JAMA77

Alternatívne energetické zdroje

Úvodom svojho príspevku prikladám niekoľko informácií, ktorých vzájomné vzťahy skúsim objasniť. Aby som predišiel pochybnostiam súvisiacich s istou exaktnosťou tabuliek a definícií v úvode, predpokladom porozumenia môjho prístupu k téme robotiky je pozícia výrazne ideová a snáď motivačná v intenciách ekologických vízií. Zároveň sa opieram o výskum a postoje, ktoré sú všeobecne dostupné. Zmysel nachádzam v prepájaní týchto informácií tak, aby v závere vizuálne dielo, ktoré buď deklaruje, alebo odkazuje na ideu ktorá stála za jeho vytvorením. Ako bude z popisu jednotlivých projektov zrejmé, využívanie mechanizmov a strojov je len ťažko oddeliteľnou súčasťou výtvarnej práce a procesu v ktorom vznikajú.

Definícia:
pracovať = konať istú duševnú alebo telesnú prácu
robiť = vykonávať istú prácu
robot = stroj pracujúci s určitou mierou samostatnosti, vykonávajúci určené úlohy, a to predpísaným spôsobom a pri rôznych mierach potreby interakcie s okolitým svetom a so zadávateľom.

Axioma:
Prvá termodynamická veta – Každá fyzikálna sústava má stavovú veličinu nazývanú
vnútorná energia (U), ktorá sa mení len prostredníctvom výmeny energie s okolím
(objemová práca, tepelná výmena).
Prvý zákon termodynamiky môžeme aplikovať na deje prebiehajúce v uzavretých sústavách.
Konvencia: Objemovú prácu W budeme označovať súhrnne, nie ako rozdiel spotrebovanej a vykonanej. O tom, o akú prácu ide rozhoduje jej znamienko:
● W > 0 práca bola sústavou spotrebovaná (resp. jej bola dodaná)
● W < 0 prácu vykonala sústava

Úvaha:
Kardašovova škála je škála, ktorú navrhol v 60. rokoch 20. storočia sovietsky a ruský astronóm Nikolaj Kardašov pod dojmom troj až štvorpercentného nárastu svetovej spotreby energie a pojednáva o stupni rozvoja danej civilizácie.

Ako uvádza prvá termodynamická veta, z fyzikálneho hľadiska každá mechanická práca (rozumej napríklad pohyb), je spôsob výmeny energie s okolím a to buď formou objemovej práce, alebo tepelnej výmeny a často aj súbežne. Obvykle sa nad týmto faktom vôbec nepozastavujeme. Energiu premieňame kontinuálne. Jej premena s veľkou pravdepodobnosťou stojí za pokrokom v rozvoji “nášho” druhu. Zakladanie ohňa, zvyšovanie teploty v jaskyni, svetlo v tmavých miestach, ochrana pred divou zverou, konzervácia potravín a mnoho iných benefitov premeny slnečnej energie uchovanej v dreve (na svetlo a teplo) nás priviedlo k prvým elementárnym fyzikálnym poznatkom. Ako sa ukazuje v civilizačnej teórii, schopnosť premieňať energiu vlastnej planéty je znakom dospievania civilizácie. Podľa Nikolaja Kardašova sa sú pravdepodobné tri úrovne civilizácie, pričom už úroveň 2 je z pohľadu našej doby dosť absurdná, nakoľko predpokladá kompletné využitie energie našej hviezdy. Úroveň 1 predpokladá kompletné využitie energie domovskej planéty, a jeho predpoklad hovorí, že približne v roku 2030 sa dostaneme na 0,73% úrovne 1. Táto rovnica má však viacero činiteľov. Jedným z nich je schopnosť prekonať fázu sebalikvidácie a to či už v zmysle ekologickej, alebo sebalikvidácie vzájomnej1. Ďalším faktorom je istá miera “múdrosti”2, ktorá predpokladá uprednostnenie dlhodobého prežitia človeka ako druhu, pred relatívne krátkodobými komerčnými benefitmi zo získavania a hlavne využívania neobnoviteľných zdrojov. Pri axióme “čo kupuješ to podporuješ” presúvame pomyselnú vinu z ropných, uhoľných či kobaltových magnátov na každého človeka, ktorý kedy letel, šoféroval, mal mobilný telefón, pil z plastovej fľaše atď. Týmto zamyslením sa otvára otázka spoločnej zodpovednosti, významu jednotlivca a jeho individuálnej potreby a spotreby. V rámci trochu bizarnej oscilácie medzi etikou a fyzikou sa teda vráťme k exaktnejším a výrazne merateľným hodnotám.

