. Celý obnovitelný systém obnovitelných zdrojů nyní běží a podle SUN by měl poskytnout polovinu průměrných ročních energetických potřeb základny.
„Využití čisté energie je obrovským pokrokem, aby byl kontinent čistý,“ říká Kim Yeadong, předseda Korejského národního výboru pro polární výzkum v Jižní Koreji, který nebyl do projektu zapojen. „Jiné stanice se pravděpodobně budou muset naučit, jak dosahují tolik čisté energie. Myslím, že je to pozoruhodné.“
Kde je král nafty
A 2024 Analýza předtisku Z 81 antarktických výzkumných základen zjistilo, že 37 nainstalovalo zdroje obnovitelné energie, jako jsou solární panely a větrné turbíny. Podíl obnovitelné energie, které tyto základny byly použity, však „často nízké“, napsali vědci. Výjimkou dosud byla belgická stanice princezny Elisabeth, která je zaměstnána pouze během Antarktického léta. Běží úplně na větru a sluneční energii a využívá téměř 24hodinového denního světla. Přesto je drtivá většina stanic stále záviset na Generátory poháněné nafty, aby své posádky udržovaly v teple, krmeni a v bezpečí. Hlavním důvodem je, že je to jednoduše to, že „jsou zvyklí používat naftu,“ říká Daniel Kammen, profesor energie na Kalifornské univerzitě v Berkeley.
Spoléhání se na dieselové palivo však má nevýhody: je logisticky obtížné a nákladné přepravu objemných tekutých fosilních paliv na takové odlehlé místo, často obklopené mořským ledem. Vysoce specializované zdroje – typicky včetně ledoborců a vojenského personálu – jsou nutné k tomu, aby se při pečlivém plánování vyskytovala těžká paliva, která se obvykle odehrává jen jednou ročně.
Oblast podél Rossova moře je známá svým silným větrem.
A sázky jsou vysoké pro Antarktidu relativně nedotčené a snadno narušené ekosystém. „Každá stanice, která má olej nebo jiná paliva, měla rozlití,“ říká Kammen. Ačkoli hlavní úniky oleje byly vzácné, jakákoli kontaminace může mít závažné důsledky na antarktickou půdu a vodu, protože trvá dlouho, než se olej rozpadne v teplotách subzeru. To neznamená, že mýtné, že Burning Fosilní paliva přebírá antarktický ekosystém prostřednictvím změny klimatu.
Existuje tedy významná motivace k odchodu od nafty. Přesto „konvenční větrné turbíny, solární panely, skladování baterií a vodíkové energie jsou navrženy tak, aby fungovaly nad –30 stupňů (C), ale podmínky antarktických stanic jsou často mnohem horší,“ poznamenává Sun. „Například v Qinlingu fouká gales na 73 kmH nebo rychleji po dobu více než 100 dnů každý rok. Když se to stane při chladných teplotách, větrné turbíny se stanou křehkým a snadno se zlomí.“
Navíc technologie baterií a vodíku – které se používají k ukládání větru a sluneční energie pro pozdější použití – byly v minulosti „ne dost dobré“, aby se zajistilo, že energetické dodávky pro základny budou spolehlivé kolem hodin a po celý rok, říká Kammen.
Kápnout božskou
Aby tyto překážky překonal tyto překážky, Sun a jeho tým vybudovali laboratoř o rozloze 2 000 čtverečních metrů na Taiyuanské univerzitě, aby simulovali extrémní povětrnostní podmínky Antarktidy. Je vybaven ovládacími prvky, které mohou snížit vnitřní teplotu na –50 ° C, větrný stroj, který může vystřelit poryvy až 216 kmh a generátory sněhu, které mohou bičovat okamžité vánice.
Během čtyř let testování tým vyvinul řadu systémů obnovitelné energie připravené na Antarktidu. Jedním z designu je turbína, která se vyhýbá čepelům podobnému větru tradičního větrný mlýn; Místo toho je tvarován jako vyvýšený vejce, s oběma koncemi každé zakřivené čepele připojené k centrálnímu pólu. Tento návrh snižuje povrchovou plochu čepele, která je tlačena větrem, což minimalizuje napětí na struktuře a přitom stále zachycuje dostatek síly pro výrobu elektřiny. A snižuje těžiště turbíny, aby zabránilo tomu, aby se zabránilo svržením ve větru, říká Sun.