 

Ako ukazuje graf z roku 2018, spôsob premeny energie, resp. jej koncentrácie na planéte reflektuje viac komerčné, než existenčné riešenia. Energetické zdroje hodnotíme pomerom rôznych faktorov, pričom za najdôležitejšie sa nám zdajú tie, ktoré dokážu vyrobiť čo najviac energie s čo možno najmenším úsilím. Zo štatistického pohľadu využitia planéty teda napĺňame koeficient vyspelosti civilizácie, z pohľadu udržateľnosti života vytvárame absurdnú situáciu. Vraciame sa k neefektívnemu spaľovanie biomasy 2,4%, ktorá bola zvrhnutá a vytlačená uhlím, ktorým zároveň stále vyrábame 38% svetovej produkcie elektrickej energie. V tesnom závoze nastupuje neobnoviteľný zemný plyn, a s 10,1% pokračuje energia z jadra. Všetky spomenuté zdroje, majú spoločné okrem produkcie rôznych druhov emisii a odpadov hlavne produkciu tepla.

Žijeme v dobe rozbiehajúcich sa kvantových počítačov či prieskumu ďalekého vesmíru, zároveň obchodujeme s kvótami na splodín CO2 v atmosfére. Je teda ťažké definovať ako hlboko rozumieme fyzike, na čo poukazuje aj skutočnosť, že zákonne, formálne a už vôbec nie prakticky neberieme do úvahy tepelné rezidua, ktoré pri premene energií vznikajú. O následkoch kumulovaného tepla vieme veľa, napriek tomu sa nezaoberáme jeho priamou produkciou. V tomto momente sa dostávame k menej efektívnym a tzv. pomalým zdrojom. Zmena fungovania ľudskej komunity nie je schopná radikálne obmedziť spôsob akým energiu získava, keďže okrem okamžitých existenčných problémov, by sme výrazne spomalili vývoj, výskum, kultúru a takmer všetko čo je základným znakom nášho rozvoja. Pribúdajú nové riešenia, minireaktory, či reaktory s výrazne vyšším energetickým výkonom, ktoré dokážu využiť už raz spotrebované jadrové palivo. Máme stále nedosnívaný sen o studenej fúzii, ktorý by radikálne vyriešil energetickú krízu. Čiastočným, ale na druhej strane funkčným a úplne reálnym riešením, je istý návrat k princípom “gazdovského” rozumu.

V prvom rade chcieť “menej”. Menej vyhrievať, v noci spať a menej svietiť, menj baliť, menej prenášať z miesta na miesto, mnoho iných drobných a takmer zanedbateľných, obmedzení nášho komfortu. Ak už nedokážeme obmedziť produkciu tepla, druhým princípom by mohlo byť využívanie reziduálnych energií. Prebytkové teplo ju sústavne uvoľňované energetickým, hutným či strojným priemyslom. Exajouly vyprodukované ako vedľajší produkt premenené na lokálne vykurovacie systémy, recyklované teplo v agrorezorte a pod. Je vypočítané, že množstvo reziduálneho tepla na Slovensku prevyšuje komplexnú tepelnú spotrebu domácností. Tretím, zdanlivo absurdným princípom, by mohlo byť obmedzenie transformovania a prenosu energie.

Existuje úplne reálna schéma, kedy by sme napríklad prevod hydroenergie na elektrickú, jej transfer a následnú premenu na mechanickú prácu stroja – napríklad “cutter” formátovacej píly na primárne delenie reziva, vedeli obísť a historicky overeným spôsobom poháňať stroj mechanicky. Zvoz suroviny k stroju je v tomto prípade identická položka. Tento proces by mohol fungovať pre mnoho segmentov maloprevádzok rôzneho strojného či agro rezortu.

Málo využívané energetické zdroje a koncepty

prílivová elektráreň

 

elektráreň typu waveline

 

 

Fyzika vo mediartových inštaláciách

Reziduálne teplo / Atmosferické svetlo

Vizuálny zážitok, malý zázrak v dlani či na stole, chvíľa, kde sa končí očarenie z estetiky a myseľ sa začína presúvať zo sféry miznúceho okamihu do úvah nad naším vzťahom k svetu. Malý „večerný“ happening, vo chvíli stíšenia, keď prestúpi človeka únava po celodennej bdelosti a otvára sa priestor pre vnímanie prchavých okamihov. Náplasť na naše ekologické svedomie prichádza vo chvíli, kedy sa energia horúcej vody chladnúceho nápoja premieňa na malé svetielko. Neviem presne žánrovo zaradiť tento drobný experiment, ale určite osciluje niekde medzi light artom, happeningom, dizajnom a prácami na pomedzí art & science. Je to komorné, funkčné, milé a v neposlednom rade ekologicky orientované gesto. Krátke vizuálne „haiku“ o skrytých možnostiach známych technológií. O nevyužívaných možnostiach zostatkových energií všade okolo nás. Teplo, ktoré naša
následok globálne narušenie klímy. Je to daň za komfort, v ktorom žije výrazná časť ľudskej populácie. Je to pravdepodobne priamy dôsledok toho, že sme ovládli isté technologické možnosti skôr, než sme si stihli uvedomiť ich dopad.

Narušenie energetických kauzalít rástlo exponenciálne (geometrickým radom) s nárastom obyvateľstva. Táto „termálna“ skutočnosť je všeobecne známa, v podstate akceptovaná a neprikladá sa jej taká vážnosť ako napríklad produkcii uhlíkových plynov, plastov či komunálnych odpadov. Paradoxné je však to, že zahrievanie atmosféry má napríklad za následok hromadné uvoľňovanie CO2 z minerálnych vôd a ľadovcov, ktoré tvorí percentuálne omnoho významnejší podiel z celkového množstva CO2. Aj keď obsah CO2 v atmosfére je približne len 0,0407 %, jeho koncentrácia v horných vrstvách spôsobuje tzv. skleníkový efekt, teda zadržiavanie tepla v atmosfére, čo cyklicky spôsobuje jeho väčšie uvoľňovanie atď. Dostávame sa teda k problému sliepky a vajca, ktorý okrem svojho periodického ne-riešenia prináša celkom pragmatickú otázku, čo s tým vieme spraviť. Už pred rokmi som mal možnosť polemizovať na textami Erazima Koháka či Pierre Teilharda De Chardina, ktoré oscilovali od úplnej rezignácie k významu jednotlivca, až po úplnú osobnú zodpovednosť za všetko, čo sa okolo nás deje. Po viacerých konfrontáciách, úvahách a nezabudnuteľnej prednáške pána Františka Simančíka v rámci vedeckej kaviarne v Košiciach, som na jednej strane pochopil istú komplexnú bezmocnosť v riešení tejto situácie, na strane druhej sa ozvalo ješitné umelecké a bezostišné „Ja“. Takto posmelený som sa rozhodol vytvoriť memento, malú vizuálnu pripomienku zhmotnenú v priestore. Ako výtvarník profesionál a fyzik amatér sa moje vysvetlenie technologického riešenia bude zdať triviálne profesionálom a pravdepodobne zložité laikom, ale pokúsim sa vysvetliť to tak, ako som tomu porozumel v čase skúmania a hľadania možností pre svoj plán. Úplne na začiatku, skôr než boli empirickým výskumom opísané vzťahy elementárnych častíc, boli pri odhalení dnes už známeho „termoelektrického chladenia“ traja fyzici. Asi najslávnejší z nich bol lord Kelvin, ktorý v tomto príbehu vystupuje pod vlastným menom William Thomson (1824-1907). Druhý, ktorého vynález je súčasťou nášho transformeru, je Jean Charles Athanase Peltier, ktorý v roku 1834 prišiel na to, že ak vedieme elektrický prúd dvoma rôznymi spojenymi vodičmi, vieme generovať chlad a teplo. Tretím a v tejto zostave
najdôležitejším, je August Seebeck, ktorý o niečo skôr zistil inverzne to, že spojením dvoch rôznych vodičov a ich následným zahriatím a ochladením vzniká magnetizmus. Neskôr bolo jeho zistenie doplnené, resp. správne interpretované a namiesto termo magnetického efektu pomenované ako termoelektrický jav.