Sada baterií testovaných v laboratoři na Taiyuan University of Technology v Číně, aby zjistila, zda mohou fungovat v Antarktidě.
Jeho tým také nainstaloval turbíny, které jsou konvenčně tvarované, ale používají čepele vyrobené z uhlíkových vláken – silný a lehký materiál, který vydrží teploty až –50 ° C, podle Wang Bin, jednoho z inženýrů, kteří šli do Antarktidy, aby vytvořili systém. Tyto čepele jsou také kratší než standardní, aby se snížil kontakt s větrem a zvýšil strukturální odolnost, říká Wang.
Pro sluneční energetický systém byl postaven speciální podpůrný rám, který zajistí panely na zem, aby mohly lepší počasí a silný sníh. A místo obvyklé slitiny hliníku je rám vyroben z plastu vyztuženého vláknem. Ten má nižší tepelnou vodivost, vysvětluje tým Sun, což znamená, že teplota rámu se mění mnohem pomaleji, když se za studena vstoupí, a proto se tak snadno nerozšiřuje.
Namísto skladování energie v nejčastěji používaných typech lithium-iontových baterií, které fungují špatně při teplotách subzeru, tým používal baterie lithium-titanátu. Jejich chemie usnadňuje lithiovým iontům pohybovat se uvnitř baterie během procesů nabíjení a vypouštění při extrémně nízkých teplotách. Vědci také postavili kolem baterií tepelné pouzdro, aby je udržovali v teple a navrhli systém pro shromažďování a ukládání odpadního tepla – což lze nasměrovat zpět do pouzdra, když jeho vnitřní teplota bude příliš nízká, dodává Wang.
Očekává se, že čínská stanice Qinling bude mít více než polovinu energie pocházející z obnovitelného systému.
Členové 41. Čínského antarktického expedičního týmu
Ale možná nejvýznamnějším krokem, který tým podnikl, bylo přinést vodíkovou energii do Qinlingu, aby pomohl pohánět stanici po dlouhé a temné zimě.
Pro produkci obnovitelného vodíku je přístroj zvaný elektrolyzer poháněn větrem a sluneční energií, aby se molekula vody rozdělily do kyslíku a vodíku. Ten jde do vysokotlakých nádrží, které je mohou ukládat déle než rok; Podle týmu Sun mohou samotné tanky udržet celou základnu běh asi 48 hodin. Za tímto účelem je vodík nasměrován do elektrochemického zařízení zvaného palivový článek, kde reaguje s kyslíkem ze vzduchu za účelem výroby elektřiny, pouze s vodou a teplem jako vedlejší produkty. První z nich je recyklován k použití při další elektrolýze a druhý je uložen k zahřátí elektrolyzeru, když bude příliš chladný na to, aby běžel.
Obnovitelný systém může v současné době produkovat 60 procent celkové produkce energetického systému Qinlingu, když běží na plné výbuch, přičemž zbývajících 40 procent pochází z nafty. Ale Sun a jeho tým jsou odhodláni zvýšit toto procento-a přinést také systémy čisté energie na jiné čínské polární základny. „Šedesát procent je skvělý začátek, ale je třeba se zvýšit,“ říká Kammen. „Cílem musí být po celý rok 100 procent obnovitelné energie.“
Je čas postavit se za vědu
Než stránku zavřete, musíme požádat o vaši podporu. Vědecký Američan sloužil jako obhájce vědy a průmyslu po dobu 180 let a myslíme si, že právě teď je nejkritičtějším okamžikem v této historii dvou století.
Nežádáme o charitu. Pokud stát se digitálním, tiskem nebo neomezeným předplatitelem Pro Scientific American můžete pomoci zajistit, aby naše pokrytí bylo soustředěno na smysluplný výzkum a objev; že máme zdroje na podávání zpráv o rozhodnutích, která ohrožují laboratoře po celé USA; a že podporujeme jak budoucí, tak pracující vědci v době, kdy se hodnota samotné vědy často nerozpoznala. Kliknutím sem se přihlásíte k odběru.