Pre lepšie porozumenie by sme nemali obísť ani profesora Nikolaja Beketova, ktorý okolo roku 1860 zoradil takzvaný redoxný rad (redukčno-oxidačný rad). Stupnicu, ktorou rozdelil kovy podľa ich schopnosti odovzdávať (redukovať) alebo prijímať (oxidovať) elektróny iných kovov na takzvané ušľachtilé a neušľachtilé kovy. Určite pri každom spomenutom jave by sme sa mohli pristaviť dlhšie a niekde so zármutkom premýšľam, prečo som sa tieto veci nedozvedel nejakou pútavou na základnej škole. Verím, že dnes je doba v tomto ohľade priaznivejšia. Pre pokračovanie v príbehu však postačí, ak spomeniem, že ak spojíme kov z hornej časti stupnice (nad vodíkom) napríklad hliník, s kovom z dolnej časti, napríklad meď, vieme si vytvoriť veľmi jednoduchý  ermoelektrický článok. Množstvo takto premenenej energie je príliš vygenerujú množstvo, ktoré vieme efektívne skoncentrovať. Tu prichádza na scénu malá elektrická pumpa, ktorá pomocou indukčnej cievky, kondenzátora, regulátora, usmerňovacej diódy a rezistora vytvára malý obvod – napeťový menič. Podľa toho, ako dokonale sa podarí spojiť dno pohára s peltierovým článkom a chladičom, tento elektrický obvod približne v rozsahu od 7 do 15 sekúnd naakumuluje dostatočné množstvo elektriny na rozsvietenie LED diódy. Toto svetielko následne svieti 9 až 15 minút, podľa toho ako teplo je v priestore, kde si nápoj do pohára zalejeme. Pri hľadaní finálneho vizuálneho riešenia pre tento mikroexperiment som zohľadňoval širšie vzťahy našej odpadovo technologickej situácie. Cesta k tepelnému zdroju bola relatívne jednoduchá, keďže pohár s horúcim nápojom je vec veľmi bežná. V snahe nájsť niečo vhodné na chladenie som teda začal hľadať, niečo čo je materiálovo vyhovujúce. V roku 1853 Wiedemann a Franz zistili, že tepelná vodivosť kovov je priamo prepojená na ich elektrickú vodivosť, takže odpoveďou sa mi stala meď alebo hliník ako najčastejšie používané vodiče. Meď som našiel v rôznych zväzkoch a transformátoroch vo veľmi rozptýlenom stave. Oproti tomu hliník je súčasťou mnohých odliatkov a kompaktných tvarov, pričom na môj účel , niečo podobné rozmeru pohára, sa ukázal ideálny motorový piest. Kopa materiálu v oválnom tvare s priemerom okolo 8cm. Menej známa je skutočnosť, že náklady na recykláciu hliníka predstavujú približne len 10% nákladov na jeho primárnu výrobu. O to viac ma potešil fakt, že nepotrebujem kov recyklovať (teda pretaviť ho do inej formy) ale viem ho “upcyklovať”, teda dať existujúcemu objektu nový funkčný kolobeh. Po očistení a jemnom sústružení sa odhalil striedmy monolitický tvar s ideálnym rozmerom a obrovskou tepelnou vodivosťou. S trochou šťastia sa veľmi rýchlo dal premeniť na akýsi podpivník, ktorý cez pôvodné montážne otvory rozsvieti priestor okolo seba. Druhou adaptáciou je hliník, ktorý som našiel v odpadových kusoch pri CNC výrobe. Vypálene “puky” – niekdajšie výplne otvorov, som vložil do obalu z recyklovaného papiera.

  

Poetické, technokratické či filozofické úvahy, krátke fragmenty myšlienok sa stali cestou prúdiaceho svetla cez vyseknuté otvory v plášti, ktorý ukrýva celú technologickú časť. Prenikajú sa na stenách galérie, skladajú nesúrodé “haiku” kompoície, postupne hasnú a rozsvecujú sa na mini happenigoch, kde si každý účastník v závere vypije čaj, ktorého prebytočné teplo neunikalo bezbreho do atmosféry, ale na krátku chvíľu sa premenilo na vizuálny zážitok.

Light Kite / Autonómny svetelný šarkan

Šarkan je objekt na hranici medzi vizuálnym zážitkom, zábavou a ekologickým mementom. Je vyrobený z ultra ľahkých materiálov tak, aby bol schopný vzlietnuť aj s váhou elektroniky, ktorá napĺňa koncepciu využívania ekologický energií, v tomto prípade vetra. Podobne ako príklad svetla generovaného z reziduálneho tepla, aj šarkan je na prvý pohľad zostavený na
veľmi jednoduchej elektrickej schéme – fyzike. Vietor – vrtulka – svetlo.

Celková vizuálna koncepcia (rozmer, intenzita žiarenia a pod.) je však podmienená precíznym kalibrovaním a vzájomnou súčinnosťou mnohých faktorov. Napriek nie jednoduchému prototypovaniu, skúškam a mnohým nezdareným pokusom, najzaujímavejším momentom šarkana je jeho autómna elektrická funkčnosť, ktorú deklaruje na nočnej oblohe. Ako funkčný objekt symbolicky spaľuje energiu ktorú sám vytvára, čím sa jeho účelnosť stráca. Zo symbolického – výtvarného pohľadu je však jeho energetická samostatnosť výrazne motivačná v proporcii medzi vynaloženou prácou a energetickým benefitom. Let šarkana je veľmi podobný letu lietadla. Zdá sa nemožné aby sa objekt z kovu s váhou niekoľko ton zdvihol k oblohe. Kľúč je v pomere medzi váhou a rýchlosťou, ktorá generuje vztlak.

 

Pri správnom tvare (čím väčšia plocha) a uhle voči prúdiacemu vetru sa dokáže ľahko vzniesť. Pre získanie čím väčšieho energetického zberu z vetra, ktorému je šarkan prekážkou v prúdení, bola zachovaná maximálna kompaktnosť prednej plochy. V miestach osadenia vrtúľ turbín boli všité sieťky, ktoré koncentrovaný tlak smerujú na ultra ľahké textilné lopatky osadené zo zadnej strany šarkana, rovnako ako riadiaci plošný spoj, batéria frekvenčný menič a elektroluminiscenčný drôt. Vrtuľa roztáča štandardný modelársky DC motorček, ktorý pri inverznej funkcii neslúži na vykonávanie pohybu, ale elektricky inverzne energiu vyrába a dobíja batériu. Je to proces podobný rekuperčnému brzdeniu pri elekromobiloch. Riadiaca jednotka (plošný spoj) zabezpečuje niekoľko paralelných funkcií. Reguluje nabíjanie a chráni batériu pred úplným vybitím, cyklicky animuje – prepína obvody  elektroluminiscenčných neónov, napája frekvenčný menič, meria energetický príkon a reguluje odber z turbíny. Pri dlhšom prototypovaní sme zistili, že je výrazný rozdiel medzi výkonom dosiahnutým vo výškach ako pri prízemnom vetre.

Pre vzlet šarkana je potrebné, aby ho turbíny neobmedzovali. Vrtule, ktoré už pri minimálnom pohybe šarkana okamžite reagujú svojím rozkrútením, sú v momente odberu elektrickej energie elektromagneticky brzdené, preto elektronika meria ich výkon a nabíjanie batérie sa spustí až v momente keď je šarkan v dostatočnom výkone, teda v predpokladanej dostatočnej výške. Keďže elastické neónové drôty svietia až pri 108 voltoch, je potrebný ešte prevod z relatívne nízkej voltáže dosiahnutej priamo DC motorčekom. Nosné časti pre zavesenie turbín a vrtúľ sú vyrobené ako skladačka z číreho polykarbonátu. Pomocou CNC frézy sú perforované a odľahčené na hranicu znesiteľnej konštrukčnej pevnosti. Šarkan bol vytvorený v dvoch základných tvarových variantách Delta a Rokkaku, ktoré maximalizujú plochu a zvyšujú pomer vztlaku oproti hmotnosti.

Pri zlých veterných podmienkach lepšie reaguje model Delta, v prudkom vetre sa ľahšie ovláda Rokkaku, ktorý dokáže hodiny lietať bez potreby ovládania človekom. Model delta na sebe nesie fiktívny pohyb krídel vtáka alebo anjela, ktoré sa animujú prepínaním obvodov luminiscenčných drôtov. Model Rokkaku sa sympolicky pohráva so zrkadlením nápisov EGO vs ECO. Pochopiteľne, mohli by sme šarkana použiť len ako kumulačný objekt, v prípade odstaveného svetelného okruhu, je možné k nabitej batérii napojiť USB konektor podobne ako k napäťovej banke a použiť ho na nabitie smartfónu alebo tabletu. V tejto konfigurácii by bol šarkan vhodným nástrojom napríklad turistickej výbavy, alebo jednoduchým energetickým zdrojom v oblastiach s nedostatkom príležitosti pre čerpanie solárnej enrgie.

 

ĎAKUJEM ZA POZORNOSŤ

links: