4

Energetyka i produkcja

Górnictwo

Ropa naftowa: poszukiwania Ropa naftowa: wydobycie

Elektrownie

Energetyka jądrowa

Energetyka jądrowa: nowe rozwiązania

Odnawialne źródła energii: Słońce i wiatr

Odnawialne źródła energii: Ziemia

Przesyłanie energii elektrycznej

Mosty

Tunele

Drapacze chmur

Produkcja papieru

Produkcja układów scalonych

Roboty Utylizacja odpadów

100 Górnictwo

W jaki sposób wydobywa się bogactwa naturalne

Kopalnictwo jest głównym elementem ludzkiej cywilizacji: bogactwa naturalne, uzyskiwane przez człowieka w różnych momentach jego rozwoju (kamień czy żelazo), wyznaczają okresy kulturowe w historii ludzkości. Obecnie górnictwo rozwinęło się na skalę szerszą niż kiedykolwiek przedtem: co roku na świecie wydobywa się około 4 miliardów ton węgla, a w pojedynczych kopalniach, takich jak na przykład odkrywkowa kopalnia miedzi w Bingham Canyon w stanie Utah, co dzień wydobywa się 270 0001 rudy i skały płonnej (odpadów skalnych). Zarówno w kopalniach podziemnych, jak i odkrywkowych nowe urządzenia techniczne i wzrastająca mechanizacja wydobycia stale podnoszą jego wydajność.

Przemysł światowy jest uzależniony od blisko osiem­dziesięciu minerałów, wśród których są zarówno minera­ły powszechne, takie jak żelazo, miedź czy wapień, jak również minerały rzadziej spotykane, takie jak platyna czy molibden. Wynaleziono wiele różnych sposobów wydobywania tych minerałów, umożliwiających uzyski­wanie ich z różnych miejsc i środowisk, w których wy­stępują złoża.

Najłatwiej i najtaniej wydobywa się minerały z kopal­ni odkrywkowych: w kopalniach takich uzyskuje się ponad 80% wszystkich minerałów (z wyjątkiem ropy i gazu), wydobywanych w Stanach Zjednoczonych. W najprostszych kopalniach tego rodzaju minerał jest po prostu czerpany (w wypadku rud lekkich) lub wysadzany i wydobywany (w wypadku rud ciężkich) z odkrywki za pomocą ciężkiego sprzętu. W miarę powiększania się wyrobiska w jego ścianach tworzyć można tarasy (wyci­nać stopnie), dzięki czemu wzrasta stabilność tegoż wy­robiska, a także możliwe staje się prowadzenie wydoby­cia w wielu częściach kopalni jednocześnie.

Warstwa po warstwie

Podczas gdy kopalnie z wyrobiskiem nieckowym nadają się do wydobywania minerałów z rozległych i głębokich złóż, znajdujących się blisko powierzchni ziemi, bogac­twa naturalne w pokładach stosunkowo płytkich, ale o dużej powierzchni, wydobywa się w kopalniach o wy-robiskach tarasowych. Ten sposób wydobycia jest przede wszystkim stosowany przy wydobywaniu węgla. Przy wydobyciu z wyrobiska tarasowego materiał wierzchni, zwany nadkładem lub odkładem gruntu, jest usuwany za pomocą buldożerów warstwa po warstwie, aby odsłonić złoże. Minerał jest następnie kruszony i wydobywany na zewnątrz za pomocą ogromnych koparek zgarniakowych, o pojemnościach łyżek dochodzących do 180 m3.

Pod ziemią

Tam gdzie nadkład gruntu ma ponad 30 m grubości, wydobywanie odkrywkowe surowca staje się nieeko­nomiczne, a więc jest on wydobywany w kopalniach podziemnych. Wszystkie operacje związane z wydo­byciem podziemnym rozpoczynają się od wywierce­nia lub wykopania otworu wejściowego do kopalni. Wejściem tym często jest pionowy otwór, czyli szyb średnicy 7-8 m, wyposażony w urządzenia do wycią­gania zainstalowane na powierzchni. Drogą prowa­dzącą do znajdującego się pod ziemią wyrobiska może także być sztolnia - prawie poziomy korytarz wydrą­żony w zboczu wzgórza lub góry - lub łagodnie na­chylona pochylnia spiralna. Sztolnie i pochylnie są wygodniejszą drogą dostawania się do kopalni niż szyby, gdyż umożliwiają wywożenie wydobywanego surowca z kopalni ciężarówkami, bez konieczności uciekania się do urządzeń wyciągających. Od szybu lub sztolni odchodzą poziome korytarze zwane pozio­mami, które służą jako drogi komunikacyjne dla gór­ników, sprzętu i transportu wydobywanego minerału. Popularnym sposobem uzyskiwania surowców mine­ralnych jest wydobywanie komorowo-filarowe, w którym

Wydobycie siarki

Siarka jest istotnym surowcem w wielu reakcjach chemicznych Można ją uzyskiwać ze złóż na głębokości większej mz 300 m dzięki pomysłowej metodzie wydobywania jej w postaci ciekłej zwanej procesem Frascha [A] Metoda ta wykorzystuje niską temperaturę topnienia siarki (119°C)

surowiec wybiera się, pozostawiając puste komory; strop podtrzymują pozostawione filary. Ten sposób wydobycia nadaje się w szczególności do wydobywania węgla, gdyż występuje on często w poziomych złożach otoczonych mocną ścianą skalną. Jednakże wiele surowców wystę­puje w postaci pochyło opadających żył. Konieczne jest wtedy zastosowanie innego sposobu wydobycia, takiego jak na przykład wybieranie podpoziomowe. W tym spo­sobie wydobywania górnicy drążą podpoziomy - pozio­me korytarze przecinające złoże. Następnie złoże wysa­dza się i wybiera surowiec, w wyniku czego powstaje jaskinia, czyli przodek ustępliwy. Wraz z postępującym wydobyciem pokruszone wybuchami kawałki minerału spadają na dno przodka, skąd są zbierane.

Jeśli ściany kopalni (lub samego złoża) są słabe lub prace wydobywcze prowadzi się na większych głębo­kościach (gdzie działa duże ciśnienie), kopalnia musi być wzmacniana i zabezpieczana podczas wydobycia. Takiemu wzmacnianiu służy stosowanie stojaków hy­draulicznych i odrzwi lub po prostu wypełnianie przodków różnymi materiałami odpadowymi, na przykład piaskiem czy odpadami przemysłowymi.

Płynne walory

Siarka występuje naturalr [A], często w postaci two zwanych słupami solnymi skalnych brył zawierający chlorek sodu i gips [1] W procesie Frascha wyko się odwierty [2] w skałac) i do otworu wprowadza ti koncentryczne rury Wodc pod ciśnieniem, ogrzana t temperatury 155°C, przepuszczana jest przez zewnętrzną rurę [4] Gdy woda wypływa z rury, to\. siarkę Sprężone powietrz tłoczone rurą wewnętrzne wypycha na powierzchnię spienioną mieszaninę stopionej siarki i wody n środkową [6] Ponad 80°/ wydobywanej na świecie siarki uzyskiwane jest w i właśnie sposób

Zobacz także Ropa naftowa 102 104 Tunele 120 Utylizacja odpadów 130 Prawa przyrody 236 240 242

sortownia węgla

załadunek węgla

Górnictwo 101

lewej) Bmgham lah której *jn średnicy ilości jest a

^anach Inne metale

-^ uran oraz

- ak a best ro\\ nie są am sposób n skii

lec w\dobywa jrsr\\ami mi

ościach Owe u e są

mają jednak

na

Inę gdyż hałasu, pyłu

magają acji

komora

wrębiarka chodnikowa filar chodnik

szyb wydobywczy (wlotowy)

kubeł wyciągu

kierunek

przesuwania się

wrębiarka obrotowa

podpory hydrauliczne

przesuwanie podpór w głąb

przodek ścianowy

W kopalni

Kopalnia węgla kamiennego [B] jest połączona Z powierzchnią co najmniej dwoma pionowymi tunelami czyli szybami głębokości w przybliżeniu 500 m Szyb wydobywczy (wlotowy) to szyb którym transportuje się węgiel Nad jego wylotem stoi wieża szybowa na której są zamontowane urządzenia wyciągowe służące do transportowania węgla i maszyn Szyb zjazdowy (wylotowy) jest to szyb którym górnicy zjeżdżają do chodników prowadzących do przodka węglowego Pochyły korytarz prowadzi do wentylatora który wyciąga ponad 400 m powietrza z szybu zjazdowego w ciągu każdej sekundy Świeże powietrze jest pobierane przez szyb zjazdowy i rozprowadzane po całej kopalni

Głęboko pod ziemią wrębiarki chodnikowe pojazdy uzbrojone w ogromną głowicę do wrębiania wycinają chodniki dające dostęp do pokładów węgla Obecnie węgiel jest wydobywany metodą wybierania komorowo filarowego lub ścianowego Przy tej pierwszej technice wydobywczej górnicy wysadzają lub wiercą węgiel pozostawiając filary o przekroju wystarczającym do podpierania skał stropowych (zwanych ścianą wiszącą) Technika ta jest najczęściej stosowana w Stanach Zjednoczonych W systemie wybierania ścianowego górnicy używają wrębiarki maszyny zaopatrzonej w obracającą się głowicę do wrębiania która wyrąbuje węgiel z pojedynczego przodka węglowego (ścianowego) o szerokości pomiędzy 100 a 300 m Hydrauliczne podpory utrzymują ścianę wiszącą nad górnikami W miarę jak wrębiarka wyrąbuje węgiel wzdłuż przodka (z lewej na prawą) podpory przesuwane są do przodu aby chrome górników wisząca ściana znajdująca się za podporami zawala się Przenośniki transportują wyrąbany węgiel do kubłów wyciągu które z kolei są transportowane na powierzchnię

102

Ropa naftowa: poszukiwania

Jak się odnajduje podziemne złoża ropy naftowej

Uprzemysłowiony świat stale ma duże zapotrzebowanie na ropę naftową. Od czasu

gdy w 1859 roku dokonano pierwszego odwiertu, sposoby poszukiwania

i wydobywania ropy były stale doskonalone, tak by „czarne złoto" mogło płynąć

nieprzerwanym strumieniem.

Dziś geolodzy, uzbrojeni w przyrządy umożliwiające wykrywanie drobnych różnic

w natężeniu pola magnetycznego i grawitacyjnego Ziemi oraz w sejsmografy

analizujące fale dźwiękowe odbite z głębi skorupy ziemskiej, mogą wykrywać

prawdopodobne położenie złóż ropy naftowej. Jednakże nadal tylko przez

wiercenia można ostatecznie ustalić, czy rzeczywiście pod ziemią jest ropa.

Dzisiejszy, obracający wieloma miliardami dolarów przemysł naftowy swymi korzeniami sięga wydarzeń sprzed dziesiątków milionów lat. Pradawne morza obfitowały w mikroskopijne rośliny i zwierzęta, po­dobne do planktonu występującego w dzisiejszych oceanach. Obfite szczątki tych organizmów opadały na ubogie w tlen dna nieruchomych basenów osado­wych, gdzie tworzyły bogaty w związki organiczne muł. Przez tysiąclecia muł ten był przykrywany i ści­skany przez kolejne warstwy osadów, a substancja organiczna przekształcała się w złożoną mieszaninę węglowodorów - ropy naftowej i gazu.

Przykrywanie kolejnymi warstwami wypchnęło ropę ze skał, w których powstała, w kierunku obsza­rów niższego ciśnienia na krawędziach basenu osa­dowego. Tu węglowodory weszły w gruboziarniste piaskowce i dziś to właśnie w tego typu skałach zalega około 60% światowych zasobów ropy i gazu. Złoża tworzą się tylko tam, gdzie skały roponośne są przykryte nieprzepuszczalną warstwą soli, gipsu lub iłowców; warstwa ta zatrzymuje ropę i zapobie­ga jej dalszemu przemieszczaniu się. W niektórych regionach odpowiednie połączenie skały macierzy­stej, złoża i nadkładu skalnego dało w rezultacie po-

Radania dźwiękiem

Badania sejsmiczne śluzą wykrywaniu złóż ropy nie tylko pod ziemią, ale także pod dnem morskim [C]. Echosonda wysyła fale dźwiękowe przez wodę. w kierunku skały na dnie. Odbity dźwięk jest rejestrowany przez sznur podwodnych mikrofonów, które ciągnięte są przez statek badawczy. W podwodnych mikrofonach dzięki kryształom piezoelektrycznym wchodzące fale dźwiękowe zamieniane są na sygnały elektryczne. Te z kolei są komputerowo obrabiane i tak powstaje cyfrowa mapa złoża ropy (z prawej). Odbicia dźwięku wykorzystuje się także do mierzenia sonarem głębokości wody, pod którą występuje złoże.

la naftowe zawierające ponad 500 000 000 (jedna baryłka to 159 1).

Odnajdywanie złóż ropy naftowej zalegający cl głębokościach dochodzących do 5 km nie jest łal Zdjęcia lotnicze i satelitarne mogą wskazać na stepowanie złoża ropy, a konwencjonalne bad; geologiczne doprowadzą do wykrycia tworów s nych zwykle występujących w obszarach ropoi nych. Jednak najpierw konieczny jest dokładny raz głęboko położonych warstw skalnych, czyli kładów. Taki obraz uzyskuje się dzięki badań sejsmicznym.

Dźwięk wytwarzany jest na powierzchni ; przez zdetonowanie ładunku wybuchowego, i przez wprowadzenie w drgania obiektu o dużej się. Fale o niskiej częstotliwości z kompresją arr tudy przemieszczają się w skale, ale są częścii odbijane, kiedy docierają do granicy pomiędzy d^ ma warstwami. Odbite dźwięki są rejestrowam pomocą czujników, czyli geofonów, gęsto rozmi

Złoże ropy

Złoża ropy mogą się znajdować w wielu formacjach geologicznych, ale większość ropy na świecie występuje w złożach siodłowych [A]. W takim złożu wygięcie skał tworzy kopułę przykrytą nieprzepuszczalną warstwą, która więzi przemieszczający się w górę gaz i ropę. Złoża siodłowe mogą być ogromne -długie na setki kilometrów i wysokie na tysiące metrów. Mimo iż znajdują się pod powierzchnią Ziemi, mogą być wykrywane dzięki pomiarom lotniczym i satelitarnym. Dzieje się tak dlatego, że wypychają w górę znajdujące się ponad nimi skały, ulegające na powierzchni nierównomiernej erozji, w rezultacie czego powstaje układ współosiowych pierścieni. Siodło jest także przyczyną lokalnych zmian pola magnetycznego Ziemi, które na powierzchni można wykryć za pomocą magnetometru. Ropa naftowa często występuje w piaskowcach [B], gdzie wypełnia szczeliny w skale -niewielkie przestrzenie pomiędzy ziarnami kwarcu. Każde ziarenko kwarcu otoczone jest cienką warstewką wody, działającej jak substancja smarująca, dzięki której ropa może przemieszczać się w skale.

B

ziarenko kwarcu

BB złoża ropy naftowej

[ | złoża gazu

[^ ~] piaskowiec

(^ fale emitowane przez sonar

droga rozchodzer fal dźwięki

—— mikrofony podwc

Zobacz także: Ropa naftowa: wydobycie 104 Elektrownie 106 Inżynieria chemiczna 184 Rafinacja ropy naftowej 186 Prawa przyrody 218 222 228 230

Obiecujące poszukiwania

Elementem skrawającym w odwiercie poszukiwawczym [D] jest nabijana diamentami koronka wiertnicza, zamocowana na długim ciągu stalowych rur Cały ten ciąg, który może ważyć ponad 100 t, jest obracany z prędkością dochodzącą do 200 obrotów na minutę za pomocą układu silników wysokoprężnych, połączonych układem przekładni Z obrotnicą [E] Każdy odcinek rury w ciągu ma 9 m długości oraz odo do 17 cm średnicy w miarę jak wiertło wdziera się coraz głębiej, ciąg przedłuża się kolejnymi odcinkami Do podnoszenia rur i właściwego ich zamontowania konieczny jest wysoki żuraw masztowy Stalowa rura wiertła jest stale naprężona za pomocą obciążonych kołnierzy kołnierze te ułatwiają utrzymywanie właściwego kierunku ruchu wiertła w skale

Ropa naftowa: poszukiwania 103

czonych dookoła miejsca wybuchu. Uzyskane infor^ macje zostają zapisane w formie cyfrowej i przeka­zane do procesora o dużej mocy obliczeniowej, któ­ry na ich podstawie tworzy dokładny trójwymiarowy obraz układu warstw w badanym miejscu.

Badania głębokie

Przeprowadzanie pomiarów sejsmicznych jest ko­sztowne i czasochłonne, gdyż przebadanie typowego obszaru o powierzchni 200 km2 może trwać nawet sześć miesięcy. Ale warto na takie pomiary poświęcić i czas, i pieniądze, zważywszy na to, że koszt wykona­nia odwiertu to miliony dolarów.

Gdy odkryty zostanie obiecujący obszar roponośny, wierci się najpierw otwór badawczy. W początkowych latach poszukiwań ropy naftowej otwory wiertnicze były „wybijane" poprzez wielokrotne spuszczanie na ziemię ciężkiego narzędzia tnącego, czyli wiertła, ale obecnie otwory te wierci się za pomocą wirujących metalowych koronek wiertniczych, wzmocnionych diamentowymi zębami. Koronki te mogą różnić się między sobą pod względem szybkości obrotów, kształtu czy też układu zębów, tak aby były najlepiej dopasowane do wiercenia danego rodzaju skały. W warunkach idealnych wiercenia mogą posuwać się w głąb z prędkością 80 m/h. Odpadki skalne są usuwane z odwiertu przez szlam - mieszaninę wody, iłów i innych substancji chemicznych, pompowa­ną w dół z powierzchni ziemi. Jeśli podczas wierceń na­trafi się na ropę, wykonuje się kolejne odwierty rozpo­znawcze, aby oszacować rozmiary złoża i jakość wystę­pującej w nim ropy. Zanim rozpocznie się wydobycie na skalę przemysłową, bardzo dokładnie rozważa się, czy takie przedsięwzięcie będzie opłacalne.

silniki wysokoprężne

odstojmki szlamu

rury

tłoczenia

szlamu

pompa tłocząca szlam

Szlam w odwiertach

Aby wiercenia przebiegały sprawnie, odpady skalne muszą być szybko usuwane z otoczenia wiertła Osiąga się to, tłocząc w dół pustymi w środku rurami ciągu wiertniczego szlam -mieszaniną wody, iłów, dodatków chemicznych i zawiesiny (złożonej z bardzo różnorodnych składników, począwszy od skorupek orzechów, a skończywszy na płatkach miki) Lepki szlam wydostaje się z otworów w wiertle i z powrotem przemieszcza się w górę odwiertu, unosząc ze sobą na powierzchnię odpady skalne [F] Na powierzchni szlam wpompowywany jest do zbiorników, gdzie oddziela się od niego wyniesione z odwiertu odpady skalne Są one badane przez geologów w poszukiwaniu śladów obecności ropy, a oczyszczony szlam jest ponownie wtłaczany do ciągu wiertniczego i wykorzystywany do wydobywania odpadów skalnych

Szlam smaruje i chłodzi koronkę wiertniczą a także utrzymuje ciśnienie w otworze, co stanowi zabezpieczenie jego ścian przed zapadaniem się, zanim zostaną wzmocnione stalową obudową Szlam zapobiega także wytryskiwamu ropy z odwiertu podjej naturalnym ciśnieniem

104

Ropa naftowa: wydobycie

Niespokojne wody (z prawej) Wzrastającej liczbie przewozów ropy towarzyszy rosnąca liczba wycieków. Na morzu rozprzestrzenianie się rozlanej ropy powstrzymuje się za pomocą pływających zapór; następnie ropa jest wypalana, odzyskiwana chemicznie, dyspergowana lub ekstrahowana. Zastosowanie takich środków pomaga w zmniejszaniu powstałych zniszczeń ekologicznych.

Wypływ ropy

Kiedy naturalne ciśnienie złoża spada, aby utrzymać ciągłość wydobycia, konieczne staje się pompowanie ropy w górę. Na lądzie najprostszym sposobem jest zastosowanie pompy wgłębnej żerdziowej [A], w której „kiwająca się" żerdź [1] została przymocowana do nurnika [2], zanurzonego w cieczy w odwiercie.

Jak się wydobywa ropę i jak sieją transportuje

Wznosząca się na 270 m ponad dnem burzliwego Morza Północnego platforma wiertnicza Statfjord B jest jedną z największych i najbardziej godnych podziwu konstrukcji, jakie kiedykolwiek zbudowano. Ta betonowo-stalowa budowla, która waży więcej niż obie wieże nowojorskiego World Trade Center, zawiera całe wyposażenie niezbędne do wykonywania odwiertów w dnie morskim i wydobywania z nich 150 000 baryłek ropy dziennie. Platformy wydobywcze, takie jak Statfjord B, a także te, w których prowadzi się wydobycie na lądzie, stanowią pierwszy krok w długiej drodze, jaką ropa - i wytwarzane z niej produkty - musi przebyć z odległych podziemnych pól do użytkownika.

Większość wydobywczych szybów naftowych i wszystkie szyby gazowe rozpoczynają swoje funk­cjonowanie jako odwierty samoczynne - odwierty, w których występujące pod ziemią ciśnienie jest wy­starczające do wypchnięcia tych węglowodorów na powierzchnię. Oznacza to, że na lądzie przekształce­nie odwiertu poszukiwawczego w odwiert wydobyw­czy jest proste. Zespół wiertniczy zwany ciągiem wyj­muje się z odwiertu, którego ściany są wzmacniane powłoką ochronną. Na wierzchołku odwiertu instaluje się układ zaworów, urządzeń pomiarowych i połączeń rurowych zwany głowicą eksploatacyjną, mającą za zadanie kontrolowanie wypływu ropy i sterowanie nim. W końcu tak długo zmniejsza się obciążenie szla­mem wiertniczym - lepkim płynem wtłaczanym w od­wiert podczas wiercenia - aż naturalne ciśnienie ropy wypchnie ją na powierzchnię ziemi. Osiąga się to czę­sto przez zastosowanie pomp wgłębnych żerdzio­wych - „kiwających głowami osłów", które znaczą krajobrazy Teksasu i Środkowego Wschodu. W nie­których wypadkach ciśnienie złoża jest utrzymywane sztucznie przez wtłaczanie wody lub sprężonego gazu przylegającymi otworami zasilającymi.

Wiercenia podwodne

Około jednej trzeciej światowych zasobów ropy pocho­dzi z podmorskich pól naftowych, z których większość położona jest w Zatoce Perskiej, na Morzu Północnym i w Zatoce Meksykańskiej. Dzięki nowoczesnym urzą­dzeniom, ułatwiającym prowadzenie działań pod wodą, możliwe jest wykonywanie odwiertów w wodach o głę­bokości ponad 1000 m, choć stałe platformy wydobyw­cze zwykle pracują na wodach płytszych niż 400 m. Współczesne platformy mogą obsłużyć do 60 odwiertów wydobywczych; część z nich znajduje się bezpośrednio pod platformą, pozostałe zaś są od niej oddalone, ale połączone z nią rurociągami leżącymi na dnie morza. Dzięki tym odwiertom-satelitom możliwe jest wydoby­wanie ropy z niewielkich przylegających pól naftowych przy minimalnych kosztach.

Nowe techniki wiercenia kierunkowego także zwiększyły wydajność wydobycia. Zamiast prowa­dzić wiercenia pionowo, inżynierowie mogą teraz „nakierowywać" koronkę wiertniczą na namierzone złoże ropy, położone nawet o kilka kilometrów od wieży wiertniczej. Wiercenie kierunkowe nie tylko pozwala na rzadsze rozmieszczenie platform, ale na­wet prowadzi do zwiększenia ilości wydobywanej ro­py. Dzieje się tak dlatego, że złoża ropy mogą być na kilka kilometrów szerokie, lecz tylko na kilka metrów głębokie, a więc odwierty poziome pozwalają na do­tarcie do znacznie większej ilości ropy niż odwierty pionowe.

Wypływ ropy można zintensyfikować przez zwię­kszenie przepuszczalności skały, w której ropa się znajduje. Kiedyś do rozbijania skały macierzystej uży­wano materiałów wybuchowych - obecnie służy temu wtłaczanie w odwiert płynu, zwiększającego ciśnienie hydrauliczne pod ziemią. Gdy tylko ciśnienie znajdzie

Platformy olbrzymy

Platformy stacjonarne [D] pracują na wodach morskich o głębokości do 300 m. Te ogromne konstrukcje są tym bardziej godne podziwu, iż buduje sieje na osłoniętych zbiornikach wodnych, a następ­nie holuje na morze, przy czym ich zbiorniki balastowe wypełnione zostają powietrzem. Transportowanie tych obiektów o ogromnej masie to operacja

wymagająca ogromnej gdyż siły inercji są tak wiellde. ze najmniejsza kolizja mogłabf okazać się katastrofalna w stm kach. Gdy platformy zostaną umieszczone we właściwym położeniu, ich zbiorniki balastowe są napełniane wodą i opuszczane na dno morza. Kiedy taka ogromna platforma osiada na dnie, stalowy płosze otaczający betonową podstawę wbija się w dno morskie.

Na głębokich wodach Obecnie ropę wydobywa się także ze złóż położonych na głębokości poniżej 2000 m pod dnem morza. Platformy wydobywcze na głębokich wodach - zwane podatnymi -są skonstruowane tak, aby poddawały się nieco ruchom wiatru i wody. Są przy tym lżejsze i tańsze niż platformy sztywne. W platformie na filarach podatnych [B] zbiorniki

pływakowe [3] utrzymują platformę wiertniczą na wódz Wypór hydrostatyczny wywoh rozciąganie stalowych rur [4] zakotwiczonych w dnie morskim. W skład platformy maszcie z odciągami [C] wchodzi stalowa osłona ażurowa [5], która wspiera si na dnie morskim. Odciągi przymocowane do obciąznikó pozwalają na poruszanie się w pewnym zakresie.

Zobacz także: Statki 36 Technika podwodna 38 Górnictwo 100 Ropa naftowa: poszukiwania 102 Rafinacja ropy naftowej 186 Prawa przyrody 218 222 228 230 236

maszt wiertniczy

Ropa naftowa: wydobycie 105

ujście, skała ponownie się zamyka, a więc po to, aby utrzymać otwarte przełamy skały, w otwór wpompo-wuje się środki rozpierające, takie jak kulki ze szkła

lądowisko helikopterów lub tworzywa.

Ropa w drodze

Na platformie wydobywczej przed transportem do rafi­nerii ropę oddziela się od wody i gazu. W początko­wych latach przemysłu naftowego ropę poddawano rafinacji niedaleko pola naftowego, a następnie rozpro­wadzano produkty ropopochodne. Jednakże wraz ze wzrostem zapotrzebowania na rozmaite produkty ropo­pochodne praktyczniej sze okazało się transportowanie ropy rurociągami lub zbiornikowcami do rafinerii poło­żonych bliżej dużych ośrodków miejskich.

Rurociągi są wykorzystywane do transportu ropy na lądzie, a także przy niewielkich odległościach na morzu. Rurociągiem robiącym największe wrażenie jest Rurociąg Transalaskański, łączący pole naftowe Prudhoe Bay, położone 400 km na północ od koła pod­biegunowego, z nie zamarzającym portem Yaldez, le­żącym w odległości 1000 łon na południowym wy­brzeżu Alaski. Rurociąg, którym może przepływać 2 000 000 baryłek ropy dziennie, przecina trzy pasma górskie, ponad 800 rzek i potoków, a także przechodzi przez 3 duże strefy sejsmiczne. Przy transporcie na większe odległości zbiornikowce okazują się wydaj­niejsze niż rurociągi. W rzeczywistości zbiornikowce są tak powszechnie używane, że stanowią ponad jedną trzecią światowej żeglugi handlowej. Ogromne tan­kowce mogą przewozić ładunki o masie 300 000 t, a niektóre, jeszcze większe, maj ą pojemność 500 0001.

Produkcja scentralizowana

Jedna platforma wydobywcza stanowi centrum złożonego systemu produkcji [E] Platforma ta może odbierać ropą nawet z 60 odwiertów-satelitow [1], połączonych rurociągami przebiegającymi po dnie morskim [2] Technika zwana wierceniem kierunkowym pozwala na wykonywanie odwiertów pod wieloma

rożnymi kątami [3], a nie tylko pionowo w dol - dzięki temu możliwe jest docieranie do wielu pól naftowych z jednej platformy, a także omijanie przeszkód geologicznych Ropą transportuje się na ląd rurociągiem lub zbiornikowcami [4], które ciągną ze sobą boję załadunkową [5], położoną w bezpiecznej odległości od platformy

-na [D] orskim, ajej hodząca e konstrukcji a takiej

lę betonowe

ropą, gaz

\a górze stalowy

pokład, który podtrzymuje cały sprzęt, konieczny do wykonywania odwiertów i wydobywania z nich ropy Ropa (kolor czerwony) i gaz (kolor zielony) płyną z odwiertów wydobywczych przewodami pionowymi do głowic odwiertów Ropa i gaz są oczyszczane i odwadniane Gaz transportuje się na ląd rurociągiem podczas przestojów musi być wypalany

przewody pionowe transportujące gaz i ropę

Oczyszczona ropa jest wtłaczana w zbiorniki balastowe u podstawy platformy, gdzie się ją przechowuje aż do momentu odebrania jej przez zbiornikowiec Gdy zbiorniki balastowe nie zawierają ropy, napełnia się je wodą morską Aby utrzymać ciśnienie złoża ropy, do odwiertów wydobywczych można wtłaczać wodę (kolor niebieski)

106

Elektrownie

W jaki sposób elektrownie wytwarzają moc i energię elektryczną

Aby zaspokoić obecne potrzeby cywilizacyjne, elektrownie pracują dzień i noc. Największe z nich wytwarzają ponad 9000 megawatów mocy elektrycznej - ilość wystarczającą do zapalenia 100 000 000 żarówek - zużywając dziennie 20 000 ton węgla. Samo centrum elektrowni stanowią generatory, prądnice prądu stałego o długości 3 m i masie 4001, wykonujące 50 lub 60 obrotów na sekundę. Niestety, wytwarzanie energii powoduje także zanieczyszczanie środowiska - emisję gazów wywołujących kwaśne deszcze i efekt cieplarniany. Technika spalania węgla bez zanieczyszczeń czy elektrownie gazowe to sposoby na zmniejszenie ogromnej emisji szkodliwych substancji.

Generator w elektrowni różni się od dynama rowero­wego tylko wielkością. W obu przypadkach wirujący magnes indukuje prąd w cewce z miedzianego dru­tu - ten zespół określa się mianem twornika. Elektro­magnesy dużej mocy w generatorze wykonują 3000 obrotów na minutę i w ten sposób indukują w twor-niku składającym się z grubych miedzianych prętów prąd o natężeniu ponad 10 000 amperów.

Energia potrzebna do napędzania generatorów po­chodzi ze spalania w ogromnym kotle paliwa, zwy­kle węgla. Wielokilometrowym labiryntem rur przez kocioł ten przepływa woda. Pobierając ciepło spala­nia, woda zamienia się w parę pod ogromnym ciś­nieniem i o temperaturze ponad 500°C. Para ta przepływa przez układ łopatkowy turbiny (podobny do łopat wiatraka). Turbina jest połączona wałem z generatorem.

Technologia czystego spalania węgla

W większości tradycyjnych elektrowni paliwo stano­wi węgiel, ponieważ jego zasoby są obfite - mogą wystarczyć na ponad 350 lat - a także jest stosunko­wo tani. Ale spalanie węgla ma poważne konsekwen­cje dla środowiska naturalnego. Większość odmian węgla zawiera około 3% siarki. W procesie spalania powstaje z niej dwutlenek siarki (SOz), czyli gaz, który reaguje z parą wodną w atmosferze, tworząc kwaśny deszcz.

Starsze elektrownie można zaopatrzyć w płucz­kę wieżową gazu, czyli urządzenie rozpylające w spalinach wodną zawiesinę wapienia. Dzięki te­mu większość siarki łączy się z wapieniem i po­wstaje gips, który może być wykorzystywany jako materiał budowlany. Płuczki wieżowe mają swoje wady - są one bardzo kosztowne, a w wyniku ich działania powstają ogromne ilości bezużytecznego szlamu. Duża elektrownia w ciągu roku wytwarza taka. ilość szlamu, która może przykryć powierzch­nię jednego kilometra kwadratowego warstwą gru­bości 30 cm.

Siarka może być eliminowana także na etapie spalania. W procesie spalania w warstwie fluidalnej węgiel i siarka są miażdżone na drobny proszek, który jest podawany do kotła. Jeśli podczas spalania przez tę mieszaninę przepuści się sprężone powie­trze, powstanie bulgocąca zawiesina, w której siarka utworzy nieszkodliwy żużel. Rury wytwarzające pa­rę wodną przebiegają bezpośrednio przez spalaną warstwę, dzięki czemu odbierają ciepło dużo sku­teczniej, niż to się dzieje w normalnym kotle.

Innym sposobem zastosowania węgla jest zgazo-wanie. W procesie tym węgiel i woda podgrzewane są z niewielkim dodatkiem tlenu, w wyniku czego powstaje spalający się bez zanieczyszczeń wodór i tlenek węgla. Elektrownie, w których spala się ta­ką mieszaninę gazów, w zdecydowanie mniejszym stopniu zanieczyszczają środowisko, ale są drogie i zużywają ogromne ilości wody.

Zobacz także: Górnictwo 100 Ropa naftowa 102 104 Energetyka jądrowa 108

Same zalety

W elektrowni gazowo-parowej [A] uzyskuje się maksimum energii ze spalania gazu, a gorące gazy spalinowe wykorzystuje się do wytwarzania pary oraz do obracania łopatek turbiny połączonej z generatorem. Elektrownie tego rodzaju są czyste ekologicznie - gazy spalinowe to przede wszystkim para wodna i dwutlenek węgla -i przekształcają aż 50% energii uzyskanej ze spalania gazu w energię elektryczną. Elektrownie opalane węglem z zainstalowanymi filtrami wyłapującymi zanieczyszczenia mają sprawność tylko około 35%,

Powietrze wprowadza się do kompresora [ l ], gdzie jest sprężane do wysokich ciśnień, a następnie kierowane do komory spalania [2]. Tutaj gaz spala się w obecności sprężonego powietrza, wytwarzając gorące gazy spalinowe, które rozprężając się, przepływają przez łopatki turbiny [3], wprowadzając w ruch obrotowy kompresor i 200-megawatowy generator [4]. Do generatora podłączona jest także wzbudnica, mniejsza prądnica prądu stałego, która zasila elektromagnes generatora.

Gdy gorące gazy przejdą już przez łopatki turbiny, są odprowadzane przez kanał spalinowy [5]. Tu, zanim zostaną wypuszczone

do atmosfery przez komin, nadmiar ich energii cieplnej zostaje zużyty do zamiany w parę znajdującej się w nagrzewnicy wody.

Drugi cykl wytwarzania pary

Woda jest pompowana ze zbiornika wody zimnej [6] do najwyższej patii nagrzewnica w kanale spalinowym. Tu, przepływając przez gorące go: spalinowe, jest ogrzewana prawie do temperatury wrzent Następnie wodę przetłacza się przez parownik [7], gdzie zamienia się z cieczy w gaz (parę wodną). W zbiorniku gromadzącym [8] następuje oddzielenie wszelkich pozostałości wody od pary, która następnie przepływa do przegrzewacza [9, 10].

Parujące kominy

Gorąca woda ze skraplacza oddaje ciepło w chłodniach kominowych (z prawej). Jest ona rozpylana na mgłę i chłodzona powietrzem, które dostaje się do chłodni kominowych przez otwory znajdujące się u ich podstawy. Mimo że nad kominami unoszą się chmury pary, następuje utrata tylko niewielkiej części wody.

Elektrownie 107

wyjście

M ent\ lator

Silniki parowe

Dw le węzownice przegrzewacza zasilają turbiną parową Niższa węzownica przegrzewa [10] parę do temperatury ponad 500°C, a następnie para ta rozpręża się, przechodząc przez stopień wysokoprężny turbiny [11] Para w drugiej pętli, me tak gorąca, jest doprowadzona

bezpośrednio do stopnia niskopręznego turbiny [12], gdzie łączy się z częściowo rozprężoną parą z części wysokoprężnej Para rozpręża się, przechodząc przez dwa stopnie mskopręzne, gdzie odbierana jest od niej reszta energii użytecznej Następnie para przepuszczona zostaje przez układ rur z zimną wodą [13], w wyniku czego następuje jej skraplanie, z kolei ogrzana woda oddaje ciepło do chłodni kominowych

Łopatki turbiny wykonują 3600 obrotów na minutę i obracają wał połączony z generatorem [14], wytwarzając w ten sposób prąd trójfazowy o napięciu 22 kV, który jest przesyłany do krajowej sieci energetycznej

fntrgu

« ( obraca się r-am prąd alternator generator amej ta

nie prądów W imik to znes

3600 Wirnik jest

wirnik

zasilany za pośrednictwem ślizgających się styków, czyli szczotek wykonanych z grafitu, to znaczy takiej odmiany węgla, która zarówno przewodzi prąd, jak również jest materiałem o niskim współczynniku tarcia W trzech układach ma sywnych uzwojeń miedzianych indukowany jest prąd przemienny o napięciu 22 kV Uzwojenia te są umieszczone w środku wielowarstwowego

stojan

stojana, składającego się Z cienkich blach stalowych pokrytych izolującą warstwą lakieru, która zapobiega powstawaniu w jego wnętrzu niebezpiecznych prądów wirowych W uzwojeniach przepływają prądy o natężeniu 1000 amperow, w wyniku czego są wytwarzane ogromne ilości ciepła Woda chłodząca, pompowana przez rdzenie, odbiera większość ciepła, dodatkowo zamocowane na obu końcach wentylatory przetłaczają przez wirnik wodór, który odbiera z niego nadmiar ciepła

Więcej energii z mniejszej ilości paliwa

W większości elektrowni starego typu tylko około 32% energii uzyskiwanej ze spalania paliwa prze­kształcone zostaje w użyteczną energię elektryczną. Nie jest możliwe zbudowanie elektrowni o sprawno­ści 100-procentowej, ale są straty, których można uniknąć. Nowsze metody spalania węgla zmniejszają emisję szkodliwych substancji do atmosfery i pozwa­lają na uzyskanie większej ilości energii z tej samej ilości paliwa. W elektrowniach wykorzystujących spalanie w warstwie fluidalnej lub zgazowany węgiel około 42% ciepła przekształcane jest na energię elek­tryczną, co okazuje się niezłym rezultatem w porów­naniu ze sprawnością 32% w elektrowni tradycyjnej.

Jeszcze większą wydajność może przynieść zasto­sowanie innych paliw. Elektrownie gazowo-parowe, spalające gaz ziemny, zamieniają w energię elek­tryczną 50% energii cieplnej, uzyskanej w procesie spalania dzięki dwukrotnemu odbieraniu energii. Naj­pierw gaz spalany jest w turbinie, która napędza włas* na prądnicę. Powstałe w tym procesie gazy spalinowe wykorzystywane są następnie do wytwarzania pary wodnej, która przepływa przez układ turbin, napędza­jących drugą prądnicę.

Podobne rozwiązanie zastosowano w elektrocie­płowniach, które są użyteczne wtedy, gdy zlokalizo­wane zostały blisko miast. Gazy spalinowe ogrzewają wodę, która z kolei ma służyć do ogrzewania okolicz­nych domów i zakładów pracy. Rozwiązania tego ro­dzaju mogą mieć 60-procentową sprawność całkowitą i z powodzeniem są stosowane w Rosji, Skandynawii, Japonii i w Niemczech.

ergii 112114 Przesyłanie energii elektrycznej 116 Prawa przyrody 222 224 234 240 246 248 250

108

Energetyka jądrowa

W jaki sposób w elektrowni atomowej wytwarza się energię elektryczną

Energia elektryczna po raz pierwszy została wytworzona przez próbny reaktor jądrowy EBR-1 w 1951 roku w Stanach Zjednoczonych i posłużyła do zapalenia czterech żarówek. Pojawienie się elektrowni atomowych niosło ze sobą obietnicę wytwarzania „energii elektrycznej, która będzie zbyt tania, aby mierzyć jej zużycie" i stanowiło zapowiedź nowej epoki dobrobytu. Dziś prawie 400 elektrowni atomowych na całym świecie zaspokaja 17% całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną. Reaktory jądrowe mają dużą wydajność (kilogram paliwa uranowego daje tyle energii cieplnej, ile 11800 baryłek ropy) i są stosunkowo „czyste" w działaniu, ale problemy związane z bezpieczeństwem i kosztami sprawiły, iż wiele państw zweryfikowało swoje programy nuklearne.

Elektrownie atomowe działają w znacznej mierze w spo­sób podobny do elektrowni opalanych ropą czy gazem. W każdym wypadku wytwarzana jest energia cieplna, służąca do sprężania gazu, który z kolei napędza turbiny połączone z generatorami. W elektrowni atomowej ener­gię cieplną uzyskuje się przez rozszczepienie nietrwałych izotopów metali ciężkich, z których najczęściej stosowa­nym jest uran-235.

Uran w stanie naturalnym występuje w postaci róż­nych minerałów. Najistotniejszy z nich, uraninit, zwa­ny także blendą uranową (lub smolistą), wydobywany jest w wielu krajach. Ruda ta jest mielona do konsy­stencji drobnoziarnistego piasku, a następnie podda­wana obróbce chemicznej za pomocą rozpuszczalni­ków, w wyniku czego wydziela się mieszanina tlen­ków uranu zwana koncentratem rudy uranu. Tylko 0,7% uranu występującego w koncentracie to 235U; pozostałość stanowi w większości izotop 238U, który jest nieprzydatny jako paliwo. Zawartość 235U może być zwiększona przez zamianę uranu w gaz i odwiro­wanie go z dużą prędkością w wirówce. Cięższe ato­my 238U zbierają się na ściankach wirówki i są usuwa-

rozowy), która przepływa z reaktora do turbiny Energia użyteczna pary odbierana jest najpierw przez stopnie wysokoprężne turbiny, a następnie przez stopnie niskopręzne, turbina napędza generator włączony do lokalnej lub krajowej sieci energetycznej Resztki pary skraplane są przez ciecz chłodzącą pętli obiegu trzeciorzędowego (kolor zielony) i powracają do wytwornic pary Budynek, w którym znajduje się reaktor, wykonany został ze zbrojonego betonu pochłaniającego promieniowanie, wewnętrzna stalowa wykładzina zapobiega wydostawaniu się gazu Jeśli zawiedzie obieg pierwotny chłodziwa, rdzeń reaktora zalewany jest zimną, bogatą w bór wodą, która spowalnia reakcję rozszczepiania do bezpiecznego poziomu

ne; reszta wzbogaconego uranu zawiera do 3% 23S( Uran ten jest zagęszczany do postaci granulek, kto zamyka się w cylindrach, czyli prętach paliwowyc i wprowadza do reaktora.

Uran-235 jest radioaktywny: jego jądra dzielą się s morzutnie, tworząc dwa mniejsze atomy (wydzielaj ciepło w postaci promieniowania podczerwonego) 01 dwa lub trzy prędkie neutrony. Jeśli neutrony te zderzaj następnie z kolejnymi jądrami 235U, powodują ich re szczepienie, przy czym uwalnia się jeszcze więcej cief i neutronów. Kiedy ilość 235U przekracza masękryt} cz (około 4 kg), rozpoczyna się reakcja łańcuchowa i sz} kość rozszczepienia jąder atomowych gwałtownie wa sta, przy czym uwalniane są ogromne ilości energii, l kie nie kontrolowane rozszczepienie jest źródłem potj nej siły niszczącej broni jądrowej.

W reaktorze atomowym szybkość rozszczepia jest w pełni kontrolowana, gdyż został on tak zbud wany, aby każdy neutron, który powoduje rozszca pienie jądra atomowego, zastępowany był dokładr jednym nowym neutronem. Osiąga się to przez umi szczenię pomiędzy uranowymi prętami paliwowy

pompa cyrkulacyjna

betonowa obudowa bezpieczeństwa reakton

Reaktor wodny ciśnieniowy

W reaktorze wodnym ciśnieniowym [A] ciepło powstałe w wyniku rozszczepienia jąder jest wykorzystywane do wytwarzania pary wodnej, która z kolei napędza turbinę Ciepło z rdzenia reaktora zostaje przekazane do turbiny za pośrednictwem trzech oddzielnych pętli obiegu chłodziwa

Woda w pętli obiegu pierwotnego (kolor jasnoniebieski) jest przetłaczana za pomocą pomp przez gorący rdzeń reaktora Wysokie ciśnienie, utrzymywane

prądnica

na poziomie 150 atmosfer, zapobiega wrzeniu wody, gdy jest ona przegrzewana do temperatury 300°C Następnie woda przepływa do układu czterech wymienników ciepła zwanych wytwornicami pary Tu przepływa przez tysiące metalowych rurek, zanurzonych w zimnej wodzie pętli wtórnego obiegu chłodziwa (kolor ciemnoniebieski) Woda ta gotuje się i tworzy parę pod wysokim ciśnieniem (kolor

woda

rzeczna lub morska

stopnie wysokoprężne

| | chłodziwo obiegu pierwotnego

chłodziwo obiegu wtórnego (ń

| "] chłodziwo obiegu wtórnego (&

[~~]| chłodziwo obiegu trzeciorzędni

Zobacz także Elektrownie 106 Energetyka jądrowa: nowe rozwiązania 110 Przesyłanie energii elektrycznej 116 Prawa przyrody 212 214 224 234 262 268

chamzm napędu H sterowniczych

Reakcja łańcuchowa

Aby wziąć udział w reakcji jądrowej [E], neutron prędki [l]jest najpierw spowalniany wodą [2] do prędkości, przy której może rozszczepić jądro atomu uranu [3] Części jądra oddalają się od siebie z dużą prędkością i wpadając na inne cząsteczki na swojej drodze, wytwarzają ciepło Każde rozszczepienie jądra atomowego powoduje emisję promieniowania gamma, a także uwolnienie kolejnych dwóch lub trzech neutronów Niektóre neutrony pochłaniane są przez grafitowe pręty sterownicze [4], inne zaś rozszczepiają kolejne atomy uranu [5], doprowadzając w ten sposób do powstania reakcji łańcuchowej

wypływ chłodziwa obiegu pierwotnego

niemowę

rora [B] zawiera paliwowych u niczych ze spawanej

ytrzymać t nętrzu « jest

• na do zbiornika

* przez sekcje jłając przy tym

da taka sekcja ~ metrowych n {kolor

lelanych

u trony

m owy [D] redmcy Icm,

Energetyka jądrowa 109

materiału pochłaniającego neutrony, najczęściej boru, w postaci długich prętów. Te pręty sterownicze mogą być wsuwane do paliwa lub wyjmowane z niego, dzię­ki czemu można regulować szybkość reakcji.

Pręty paliwowe opływa czynnik chłodzący -jest nim często woda. W ten sposób chroni się reaktor przed prze­grzaniem. Chłodziwo przenosi energię cieplną z rdzenia reaktora do wytwornic pary, a wytworzona para pod wy­sokim ciśnieniem napędza z kolei turbinę. W niektórych rodzajach reaktorów chłodziwo pełni także rolę spowal-niacza, gdyż spowalnia ono neutrony prędkie do prędko­ści, przy których skuteczniej wywołują rozszczepianie jąder atomowych. W innych rodzajach reaktorów chło­dziwo (woda) i spowalniacz (na przykład grafit) to dwie oddzielne substancje.

Inne rodzaje reaktorów

W ponad 70% reaktorów na świecie czynnikiem chło­dzącym jest woda pod ciśnieniem. W reaktorach wod­nych ciśnieniowych występuje zamknięty obieg wo­dy, która jest ogrzewana w rdzeniu reaktora, a następ­nie przechodzi przez wymienniki ciepła, wytwarzając parę w obiegu zewnętrznym. W reaktorze wodnym wrzącym sama woda chłodząca napędza generator -w reaktorach tego rodzaju występuje większe zagro­żenie wyciekami radioaktywnych izotopów. Rea­ktory powielające prędkie nie mają spowalniacza, a neutrony prędkie powodują w nich rozszczepianie jąder atomowych. W reaktorach tych jako paliwo sto­suje się mieszaninę uranu i plutonu, który jest pro­duktem ubocznym napromieniowania neutronowego uranu-238. Ciepło jest odbierane z takiego reaktora za pomocą chłodziwa w postaci ciekłego sodu.

110

Energetyka jądrowa: nowe rozwiązania

Co energetyce atomowej przyniesie przyszłość

W normalnych warunkach reaktory atomowe są bezpieczniejsze i znacznie mniej zanieczyszczają środowisko niż zwyczajne elektrownie węglowe. Ale perspektywa katastrofy atomowej (której możliwość uświadomiono sobie jasno w 1986 roku po Czarnobylu), a także problem tego, jak i gdzie składować odpady promieniotwórcze, stanowią argumenty przeciw energetyce atomowej wysuwane przez część opinii społecznej. Wzrastające koszty zahamowały inwestowanie w budową nowych reaktorów i przyszłość energetyki atomowej wydaje się niepewna. Jednakże nowe osiągnięcia w budowaniu bezpieczniejszych reaktorów czy wreszcie elektrowni termojądrowych mogą dopomóc energetyce jądrowej w pełnym wykorzystaniu jej możliwości.

Obecnie na całym świecie funkcjonuje około 400 elek­trowni atomowych. Jest mało prawdopodobne, aby w najbliższej przyszłości liczba ta wzrosła w sposób zna­czący, gdyż wiele państw zablokowało możliwość budo­wania nowych reaktorów. Na przykład w Stanach Zjed­noczonych zamówienia na nowe reaktory nie pojawiły się od 1978 roku, Szwecja zaś planuje całkowite zanie­chanie wytwarzania energii elektrycznej w elektrow­niach atomowych do roku 2010. Słabnięcie entuzjazmu dla energetyki jądrowej jest powodowane przede wszyst­kim rosnącym problemem usuwania odpadów promie­niotwórczych, które powstają prawie na każdym etapie produkcji i wykorzystywania paliwa jądrowego.

Ciągle nie rozwiązany problem

Odpady radioaktywne są klasyfikowane jako wysoko-aktywne lub niskoaktywne w zależności od ich aktywno­ści promieniotwórczej (częstotliwości, z jaką emitują cząstki wysokoenergetyczne i promieniowanie), jak również w zależności od ich okresu połowicznego zaniku (jest to wskaźnik dotyczący czasu rozpadu, po którym poziom promieniowania uznawany jest za bezpieczny). Do odpadów niskoaktywnych można zaliczyć duże ilo­ści odpadów wydobywczych (powstałych przy krusze­niu rudy uranowej), a także skażone narzędzia, materiały budowlane, wyroby szklane itp. W przeszłości odpadów tych nie zabezpieczano w sposób właściwy. Dzisiaj od­padów niskoaktywnych pozbywamy się w sposób ostrożniejszy - zwykle zostają one złożone w składo­wisku sanitarnym.

Odpady wysokoaktywne stanowią poważniejszy pro­blem. Odpady te, składające się głównie ze zużytych prętów paliwowych z elektrowni atomowych, a także z produktów ubocznych wytwarzania broni jądrowej, za­wierają bardzo radioaktywne izotopy (niektóre spośród nich są także toksyczne). Czas połowicznego zaniku jest bardzo długi, a więc wymagają one przechowywania w bezpiecznych warunkach przez przynajmniej 10 000 lat, zanim ich aktywność promieniotwórcza spadnie do poziomu nieszkodliwego. Obecnie większość wysoko-aktywnych odpadów jest tymczasowo magazynowana w chłodzonych wodą zbiornikach w elektrowniach ato­mowych lub zakładach zajmujących się odzyskiwaniem paliwa. Pozbycie się tych odpadów będzie najprawdopo­dobniej oznaczać umieszczenie ich w chemicznie obojęt­nym szklanym lub ceramicznym pojemniku, a następnie zamknięciu w pojemniku wykonanym z chemicznie obo­jętnego metalu. Dzięki złożeniu takich pojemników na głębokości przynajmniej 200 metrów w rejonie stabilnym geologicznie ryzyko skażenia promieniotwórczego zosta­nie zminimalizowane. Jednak każda proponowana lokali­zacja długoterminowego składowiska odpadów spotyka się z ogromnym oporem społecznym, a więc w chwili obecnej nigdzie na świecie nie funkcjonuje żadne długo­terminowe składowisko odpadów promieniotwórczych.

Choć do awarii w elektrowniach atomowych docho­dzi niezwykle rzadko, to ich skutki są długotrwałe i mają poważne konsekwencje. Awarie w elektrowni Three Mi­le Island oraz w elektrowni w Czarnobylu ogromnie za-

Przede wszystkim bezpieczeństwo

Być może, zupełnie nowe rozwiązania w konstrukcji reaktorów atomowych sprawią że w przyszłości uzyskiwanie energii w procesie rozszczepia­nia jąder atomowych będzie dużo bezpieczniejsze. Jednym z takich rozwiązań jest reaktor działający zgodnie z zasadą „proces całkowicie wewnętrznie zabezpieczony" (ang. Process Inherent Ultimately Safe, czyli PIUS) [A]. W reaktorze tym, podobnie jak w tradycyjnym reaktorze rozszczepieniowym, ciepło z rdzenia uranowego przekazywane jest za pośrednic­twem wody z pierwotnego obiegu chłodzenia do wytworni­cy pary, która napędza turbinę parową. Istotnym elementem jest to, że rdzeń i patia obiegu chłodzenia zanurzone są w wodzie bogatej w bór (bór „zatruwa" reakcję rozszczepie­nia jąder atomowych). Gdy spada ciśnienie w obiegu chłodzenia, „trucizna", mająca wyższe ciśnienie, zalewa rdzeń przez zawory bezpieczeństwa i reakcja rozszczepienia zostaje zatrzymana.

Energia termojądrowa

Jądra atomów wodoru stapiają się wzajemnie ze sobą w tempe­raturze 100 milionów °C i przy ciśnieniu kilku miliardów atmo­sfer. W takich warunkach atomy są pozbawiane elektronów i pokonane zostają siły, które utrzymują jądra atomowe z dala od siebie. Aby zapanować nad

rurka do napełniania

zawór bezpieczeństwa

rdzeń uranowy

zawór bezpieczeństwa

woda

z pierwotnego

obiegu chłodzącego

woda b w bór

wytwornica pary

energią wyzwalaną w procesie syntezy jądrowej (czyli podczas reakcji termojądrowej), trzeba odtworzyć takie skrajne warunki na Ziemi. Jak dotąd, najbardziej obiecujące rezultaty udało się uzyskać w reaktorach pierścieniowych o nazwie toka-mak [B]. We wnętrzu reaktora tokamak mieszanina dwóch izotopów wodoru, trytu [1] (którego jądro atomowe ma jeden proton i dwa neutrony)

szkodziły całej energetyce jądrowej. Obecnie podejmuje się znaczne wysiłki, mające na celu zbudowanie nowych, bezpieczniejszych reaktorów. Jednakże prawdziwe roz­wiązanie problemów dotyczących bezpieczeństwa i zanieczyszczania środowiska polega na zminimalizo­waniu ilości wytwarzanego promieniowania i odpadów o długim czasie połowicznego zaniku. Każda nowa kon­strukcja reaktora przynosi wzrost jego wydajności, ale ostatecznym marzeniem naukowców zajmujących się energią jajdrową jest włączenie do pracy syntezy jądro­wej (czyli reakcji termojądrowej) - procesu, który jest źródłem energii Słońca. W procesie tym atomy nie są rozszczepiane, ale łączone, a w tej samopodtrzymujacej reakcji uwolnione zostają olbrzymie ilości energii. Pod­stawowymi składnikami, najbardziej nadającymi się do przeprowadzenia reakcji termojądrowej, są izotopy wo­doru: deuter (występujący w dużych ilościach w wodzie) i tryt (który można uzyskiwać z litu). Obecnie udaje się przeprowadzać reakcję termojądrową trwającą zaledwie kilka sekund.

/ deuteru [2] (jeden proton i jeden neutron), jest bomban wana wiązkami jonów, promu niowaniem fal radiowych o w kim natężeniu oraz impulsom elektrycznymi o mocy 700 Ml W wyniku takiego bombardo\' nią następuje rozgrzanie \\ od którego atomy dysocjują t\\ o rżąc plazmę - gorącą miesya dodatnio naładowanych jądei i ujemnie naładowanych elektronów [3]. Plazma jest zbyt gorąca, aby można ją b\ utrzymywać w pojemniku wykonanym z jakiegokolwiek znanego materiału, i dlatego utrzymująją silne magnesy [-które wytwarzają pole o duz\ natężeniu [5]. Naładowane cząsteczki plazmy poruszają j po spiralnych torach w polu magnetycznym [6], ale nie nu z niego uciec. „Nagie" jądra w plazmie stapiają się [7], t\\ rżąc prędkie jądra atomów h (dwa protony, dwa neutrom i i pojedyncze neutrony [9]. Te produkty reakcji syntezy jądr, zderzają się z „płaszczem " [ otaczającym plazmę i w ten J sób wytwarzane jest ciepło, l zbierane zostaje przez wymię ciepła [11]. Ciepło to wykor. wanejestdo zamieniania we w parę [12]; para z kolei napędza turbinę połączoną z generatorem.

Zobacz także: Elektrownie 106 Energetyka jądrowa 108 Przesyłanie energii elektrycznej 116 Prawa przyrody 212 216 224 234 246 248 268 270

Energetyka jądrowa: nowe rozwiązania 111

plazma

elektromagnesy

Synteza jądrowa przyszłości

Obecnie największym reaktorem tokamak na świecie jest europejski reaktor JET (Jomt European Torus) Prawdopodobnie palmę pierwszeństwa temu eksperymentalnemu reaktorowi odbierze wkrótce ogromne międzynarodowe przedsięwzięcie o nazwie ITER [C] reaktor który mógłby wytwarzać 1000 MW mocy cieplnej W reaktorze tym tak samo jak w innych reaktorach

wlot paliwa

tokamak gorąca plazma zostaje zamknięta w toroidalnej komorze próżniowej otoczonej pluszczem z litu Gorąca plazma jest utrzymywana z dala od ścian przez pola magnetyczne wytwarzane za pomocą ogromnych magnesów schładzanych do bardzo niskich temperatur aby u yskac w nich nadprze wodzenie Gdyby udało się udoskonalić reaktory w których zachodziłaby reakcja termojądrowa stałyby się one niewyczerpanym •'rodłem energii zaledwie 10 g deuteru (uzyskanego z 500 l wody) i 15 g trytu (wytworzonego w reaktorze) pozwoliłoby na wyprodukowanie takiej ilości energii elektrycznej która zaspokajałaby w ciągu całego życia potrzeby jednej osoby żyjącej w uprzemysłowionym kraju

elektron

tryt

deuter

neutron

proton

pole magnetyczne

promieniowanie

tokamak

est świeży deute

tąpie -^uz t r u \ stępuje

jia więc go

od\ morskiej [13] i używać ^d potrzeb Tryt

\\\stępuje ale

n vv reaktorze

der ają się -n/?; u płaszczu

~vn plazmę po\\ odują e litu co iaje tryt i hel

LJI jądrowych

n plazmie

]ą płaszczu a u instalacji do

[14] W instalacji

an\ jest od trytu re powracają do

LJ

[ _ J magnesy HH plazma

płaszcz z litu

112

Odnawialne źródła energii: Słońce i wiat

Jak można zbierać i wykorzystywać energię słoneczną

W 1981 roku Solar Challenger, samolot napędzany wyłącznie światłem słonecznym, szczęśliwie przeleciał nad kanałem La Manche. Ta niezgrabna maszyna latająca, pokryta ponad 16 000 ogniw słonecznych przekształcających światło bezpośrednio w energię elektryczną, zademonstrowała możliwości energii słonecznej. Elektrownie o mocy megawatowej wykorzystujące ogniwa słoneczne mogłyby zacząć działać w przeciągu dwóch dziesięcioleci, ale już teraz bardziej tradycyjne metody ujarzmiania energii słonecznej dostarczają znaczących ilości energii w południowo-zachodniej części Stanów Zjednoczonych i w wielu krajach śródziemnomorskich.

W ciągu jednej sekundy Słońce oddaje wystarczającą ilość energii, aby zaspokoić roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną w Stanach Zjednoczonych 13 000 000 razy. Większość tej energii jest wypromie-niowywana w przestrzeń kosmiczną, część pochłonię­ta zostaje przez atmosferę ziemską i tylko niewielki jej ułamek dociera do powierzchni naszej planety w po­staci światła widzialnego i podczerwieni. Gdy energia ta dociera do powierzchni Ziemi, ma niewielką inten­sywność - około 200 watów na metr kwadratowy -i jest rozproszona na dużym obszarze, przez co jej zbieranie jest trudne. Słońce jest jednak potężnym źródłem energii i wraz z wyczerpywaniem się zaso­bów paliw kopalnych nieuniknione będzie poszuki­wanie i doskonalenie sposobów jej wykorzystania.

Zogniskowana energia

Metody zbierania energii słonecznej dzielą się na trzy zasadnicze kategorie: metody fotowoltaiczne, pasywne i aktywne. W systemach fotowoltaicznych stosuje się wykonane z półprzewodnika ogniwa słoneczne, które przekształcają światło bezpośrednio w prąd elektryczny. Pierwsze ogniwa słoneczne, zbudowane przez naukow­ców konstruujących pojazdy kosmiczne jako źródła zasi­lania dla satefitów, były bardzo drogie w produkcji, gdyż kosztowały ponad 2000 dolarów na każdy wat wytwa­rzanej mocy. Dzisiejsze wersje takich ogniw kosztują poniżej 5 dolarów na wat, co wypada korzystnie w po­równaniu z kosztami budowy elektrowni atomowych.

Zasada działania pasywnych systemów energetyki słonecznej polega na pochłanianiu promieniowania sło­necznego przez elementy bez żadnych części rucho­mych. Systemy takie stanowią tani i prosty sposób ujarz­miania energii słonecznej. Na przykład kuchenka sło­neczna to nic innego jak tylko izolowana termicznie skrzynia z czarnym wnętrzem i szklaną przykrywką.

Ogniwa słoneczne (z prawej) Pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne są łączone w panele i wykorzystywane w urządzeniach codziennego użytku, takich jak kalkulatory, zegarki czy przenośne radia Dostarczają one także energii elektryczne] siedzibom ludzkim w odległych zakątkach Ziemi oraz satelitom na orbitach okoloziemskich

~3

A

Pułapki na fotony

Ogniwo fotowoltaiczne (słoneczne) [A] składa się z dwóch krzemowych półprzewodników, z których jeden „ma tendencję" do gromadzenia ładunków dodatnich [1], drugi zaś -ujemnych [2] Dwie krzemowe warstwy są umieszczone pomiędzy dwoma metalowymi stykami t przykryte siatką [3] Kiedy foton światła uderza w połączenie między półprzewodnikami [4], wybija z tego miejsca elektron, pozostawiając w nim obszar o ładunku dodatnim zwany „dziurą" Elektrony i dziury są przyciągane do właściwych im półprzewodników Kiedy do półprzewodników tych zostanie przyłożone napięcie [5], popłynie pomiędzy nimi prąd

Słoneczna farma

(z lewej)

Ta słoneczna „farma" skła Z 1818 luster, z których kaź wymiary 7x7m, ogniskuje światło słoneczne w ogrom kolektorze, umieszczonym r szczycie wieży wysokości 9 Woda tłoczona przez kolekt podgrzewana jest do tempe ponad 500°C Powstała w sposób para wodna napęd turbinę, dzięki czemu przez 8 godzin dziennie jest wyt\\ energia o mocy do 10 MW

Zobacz także Elektrownie 106 Odnawialne źródła energii: Ziemia 114 Przesyłanie energii elektrycznej 116 Satelity 172 174 176 Prawa przyrody 224 234 240 252 262

Wichry przemian (u góry) W przyszłości energia uzyskiwana z wiatru może stanowić istotną część wytwarzanej na świecie energii Uzyskiwanie tej energii na skalą przemysłową najprawdopodobniej przybierze formą „farm wiatrowych" -zespołów tysięcy silników wiatrowych, ustawionych na wysokich pasmach górskich, na brzegu morza czy tez na otwartych równinach -i przesyłających energię

elektryczną wprost do sieci energetycznej Największe farmy wiatrowe w Kalifornii już obecnie mają moc ponad 1500 MW, a więc tyle, ile mogą wytworzyć trzy elektrownie atomowe Mimo to farmy wiatrowe nie są idealnym rozwiązaniem i one także wywierają swój wpływ na środowisko naturalne, gdyż hałasują, powodują „zaśmiecanie krajobrazu " oraz stanowią zagrożenie dla życia ptaków

' • 'atraki

B] zaopatrzone zpiętości m Silniki mieć moc Łopatv są ^ału odpornego o\\

trzwnałego Łj«.e śi i ak na iśrwno impregnowane *» tŁTidicmą Wirniki T* do 50 obrotów

pomocą

fnołczesne silniki -j pairzone

J 'jaiące prędkość

•N wiatru i jego kierunek Dane te przetwarza się i wykorzystuje do sterowania przekładnią napędową, która obraca całym mechanizmem aby nakierować wirnik na wiatr Optymalną prędkość obrotów można także uzyskać przez regulację skoku łopat

Przy stałym nasłonecznieniu może ona osiągnąć tem­peraturę 130°C - wystarczająco wysoką, aby można w niej było gotować jedzenie. W krajach rozwijają­cych się zastosowanie tego prostego urządzenia po­zwala na znaczne zaoszczędzenie drewna opałowego i czasu zużywanego na jego poszukiwanie.

Aktywne systemy energetyki słonecznej są wszech-stronniejsze. W systemach takich ciecz (często jest nią woda) przepływa przez kolektor słoneczny, gdzie zostaje ogrzana, a następnie kierowana tam, gdzie jest potrzebna. Małe systemy, składające się z szeregu czarnych rurek z wodą, umieszczonych pomiędzy dwiema dwuwarstwo­wymi szybami, już obecnie dostarczają w niektórych kra­jach śródziemnomorskich 70% potrzebnej gorącej wody.

W wielkich systemach przy użyciu tysięcy parabo­licznych luster ogniskuje się promienie słoneczne na ko­lektorze centralnym. Woda przetłaczana przez kolektor jest zamieniana w parę, która może być wykorzystywana do napędzania turbin. Elektrownie słoneczne tego rodza­ju mogą, przy łącznej powierzchni luster wynoszącej 0,5 km2, mieć moc 100 MW - co stanowi wartość wy­starczającą dla 30 000 gospodarstw domowych.

Powrót starożytnych rozwiązań technicznych

Światło słoneczne jest w sposób naturalny przekształ­cane w energię mechaniczną w postaci prądów po­wietrznych, które powstają w wyniku nierównomier­nego nagrzewania się powietrza nad lądem i morzem. Pierwsze wiatraki zdolne były do przechwyty warna tej energii; wykorzystywano je do mielenia ziarna i pom­powania wody od ponad 5000 lat. Dziś wiatrak (czyli silnik wiatrowy) znów powraca do łask i jest doskona­lony. Współczesne silniki wiatrowe są zaopatrzone w dwie lub trzy łopaty podobne do śmigieł lotniczych oraz w skomputeryzowane układy sterowania, umoż­liwiające im osiąganie dużej sprawności działania przy silnych wiatrach.

Wychodząc naprzeciw potrzebom

Choć systemy energetyki słonecznej mogą produkować duże ilości „czystej" energii, nie zawsze jest ona wytwa­rzana w tych miejscach i w tych momentach, kiedy jest potrzebna. Magazynowanie energii elektrycznej w aku­mulatorach okazało się nieefektywne i kosztowne, a więc trwają poszukiwania innych rozwiązań. Chyba najbardziej obiecującym spośród nich jest wykorzysty­wanie wytworzonej energii elektrycznej do przeprowa­dzania reakcji elektrolitycznego rozkładu wody, czyli elektrolizy, na wodór i tlen. Aby ułatwić przechowywa­nie i transport, pierwiastki te można skroplić, a następnie ponownie połączyć w ogniwie paliwowym', w ten sposób można w razie potrzeby wytwarzać energię elektryczną. Inną możliwością jest spalanie produktów reakcji elek­trolizy w silniku wewnętrznego spalania, które jest czy­ste ekologicznie.

113

czujniki prędkości i kierunku wiatru

Odnawialne źródła energii}

Jak wytwarza się energię, wykorzystując siły natury

Uprzemysłowiony świat domaga sią ogromnych ilości energii w skoncentrowanej postaci. Jednakże paliwa kopalne, na których tak bardzo dzisiaj polegamy, to zasoby występujące w ograniczonych ilościach: światowe złoża węgla najprawdopodobniej wystarczą najwyżej na 350 lat, a wydobywanie ropy naftowej stanie się nieopłacalne po roku 2035. W następnym tysiącleciu brak energii na świecie będzie w coraz większym stopniu zaspokajany przez jej uzyskiwanie z naszego środowiska, gdzie przepływa w sposób naturalny. Elektrownie, wykorzystujące odnawialne źródła energii, emitują niewielkie ilości ciepła odpadowego i mało zanieczyszczeń, ale i one powodują niszczenie środowiska naturalnego.

Słońce jest gigantycznym nuklearnym paleniskiem, któ­re zalewa naszą planetę energią za darmo. Większość sposobów uzyskiwania energii z odnawialnych źródeł opiera się w efekcie końcowym na wykorzystywaniu energii słonecznej, gromadzonej bezpośrednio w postaci ciepła i światła lub pośrednio, przez wykorzystywanie cyklu pogodowego, wywoływanego promieniowaniem słonecznym. Energia z odnawialnego źródła może być także uzyskiwana przez ujarzmienie sił grawitacyjnych Księżyca, wywołujących dwa razy dziennie przypływy i odpływy morskie, lub przez wykorzystywanie ciepła wnętrza Ziemi, wydostającego się w niektórych miej­scach na powierzchnię naszej planety.

Waty z wody

Energia hydroelektryczna jest również rodzajem prze­tworzonej energii słonecznej. Słońce odparowuje wody powierzchniowe, które unoszą się do atmosfery, są schła­dzane i z powrotem opadając w postaci deszczu i śniegu, napełniają strumienie i rzeki. Gdy woda w rzece spływa stromym korytem, jest kierowana do systemu rur i zmu­szana do napędzania układów turbin połączonych z generatorami.

Ilość energii wytwarzanej przez elektrownię wodną jest uzależniona zarówno od ilości wody przepływają­cej przez turbiny, jak i od różnicy poziomów, jakie pokonuje spadająca woda, czyli od spadu. Elektrow­nie wysokospadowe, w których woda spada na turbi­ny z wysokości 150 m lub więcej, mogą wytwarzać duże ilości energii dzięki niewielkim ilościom wody. Z tego względu w krajach górzystych, takich jak Nor­wegia czy Szwajcaria, ogromną częścią całej wytwa­rzanej energii jest energia z elektrowni wodnych (w każdym z tych krajów stanowi ona odpowiednio 99 i 75% całkowitej ilości wytwarzanej energii).

W miejscach o niskim spadzie, tam gdzie duże ilości wody spadają z małej wysokości (20 m lub mniej), można również wytwarzać znaczne ilości energii. W takich miejscach buduje się betonowe zapory, które tamują przepływ wody, zwiększając w ten sposób spad, a co za tym idzie, także ilość wytwarzanej energii.

Budowane w przeszłości zapory i usytuowane przy nich elektrownie wodne były ogromne: Wielka Tama Asuańska na Nilu w Egipcie ma 111 m wysokości, 3800 m długości i tworzy zbiornik wodny o po­wierzchni 5000 km2. Elektrownia tam zbudowana ma moc 2100 MW (tyle, ile wytwarzają dwie elektrownie atomowe), a także przynosi gospodarce kraju wiele dodatkowych korzyści. Mimo to budowanie ogrom­nych elektrowni wodnych pociąga za sobą pewne koszty dotyczące środowiska naturalnego: wymusza konieczność przesiedlania ludzi i niszczy tradycyjny model życia. Czasami zaś osadzanie się mułu na dnie zbiornika wodnego znacznie skraca okres użytkowania elektrowni. Aby rozwiązać tego rodzaju problemy, czę­sto buduje się nieduże elektrownie wodne, które zaopa­trują w energię elektryczną jedynie pobliską wieś lub miasto.

Oceany energii

Energię zgromadzoną w cieplej wodzie morskiej uzyskiwać można w elektrowni przetwarzającej energię cieplną oceanu (ang Ocean Thermal Energy Conversion -OTEC) [A] Ciepla woda powierzchniowa [l]jest zasysana do komory próżniowej [2] i przepompowywana przez dysze [3], które zamieniają ją w drobne kropelki Kropelki szybko parują, tworząc parę, która napędza turbinę niskopręzną [4] połączoną z generatorem [5] Następnie para przechodzi przez dwa zespoły skraplaczy, z których każdy chłodzony jest wodą pobieraną z glębm oceanu [6] W pierwszym skraplaczu [7] para styka się z rurami, którymi płynie zimna woda Woda skraplająca się na tych rurach nie zawiera soli -stanowi więc cenny produkt uboczny Pozostała część pary jest skraplana w drugim skraplaczu [8] i przetłaczana do oceanu [9] Zimną wodę pobiera się Z głębokości l km lub więcej za pomocą dlugiej rury zawieszonej na bojach, ciepła woda zasysana jest z. powierzchni, wodę powstałą ze skraplania pary wypuszcza się do oceanu rurą wylotową W przyszłości elektrownie przetwarzające energię cieplną oceanu będą prawdopodobnie budowane tuz obok rozlewni odsalanej wody, a ogromne zbiorniki, zawierające zimną, bogatą w składniki odżywcze wodę będą wspomagały funkcjonowanie ogromnych, działających na skalę przemysłową hodowli ryb

Wodne koła (z prawej) W wysokospadowej elektrowni wodnej woda spada z wysokości przynajmniej 150 m Jest ona tłoczona przez dyszę, z której wypływa w postaci wysokoenergetycznego strumienia, kierowanego na zespół łopatek równomiernie rozmieszczonych na zewnętrznym wieńcu koła -taka konfiguracja nosi nazwę turbiny akcyjnej Turbina obraca się, poruszając jednocześnie wał połączony Z generatorem

J

wiol

ciepłej

wlot __, zimnej wody

wylot wody zrzutowej

P

Zobacz także Elektrownie 106 Odnawialne źródła energii: Słońce i wiatr 112 Przesyłanie energii elektrycznej 116 Prawa przyrody 224 234 240 252

Odnawialne źródła energii: Ziemia 115

Wysoki przypływ

Pływowa zapora wodna — zbudowana w poprzek ujścia rzeki [B] - stanowi sposób na ujarzmienie energii pływow oceanicznych Gdy następuje przypływ, otwierają się ogromne wrota śluzy [C] i basen pływowy wypełnia się wodą Kiedy przypływ jest największy, wrota służy zamyka się, odcinając w ten sposób wodę w basenie Gdy przypływ opada, wodę z basenu wypuszcza się do morza przez układy turbin połączonych z prądnicami [D] Elektrownie zbudowane przy zaporach pływo­wych mogą wytwarzać ogromne ilości energii -jedna z takich elektrowni, którą zamierzano zbudować na południu Anglii, mogłaby wytwarzać 8640 MW, ale budowa ta najprawdopo­dobniej me dojdzie do skutku ze względu na zastrzeżenia dotyczące możliwych zniszczeń środowi ska naturalnego

Wiercenia w poszukiwaniu ciepła

Gorące źródła i gejzery powstają wszędzie tam, gdzie magma (roztopiona skała) występuje blisko powierzchni ziemi. W tych miejscach można uzyski­wać energię geotermiczną przez wiercenie szybów w głąb podziemnych zbiorników sprężonej, gorącej pary, która następnie jest wykorzystywana do napę­dzania turbin. Stolica Islandii, Rejkiawik jest ogrze­wana i zasilana energią elektryczną pochodzącą pra­wie wyłącznie ze źródeł geotermicznych.

Dotarcie do pary geotermicznej możliwe jest sto­sunkowo w niewielu miejscach na świecie; w innych miejscach uzyskuje się energię z suchej skały. Polega to na wykonaniu w skorupie ziemskiej odwiertu na głębokość ponad 10 km, tam gdzie skała osiąga temperaturę około 250°C. Następnie za pomocą ła­dunków wybuchowych powiększa się szczeliny w skorupie Ziemi. Do tak utworzonego „zbiornika" wtłacza się wodę, która jest ogrzewana przez gorące skały i z powrotem zasysana na powierzchnię, gdzie wykorzystuje się ją do ogrzewania lub wytwarzania energii elektrycznej.

r

116

Przesyłanie energii elektrycznej

W jaki sposób energia elektryczna płynie od elektrowni do gniazdka

Zapotrzebowanie na energię elektryczną, podobnie jak ocean, ma w ciągu dnia swoje przypływy i odpływy. Od niskiego poziomu we wczesnych godzinach porannych, kiedy większość ludzi śpi, a fabryki są zamknięte, zapotrzebowanie to może skoczyć do wartości maksymalnej we wczesnych godzinach wieczornych, kiedy korzysta się z energii elektrycznej do oświetlania i ogrzewania mieszkań oraz do gotowania. Potrzeby te zaspokaja sieć wzajemnie połączonych elektrowni, które włączane są do tej sieci wtedy, gdy zachodzi taka potrzeba. Zanim energia elektryczna wytwarzana przez te elektrownie dotrze do mieszkań i zakładów pracy, jest przesyłana setki kilometrów przewodami pod napięciem 400 000 woltów.

Większość odbiorców energii elektrycznej znajduje się w miastach. Tu wykorzystuje sieją do oświetlania, ogrzewania i zasilania maszyn przemysłowych. Naj­więcej elektrowni usytuowanych jest w odległych, słabo zaludnionych terenach. Energię przesyła się z elektrowni do odbiorców za pomocą sieci wyso­konapięciowych przewodów elektrycznych, łączą­cych wielu różnych odbiorców w taki sposób, by z wielu różnych źródeł zaspokoić ich zmieniające się potrzeby.

Podczas miesięcy zimowych ludzie zużywają więcej energii elektrycznej niż latem. W ciągu doby zużycie energii rośnie o zmroku. Zapotrzebowanie na energię elektryczną może się zmieniać także z minuty na minutę, na przykład kiedy włącza się czajniki elektryczne pod koniec ważnej audycji telewizyjnej. Energetycy muszą być przygotowani na takie zmiany, tak aby dodatkowe ilości energii mogły być dostarczone natychmiast.

W największych elektrowniach osiągniecie maksy­malnej wydajności w wytwarzaniu energii może zająć wiele godzin, a nawet dni i dlatego pracują one w syste­mie ciągłym. Kiedy potrzebna jest dodatkowa energia, uruchamia się generatory napędzane turbinami gazowy­mi, które dostarczyć mogą 200 MW mocy w ciągu kilku minut po włączeniu. Nie ma takich akumulatorów, w których można by zmagazynować nadwyżkę energii, wytworzoną w okresie obniżonego zapotrzebowania we wczesnych godzinach rannych.

Elektrownie szczytowo-pompowe to elektrownie wod­ne, w których ta nie chciana energia elektryczna jest wykorzystywana do pompowania wody z dolnego zbior­nika do górnego, aby w czasie większego zapotrzebowa­nia na energię woda spływała z napełnionego zbiornika górnego i poruszała turbinę.

Sieć energetyczna

Typowa sieć energetyczna [A] łączy wiele źródeł energii z wieloma różnymi odbiorcami. Elektrownie, niezależnie od tego, czy są opalane węglem, ropą czy gazem, czy są to elektrownie atomowe, czy też wodne, wytwa­rzają prąd elektryczny o małym napięciu i dużym natężeniu. Ale duże natężenie prądu powoduje oddawanie dużych ilości ciepła przez przewody, którymi przesyłana jest energia

pompa

elektrownia

elektryczna, a co za tym idzie, jej straty. Aby uniknąć takich strat, napięcie prądu, który ma być rozsyłany po całym kraju, podwyższane jest za pomocą transformatora do 400 kV. Chcąc odizolować od takiego napięcia stalowe słupy kratowe podtrzymujące przewody, konieczne jest zastosowanie izolatorów ceramicznych (z prawej).

Do łączenia i rozłączania sieci przesyłowej wykorzystuje się ogromne automatyczne wyłączniki [B]. W chwili gdy następuje rozłączenie dwóch końcówek wyłącznika, gwał­townie wyrzucona porcja gazu zostaje zapalona na krawędziat wyłącznika, bezpiecznie zdmuchując łuk elektryczny, kto w sposób nieunikniony tworzy J pomiędzy końcówkami.

końcówki

Różne napięcia

Gdy prąd elektryczny przepływa przez przewód, nagrze­wa go, tracąc energię. Moc (ilość energii przesyłanej w ciągu sekundy) równa jest iloczynowi natężenia i na­pięcia płynącego w przewodach prądu. Aby więc zmi­nimalizować straty występujące na długich odcinkach przewodów łączących elektrownie z odbiorcami, stosuje się transformatory, które zamieniają prąd o dużym natę­żeniu i małym napięciu wytwarzany przez generatory, na prąd o małym natężeniu i napięciu 400 kV, przeznaczo­ny do przesyłania. Gdy przesyłana energia elektryczna dotrze w pobliże odbiorców, do lokalnego rozdzielania, jej napięcie jest zmniejszane. Na koniec napięcie prądu przeznaczonego do użytku domowego obniżane jest za pomocą transformatorów do 220 i 230 V (w Europie) lub do 110 V (w Wielkiej Brytanii).

Napięcia prądu w krajowej sieci energetycznej są tak wysokie, że kiedy następuje rozłączenie, pomiędzy sty­kami powstaje bardzo niebezpieczny łuk elektryczny, zdolny do zespawania styków normalnego przełącznika. Zapobiega się temu poprzez zastosowanie specjalnych wyłączników automatycznych, w których za pomocą sil­nych podmuchów gazu wydmuchuje się spomiędzy sty­ków rozżarzoną do białości plazmę.

wyprowadzenia wysokiego napięcia

wyprowadzenia niskiego napięcia

rurki radiatora

olej chłodzący

Krok w górę, krok w dół

Energia elektryczna w sieci krajowej wytwarzana jest w postaci trzech faz prądu przemiennego, o napięciu zmieniającym się z dodatniego na ujemne 50 lub 60 razy na sekundę (jest to tzw. częstotliwość mierzona w hercach). Napięcie prądu elektrycznego w takiej postaci może z łatwością być zmieniane z wysokiego na niskie

i odwrotnie dzięki zastosowaniu transformatora [C]. W środku znajduje się rdzeń wykonany z blach stalowych. Każde z trzech odgałęzień podtrzymuje dwie cewki, włożone jedna w drugą. Kiedy prąd przemienny płynie przez wewnętrzną cewkę, wytwarza pole magnetyczne w stalowym rdzeniu. Pole to z kolei indukuje wtórny prąd przemienny w cewce zewnętrznej.

stalowy pakiet rdzeniowy

Stosunek napięć w dwóch cewkach jest równy stosunkc liczby zwojów w każdej z nic W Polsce napięcie przesyłań prądu elektrycznego wynosi 400 kV, jest ono następnie zmniejszane w zależności od potrzeb na 220, 110, 15 i 0,4 kV. Do naszych mieszki jest doprowadzony prąd o napięciu 220 kV.

Zobacz także: Elektrownie 106 Energetyka jądrowa 108 110 Odnawialne źródła energii 112 114 Prawa przyrody 226 244 246 248 250

Przesyłanie energii elektrycznej 117

Elułirownia

.^mi ilość wytworzone] — elektrycznej przewyższa ri crzebowanie Żadne nie są

aby można

BIŁ 4 b\ło magazynować ten mamar energii możliwe jest jHdk w\korzvstame go do wwama wody ze i położonego niżej do mii iriLi położonego wyżej [D] *i wiffcom zapotrzebowaniu "wręię elektryczną rozruch ej elektrowni opalanej może trwać długo ale

wody anej w zbiorniku

mojia rozpocząć

Woda ta lurcm jłsilajacym spływa sarmnę Turbina napędza tiebryczny w odwrotnym Am, przez co działa on jak •Hor i wytwarza energią

zbiornik górny

i— silnik/generator

— zbiornik doln

Unie przesylowe pod napięciem 400 kV linie przesyłowe pod napięciem 275 kV linia prądu stałego do Francji

stacje elektroenergetyczne

Q elektrownie

szczytowo pompowe

Krajowa siec energetyczna

Zmieniające się zapotrzebowanie na energię elektryczną w kraju można zaspokajać w sposób najbardziej wydajny przez połączenie wszystkich elektrowni i ośrodków miejskich w krajową siec energetyczną [E] Mapa powyżej pokazuje krajową siec energetyczną Angin i Walii w której linie przesyłowe pod napięciem 400 kV biegną między stacjami rozdzielczymi W miastach istnieje wiele rozgałęzionych hnn pod napięciem 275 kV dostarczających prąd rożnymi drogami dzięki czemu występowanie przerw w dostawie prądu jest mało prawdopodobne W hnn stanowiącej połączenie z Francją przesyłany jest prąd stały dzięki czemu umknięto konieczności zsynchronizowania obydwu systemów

odbiorca

prywatny

linie

podziemne (kablowe)

odbiorca przemysłowy

118

Mosty

Jak się buduje mosty

Most Ponte Yecchio we Florencji pozwalał podróżnym przekraczać rzekę Arno od 1345 roku i stał się jednym z najpiękniejszych zabytków światowej architektury. Dziś architekci i konstruktorzy mostów dokładają starań, aby dorównać jego pięknu i trwałości, biorąc jednocześnie pod uwagę stale rosnące natężenie ruchu. Wykorzystując wiedzę o prawach fizyki oraz stosując wytrzymalsze i lżejsze materiały, stworzyli oni konstrukcje godne podziwu. Na przykład most Humber w Anglii ma jedno przęsło o rozpiętości 1,4 km, a jego masa 38 0001 jest zawieszona na dwóch stalowych linach, utrzymywanych w górze przez dwie 150-metrowe wieże.

Nie istnieje idealna konstrukcja współczesnego mostu Za każdym razem konstruktor bierze pod uwagę rozmai­te czynniki (potrzebną rozpiętość przęsła, rodzaj ruchu, jaki będzie się po moście odbywał, rodzaj podłoża, ko­szty materiałów, a także estetyczny kształt dopasowany do otoczenia), zanim w swym projekcie osiągnie rozsąd­ny kompromis Choć każdy most jest jedyny w swoim rodzaju, mosty podzielić można na cztery główne kate­gorie mosty belkowe, łukowe, wspornikowe i wiszące Różnią się one pod względem sposobu przenoszenia połączonej masy mostu i przemieszczających się po mm pojazdów (zwanych obciążeniem)

W moście belkowym obciążenie jest przenoszone przez poziomą betonową lub stalową belkę, wspartą na dwóch filarach, czyli pirsach Główną wadą tej konstrukcji jest to, ze belka ugina się pod własnym ciężarem, wywołując naprężenia ściskające w górnej warstwie i naprężenia rozciągające w dolnej war­stwie, w wyniku czego most jest narażony na pęknię­cie Ciężar belki i przejeżdżających po moście pojaz­dów ma także tendencję do ściągania filarów do sie­bie, a siła ściągania jest większa, gdy belka się ugnie Most można wzmocnić przez zwiększenie liczby fila-

Konstrukcja linowa

(poniżej)

Choć most wantowy na pierwszy rzut oka przypomina most wiszący tak naprawdę jest rodzajem mostu wspornikowego Pomost składa się z poziomych belek, które stanowią wsporniki podtrzymywane pr^ez filary pomost podwieszony jest na ukośnych stalowych linach rozkładających się wachlarzowa i,e szczytów wysokich podpór (pylonów) Liny zapobiegają uginaniu się pomostu i dlatego mosty podwieszone można budować z pomostami o stosunkowo malej grubości przez co robią wrażenie lekkości i przestrzeni Popularność konstrukcji wantowej rośnie od lat pięćdziesiątych

Rożne konstrukcje

Współczesne mosty belkowe [A] są często wzmacniane stalowymi kratownicami zwiększającymi sztywność W niektórych rozwiązaniach droga położona jest na belce wykonanej z długich stalowych dzwigarow o przekroju kwadratowym lub prostokątnym Takie mosty wykonane z dzwigarow skrzynkowych mogą mieć rozpiętość ponad 25 m Mosty łukowe [B] są budowane ze stali lub betonu zbrojonego Pomost spoczywa na łuku wspieranym przez kolumny

elementy ściskane elementy rozciągane ciężar

pachwinowe lub tez jest zawieszony na zwisających Z łuku linach

Mosty wspornikowe [C] często budowane są z dzwigarow skrzynkowych lub stalowych kratownic Jedną z ich głowmc zalet jest to ze mogą być budowane z brzegu bez jakichkolwiek tymczasowych podpór Mosty wiszące [D] moi mieć największą rozpiętość spośród wszystkich rodzajów mostów Most Akashi Strait w Japonii którego budowa zostanie ukończona w 1998 rvk będzie miał główne przęsło o rozpiętości 2022 m

Zobacz także Tunele 120 Drapacze chmur 122 Produkcja stali 188 Obróbka metali 190 Prawa przyrody 226 236

dno rzeki

J

podłoże skalne

Liny podtrzymujące

Główne liny mostu wiszącego [EJ mogą mieć ponad 70 cm średnicy Składają się z 10 000 drutów splecionych w skrętki, które z kolei są nawinięte jedne na drugie Końce Im są solidnie zakotwione do metalowych płyt, obciążonych betonowymi blokami

metalowa

krawędź

tnąca

J

• keson

rów oraz sztywności belki. Belki współczesnych mo­stów wykonuje się z betonu lub są to szkielety ze stalowych dźwigarów zwanych kratownicami, które zwiększają wytrzymałość bez jednoczesnego zwię­kszania masy. Dzięki temu można budować mosty o większej rozpiętości przęseł i mniejszej liczbie fila­rów, co zmniejsza koszty budowy.

Mosty łukowe stawia się tam, gdzie budowanie fila­rów jest trudne - na przykład nad głębokimi wąwoza­mi lub rwącymi rzekami. Łuk ma dużą wytrzymałość, gdyż jest zawsze ściskany - siły działające na łuk ściskają go, a nie rozciągają. Ciężar obciążenia zamie­niany jest na siły boczne, które są przenoszone na oparcia boczne przez końce łuku.

Most wspornikowy skonstruowany jest tak, że wyglą­da jak dwie trampoliny skierowane do siebie. Każda „trampolina" została solidnie zakotwiona w brzegu i wsparta filarem, ustawionym w bliskiej odległości od niego. Te dwie „trampoliny", na których spoczywa jezd­nia, czyli pomost, są zwykle połączone w środku krótkim odcinkiem wiszącym. Mosty wspornikowe często budu­je się nad głębokimi kanałami, tam gdzie filary można wznosić jedynie na płyciznach blisko brzegu.

Mosty wiszące buduje się tam, gdzie konieczne jest uzyskanie jeszcze większej rozpiętości przęseł. W mostach takich pomost zawieszony zostaje na sta­lowych linkach zwisających z grubszych lin, utrzymy­wanych^ górze przez betonowe pylony.

Dobór materiałów

Maksymalna rozpiętość przęsła dowolnego rodza­ju mostu jest częściowo uzależniona od wytrzy­małości materiału, z którego most ten jest zbudo­wany. Mosty wspornikowe, zbudowane z kratownic ze stali o dużej wytrzymałości na rozciąganie, mo­gą mieć 700-metrową rozpiętość przęsła bez prze­kraczania granic opłacalności, a rozpiętość przęsła stalowych mostów łukowych dochodzić może do 900 m. Mosty wiszące mogą mieć rozpiętość około 1500 m, gdyż liny mają większą wytrzymałość na rozciąganie niż belki stalowe.

Beton jest materiałem niedrogim i wygodnym w zastosowaniu. Ma dużą wytrzymałość na ściska­nie, ale nie jest wytrzymały na rozciąganie, a więc stanowi odpowiedni materiał na łuki i filary, ale mniej nadaje się do wykonywania belek i wsporni­ków. Poczynając jednakże od lat pięćdziesiątych, zastosowanie technologii sprężania betonu przyczy­niło się do wzrostu jego wszechstronności. W tech­nologii tej sprężany beton jest wylewany na stalowe pręty, mocno naprężone za pomocą dźwigników hy­draulicznych. Kiedy następuje zwolnienie dźwig­ników, druty ściskają beton, znacząco zwiększając jego wytrzymałość na rozciąganie. W wielu współ­czesnych mostach belkowych i wspornikowych wy­korzystano sprężony beton i dzięki temu mosty te mają zadziwiająco smukłe proporcje.

120 Tunele

Jak się drąży tunel

głowica wrębowa

ostrza

l grudnia 1990 roku Wielka Brytania przestała być wyspą. Połączenie dwóch końców tunelu drążonego pod kanałem La Manche połączyło Anglię z Francją po raz pierwszy od 10 000 lat i otworzyło nową erę w transporcie kolejowym. 50-kilometrowy tunel, położony na głębokości 50 m pod dnem morskim, w rzeczywistości składa się z trzech oddzielnych szybów wydrążonych przez ogromne maszyny wiertnicze, ważące 500 ton. W sumie 13 000 ludzi ciężko pracowało pod dnem morskim przez 33 miesiące, aby doprowadzić do końca to gigantyczne przedsięwzięcie, w wyniku którego z drążonego tunelu wybrano taką ilość odpadów skalnych, że można by nimi trzykrotnie wypełnić piramidę Cheopsa w Gizie.

Od pierwszych lat XIX wieku budowniczowie marzyli o przeprowadzeniu tunelu pod kanałem La Manche. Te dawne projekty upadły ze względu na brak możliwości technicznych, funduszy lub woli politycznej (a także ze względu na obawy przed inwazją francuską) i dopiero w maju 1994 roku tunel, najdłuższy w świecie szlak pod­morski, został otwarty dla ruchu. Jego budowa koszto­wała ponad 15 miliardów dolarów.

Zanim rozpoczęto drążenie tunelu, rozważano różne możliwe trasy jego przebiegu na podstawie mapy warstw, czy]i pokładów skalnych pod kanałem, stworzo­nej przy zastosowaniu sejsmicznych technik badaw­czych, a także na podstawie próbek skalnych pobranych przez platformy wiertnicze z głębokości dochodzących do 80 m pod dnem morskim. Badania te doprowadziły do odkrycia warstwy, położonej na głębokości mniej więcej 50 m, która idealnie nadawała się do wydrążenia w niej tunelu. Warstwa ta zbudowana była z marglu kre­dowego, czyli mieszaniny kredy i gliny, która jest wy­starczająco miękka, aby drążenie w niej było łatwe, a jednocześnie wystarczająco wytrzymała, aby nie do­chodziło w niej do zawałów. Co istotne, margiel zwykle nie zawiera jednego z wrogów budowniczych tuneli, czyli formacji wodonośnych - gniazd bardzo porowatej skały, w których gromadzą się znaczne ilości wody. Kie­dy w czasie drążenia natrafi się na jedno z takich gniazd, może nastąpić prawie natychmiastowe zalanie tunelu.

— pokład marglu kredowego

Anglia

komom

rozjazdowa

siłowniki hydrauliczne

dźwig montażowy

wkładki rozporowe

siłowniki rozporowe

Podróż do środka Ziemi

Spośród trzech równoległych tuneli najpierw został wydrążony tunel obsługi technicznej o średnicy 4,8 m, biegnący pomiędzy dwoma głównymi tunela­mi kolejowymi. Pozwoliło to na oszacowanie stanu pokładu marglu kredowego, zanim rozpoczęto w nim główne wiercenia. Pracę ogromnych maszyn wiertni­czych do drążenia tunelu poprzedzały wiercenia wą­skimi świdrami, które badały teren na 10 m naprzód, poszukując niespodziewanych formacji wodonośnych i innych zagrożeń.

Maszyny wiertnicze do drążenia tuneli to takie 200--metrowe mechaniczne dżdżownice. Z przodu mają gło­wice wrębowe, czyli bębny o średnicy ponad 8 m. Ich czoła, wyposażone w ostrza tnące (czyli diamentowe tar­cze), wykonują2-3 obroty na minutę, wchodząc w kredę i odłupując urobek. Tuż za głowicami wrębowymi są umieszczone hydrauliczne wkładki rozporowe, które, napierając na ściany świeżo wydrążonego tunelu, pozwa­lają maszynie solidnie zaklinować się, aby dać oparcie posuwającej się do przodu głowicy. Nieco bardziej z tyłu ogromne ramiona robotów układają betonowe elementy łukowe, składające się na obudowę tunelu. Dalsze sekcje murują obudowę (wypełniając rzadką zaprawą prze­strzenie pomiędzy skała, kredową a betonem) i układają Unię tymczasowej kolejki wąskotorowej, używanej do transportu urobku na powierzchnię. Ogromne maszyny utrzymywane są na właściwym kursie za pomocą lase­rów: nawet najmniejsze odchylenie od kursu jest korygo­wane przez osiem siłowników hydraulicznych sterują­cych głowicą.

tunel.

obsługi

technicznej

instalacja wentylacyjna

_ rurociąg chłodzą

tunel główny

kanał upustowy

Połączenie z kontynentem Tunel pod kanałem La Manche [C] tak naprawdę składa się z trzech oddzielnych korytarzy -dwóch tuneli jezdnych, którymi biegną tory kolejowe, oraz trzeciego tunelu obsługi technicznej, który umożliwia dostęp do obu tuneli jezdnych i ewentualną ewakuację ludzi W ciągu każdej sekundy do tunelu obsługi technicznej wtłacza się przez szyb łączący

łącznikowy

Z powierzchnią ponad 70 m powietrza wentylacyjnego Powietrze to wpływa do tuneli jezdnych przez kanały łączniko­we, które łączą wszystkie trzy tunele co 375 m Dodatkowo rozmieszczone co 250 m kanały upustowe służą równoważeniu fali ciśnienia, którą wytwarzają pędzące pociągi W odległości kilku kilometrów od brzegów obydwu krajów znajdują się komory rozjazdowe o średnicy

tunel główny

ponad 19 m i długości 17( gdzie pociągi mogą zmień tor, po którym jadą W tur jeżdżą dwa główne rodzaj pociągów pociąg pasazei Eurostar oraz przewożący s chody pociąg Le Shuttle 7 obsługi technicznej wyposa jest we własne pojazdy ratownicze, które są autom tycznie sterowane w ten sp< ze podążają za przewodam ułożonymi pod jezdnią

Zobacz także Pociągi 20 Systemy kolejowe 22 Górnictwo 100 Ropa naftowa: poszukiwania 102 Prawa przyrody 236 240 242

l\inele 121

nt obudowy — przenośnik urobku

zwornik —.

T \ przenośnik mentów

Centymetr za centymetrem

Główne korytarze tunelu pod kanałem La Manche zostały wydrążone za pomocą maszyn wiertniczych do drążenia tuneli Są one ogromne mają prawie 9 m wysokości i ciągną za sobą pomocniczy pociąg długości 260 m Z tyłu takiej maszyny działa system kolejowy, służący do transportu odpadów skalnych i dostaw pomiędzy przodkiem wierceń a powierzchnią Z przodu maszyny wiertniczej [B] znajduje się obrotowa głowica wrębna Jej utwardzone ostrza wcinają się w warstwę marglu kredowego, przez którą biegnie tunel Urobek - świeżo wydrążona skała kredowa -spada na taśmą przenośnika, który usuwają z miejsca

wierceń Wkładki rozporowe, dociśnięte do ścian za pomocą siłowników hydraulicznych, utrzymują maszynę wiertniczą w miejscu, a inne siłowniki pchają głowicę wrębną do przodu i utrzymują jej właściwy kierunek poruszania się Co 1,5 m dźwig montażowy układa pierścień składający się z sześciu betonowych elementów, zamkniętych siódmym elementem -zwornikiem Elementy te są dostarczane za pomocą dwóch przenośników taśmowych, znajdujących się na górze i na dole maszyny wiertniczej

Idealna warstwa

Pokłady skalne pod kanałem La Manche [A] idealnie nadają się do drążenia w nich tuneli Szczególnie jeden z pokładów, pokład marglu kredowego, jest wystarczająco miękki, aby wiercenia w nim mogły postępować szybko, a jednocześnie, co bardzo istotne, nie przepuszcza wody Dodatkowo, jest on także wystarczająco wytrzymały, aby me nastąpił w mm zawał, zanim tunel zostanie obudowany Warstwa marglu, która ciągnie się przez całą szerokość kanału, pocięta jest przy brzegach Francji przez kilka uskoków geologicznych, a następnie opada w dół

Powiększanie lądu

Przy drążeniu tuneli pod kanałem La Manche maszy­ny wiertnicze wydobyły ponad 6 000 000 m3 urobku. Na francuskim brzegu urobek ten najpierw mieszano z wodą, tak że powstał szlam, którym następnie za­pełniono laguny i posiano na nich trawę. W Anglii odpadki skalne wykorzystano do powiększenia lądu u stóp słynnych białych skał w Dover, dzięki czemu powstało miejsce, w którym zlokalizowano instalację klimatyzacyjną i przepompownię, działające na po­trzeby tunelu. Po stronie francuskiej ziemia ma wiele uskoków i dlatego istnieje większe niebezpieczeń­stwo zalania wodą nowo wydrążonego tunelu. Aby temu zapobiec, tuż za głowicami wrębowymi maszyn wiertniczych drążących tunel umieszczono uszczelki nie przepuszczające wody, a ponadto tunele po stro­nie francuskiej obudowano bardziej wytrzymałym żeliwem.

Na jednej trzeciej i na dwóch trzecich podmorskiej drogi dwa tunele kolejowe łączą się ze sobą na krót­kim odcinku w ogromnych komorach rozjazdowych. W komorach tych pociągi mogą zmieniać tory, dzięki czemu w każdym momencie, gdy konieczne jest prze­prowadzenie prac konserwacyjnych, można zamknąć dla ruchu tylko jedną szóstą całego systemu tunelowe­go. Angielski rozjazd został wydrążony przy zastoso­waniu nowej austriackiej metody wiercenia tuneli, po­legającej na tym, że przodkowe maszyny wiertnicze -ogromne wiertła na ruchomych wysięgnikach - drą­żyły komory, za każdym razem wyrywając jeden ka­wałek skały. Na świeżo odsłoniętą skałę natychmiast natryskiwano torkret, czyli rodzaj szybko wiążącego betonu.

komora rozjazdowa

elementy obudowy

tunel obsługi technicznej

pojazd obslugi technicznej

tunel główny

—— pociąg Le Shuttle

Znikający punkt (z lewej) Ten fascynujący widok głównego tunelu kolejowego wyraźnie pokazuje ogromne rury z prawej strony, którymi płynie woda chłodząca, służąca do usuwania ciepła wytworzonego przez przejeżdżające pociągi Wędrując znajdującymi się po obu stronach toru betonowymi półkami, można pieszo opuście pociąg, który utknął w tunelu

122

Drapacze chmur

Jak się buduje drapacze chmur

Górujący nad Chicago 443-metrowy budynek Sears Tower jest najwyższym budynkiem świata. Ale nie wiadomo, jak długo składający się ze 110 pięter 20-lemi drapacz chmur zdoła utrzymać ten rekord. Szacuje się, że do końca tego stulecia 300 milionów ludzi zamieszka w 21 megamiastach, w których zapotrzebowanie na przestrzeń życiową będzie zaspokajane przez wznoszenie coraz wyższych budowli. Kilka japońskich firm budowlanych przedstawiło projekty futurystycznych budynków, które ciągną się na 2 km w górę, ale już dzisiaj przy użyciu wypróbowanych i przetestowanych metod jesteśmy w stanie wybudować drapacz chmur wysokości 800 m.

Przez wiele lat budowana z elementów stalowa konstrukcja stanowiła kręgosłup najwyższych budyn­ków świata. W ostatnim dziesięcioleciu coraz częściej do budowy szkieletu drapaczy chmur używano bardzo wy­trzymałego betonu sprężonego, ale najwyższa z betono­wych budowli - 65-piętrowy wieżowiec wysokości 288 m przy South Wacker 311 w Chicago - nadal nie może się równać ze swym sąsiadem o szkielecie stalo­wym, czyli z budynkiem Sears Tower.

Solidna podstawa

Fundamenty większości drapaczy chmur są kładzione w podobny sposób. Najpierw przygotowuje się wykop -ziemię pod planowanym budynkiem wybiera się kopar­kami lub wysadza w powietrze, a ściany wykopu wzmacnia się płytami, które umocowane są za pomocą stalowych słupów zwanych stojakami. Niektóre bardzo głębokie wykopy sięgają do warstw gruntu lub skały mogących bezpośrednio utrzymać masę budynku, ale częściej, aby dotrzeć do gruntu o większej wytrzymało­ści, konieczne jest wbijanie kafarami szerokich pali. Cza­sami grunt jest tak luźny, że trzeba go związać przez obróbkę chemiczną: bliźniacze wieżowce budynku World Trade Center w Nowym Jorku stoją na gruncie zestalonym w ten sposób.

Pale zwykle są połączone z podziemną betonową płytą fundamentową, w której zakotwione są pionowe słupy drapacza. Płyta fundamentowa i pale pełnią rolę elementów kotwiących, które nie tylko podtrzymują masę budynku i jego zawartości, ale także przeciwsta­wiają się siłom bocznym działającym na budynek, po­wodowanym wiatrem i aktywnością sejsmiczną. Nic dziwnego więc, że fundamenty wieżowca muszą być ogromne - na przykład budynek przy South Wacker 311 spoczywa na betonowej płycie fundamentowej grubości 2,4 m, połączonej z setką pali średnicy od 92 cm do 2,74 m i długości dochodzącej do 34 m.

Strzeliste konstrukcje

Kiedy budowanie drapaczy chmur było jeszcze w po­wijakach, większość budynków miała prostą kon­strukcję belkowo-słupową. Szkielet konstrukcyjny stanowił las stalowych słupów połączonych belkami. Taka konstrukcja ograniczała wysokość budynku do około 20 pięter, gdyż powyżej tej wysokości grubość belek i słupów musiałaby przekroczyć granice opła­calności, aby konstrukcja mogła oprzeć się jakiemu­kolwiek kołysaniu bocznemu budynku.

Budowanie budynków 30- i 40-piętrowych stało się możliwe wraz z pojawieniem się systemu ścian we­wnętrznych. W konstrukcji tej budynek ma sztywny trzon centralny, często ze ścianami ze zbrojonego be­tonu, które tworzą elementy o przekrojach skrzynko­wych. Konstrukcyjnie rzecz biorąc, trzon przeciw­działa siłom zginającym działającym na budynek i podtrzymuje część lub całość jego ciężaru, ale jest on także dogodnym miejscem do zainstalowania wind i szybów, służących do obsługi budynku. Podłogi przytwierdzone są do samego trzonu oraz do odcho-

Strzelisty gmach Sears Tower

110-piętrowy budynek Sears Tower w Chicago jest, jeśli chodzi o konstrukcję, „ wiązką " prostopadłościanów o konstrukcji stalowej (patrz poniżej) U podstawy 9 prostopadłościanów w układzie 3 na 3 zajmuje w całości powierzchnię równą 69 na 69 m Prostopadłościany te kończą siana różnych wysokościach 2 kończą się na wysokości 15 piętra, 2 na wysokości 66 piętra, 3 kolejne na wysokości 90 piętra i tylko 2 osiągają pełną wysokość budynku, czyli 443 m Taki układ ma tą zaletą, ze pozwała na różnorodne rozplanowanie pięter, a także skutecznie opiera się bocznym obciążeniom wywoływanym przez wiatr Ponadto dzięki temu, ze budynek ma zdecydowanie mniejszą masę na szczycie, jest mniej narażony na zniszczenia przy trzęsieniu ziemi

Konstrukcje, które pną się w górę

W drapaczu chmur, wybudowanym w systemie ścian trzonowych [A], lekkie betonowe podłogi [1] wsparte są na wspornikach ze sprężonego betonu [2] Z kolei wsporniki te są zamocowane do betonowego trzonu budynku o przekroju skrzynkowym [3] W budynku o konstrukcji szkieletowej [B] liczne, ciasno

rozmieszczone słupy, zespawane z wewnętrznymi belkami (czyli ryglami), stanowią konstrukcję, która jest odpowiednikiem pustego w środku wspornika Pod wpływem obciążeń bocznych, takich jak na przykład wiejące wiatry, konstrukcja ugina się Ściśnięcie słupów po stronie zawietrznej oraz rozciągnięcie słupów po stronie nawietrznej zapobiega dalszemu uginaniu

się Aby wznosić budynki jeszcze wyższe, nie powiększając jednocześnie liczby i szerokości słupów (a co za tym idzie, me zmniejszając maksymalnej powierzchni okiennej), konstrukcje szkieletowe są wzmacniane belkami ukośn (cięgnami) [C] Główne elementy konstrukcyjne zaznaczone są kolorem czerwonym

Zobacz także. Mosty 118 Tunele 120 Produkcja stali 188 Obróbka metali 190 Prawa przyrody 226 236

moduł

stalowy

* w kształcie

drz.ewka

" ^zybkopnie

-oniec

\m przy

E] to najwyższy Zastosowano e szkieletową, \aną na

. t.i1u na to, iż jest \a u budowie 7n Wharf przez

\ca

a betonowej ej grubości ona

)cą 222 pah, ^ redmcę ostał we około i belki M ę ; wielu 'mv H ksztal elementów, r bukuje łatwo

- *we przy użyciu

- jJmt lanych

•. lększe

-T-u^i^jne za

ł»j trro/n składa

- z\cie faliste", j-/ ćfo metalo-r e \\-\lewa się .j- feron zwiąże, -*>-ah ale lekki ") i stropów mele „ścian 'ewnej stali

betonowa płyta fundamentowa

123

Wspinające się żurawie

Gdy buduje się drapacz chmur, żurawie „ wspinają się " wewnątrz wieżowca [D], aby nadążać za postępami robot Najpierw żuraw jest solidnie przytwierdzony do belki na jednej z kondygnacji [1] Kiedy trzeba przesunąć go w gorę, zacisk zapadkowy połączony Z żurawiem za pomocą siłownika hydraulicznego [2] zaciska się na „drabinie" [3]

biegnącej wewnątrz wieżowca Główny zacisk zostaje zwolniony [4] i siłownik wysuwa się, podnosząc żuraw w gorę Następnie kolejny zacisk zapadkowy zaciska się na drabinie [5] i następuje cofnięcie siłownika Czynności te powtarza się, dopóki żuraw nie zostanie przesunięty na odpowiednią wysokość Wtedy żuraw mocuje się za pomocą zacisku głównego [6]

pale

dzących od mego wsporników: daje to architektowi swobodę projektowania układu przestrzeni wokół trzonu.

Kolejne miejsce, jeśli chodzi o konstrukcyjne możli­wości budowania w górę, zajmują budynki o konstrukcji szkieletowej. Konstrukcja ta stanowi przeciwieństwo konstrukcji trzonowej, gdyż w tym wypadku wszystkie najistotniejsze elementy konstrukcyjne usytuowane zo­stały zewnętrznie i tworzą coś, co przypomina ogromną, sztywną, prostopadłościennąrurę. Rura ta utrzymuje cię­żar budynku i daje odpór obciążeniom bocznym działa­jącym na budynek. Wiele współczesnych wieżowców ma tego rodzaju konstrukcje. Charakteryzują się one du­żym zagęszczeniem elementów konstrukcyjnych na zewnętrznym obrysie budynku (są to liczne słupy ze­wnętrzne połączone wewnętrznymi belkami), ale jeśli chodzi o wnętrze, takie rozwiązanie konstrukcyjne daje architektowi całkowitą swobodę w projektowaniu ukła­du przestrzennego na rozległych piętrach.

Coraz większe wysokości wznoszonych gmachów zmusiły konstruktorów do przyjęcia nowych metod za­pobiegania zniszczeniom powodowanym przez trzęsie­nia ziemi lub przynajmniej ich zminimalizowania. W bu­dynkach odpornych na trzęsienia ziemi stosuje się zasad­niczo dwa główne rozwiązania konstrukcyjne. W pierw­szym z nich w celu zrównoważenia obciążeń wywoła­nych trzęsieniem ziemi w poprzek dachu przesuwany jest ciężki betonowy blok, umieszczony na szczycie bu­dynku i poruszany za pomocą sterowanych komputero­wo amortyzatorów. W drugim rozwiązaniu część funda­mentów budynku stanowią ogromne gumowe „pochła­niacze drgań", które umożliwiaj ą poruszanie się budynku wraz ze wstrząsami sejsmicznymi i ograniczają w ten sposób zniszczenia elementów konstrukcji.

124

Produkcja papieru

Jak się produkuje papier

Wynalezienie metody produkcji papieru około 2000 lat temu w Chinach było jednym z najbardziej brzemiennych w skutki wydarzeń w historii naszej cywilizacji. Papier, w połączeniu z prasą drukarską, stał się sposobem przechowywania i rozpowszechniania wiedzy o niewiarygodnym znaczeniu. Zasadniczo proces produkcji papieru niewiele się zmienił w ciągu dwóch tysiącleci, choć obecnie automatyzacja pozwala na produkowanie papieru w ogromnych ilościach, jakich domaga się poligrafia i przemysł produkcji opakowań. Dzisiaj pojedyncza maszyna jest w stanie wyprodukować ponad 3001 papieru dziennie.

Kartka papieru to mata składająca się z przypadkowo przeplecionych włókien celulozy, z których każde ma długość nie większą niż 4 mm. Celuloza jest polimerem zbudowanym z tysięcy cząsteczek glukozy, połączonych w długi nierozgałęziony łańcuch. Jest to najczęściej wy­stępująca cząsteczka organiczna na Ziemi, gdyż stanowi podstawowy element budulcowy każdej roślinnej ścian­ki komórkowej. Włókna celulozy dają ściankom komór­kowym roślin zarówno wytrzymałość, jak i elastycz­ność - to właśnie te cechy uczyniły celulozę idealnym surowcem do produkcji papieru.

Teoretycznie papier zrobić można prawie z każdego surowca roślinnego, ale najlepszym źródłem uzyskiwa­nia celulozy jest drewno, które zawiera ponad 60% tego polimeru. Obecnie ponad 50% światowej produkcji drewna przeznacza się na zaopatrywanie przemysłu pa­pierniczego. Jednakże drewno pierwotne nie jest jedy­nym źródłem włókien celulozy dla tego przemysłu. W większości papierni do produkcji używa się ponad 50% makulatury, zużytego kartonu, a także szmat, trocin i wiórów drewnianych.

W papierni surowce te poddawane są obróbce che­micznej i mechanicznej, która ma na celu rozdzielenie i całkowite namoczenie wchodzących w ich skład

Roztwarzanie mechaniczne

Klody dostarczone do papierni [A] obdziera się z kory i moczy Następnie przechodzą, one do urządzeń które zajmują się chemicznym lub mechanicznym roztwarzaniem Przy roztwarzaniu mechanicznym kłody ładowane są do młyna, w którym dociska się je do kamienia ściernego, obracającego się z prędkością 360 obrotów na minutę Powierzchnia kamienia pokryta jest ziarnami ściernymi węgliku krzemu Powstały w ten sposób ścier jest najpierw bielony, a następnie płukany

korowarka

Wytwarzanie ścieru przez roztwarzanie chemiczne

Okorowane kłody, przeznaczone do roztwarzania chemicznego, przechodzą przez rębak Powstałe w mm wióry drewniane podawane są od góry do warmka chemicznego -pionowego walca o wysokości dochodzącej do 60 m Z wiórami miesza się substancje żrące - zwykle jest to wodorotlenek sodu i siarczek

środki żrące

sodu, wzrasta także temperatura oraz ciśnienie w warniku W tych skrajnvch warunkach wióry drewniane zamieniają się w ścier, który następnie płucze się, ab\ usunąć z mego substancje żrące We współczesnych wamikach wyprodukować można 600 t ścieru dziennie Ścier, zarówno uzyskam w procesie roztwarzania mechanicznego, jak

zbiornik do przechowywania ścieru

płukanie ścieru

Zobacz także Drukowanie 76 Utylizacja odpadów 130 Polimery 192 Prawa przyrody 226 228

Produkcja papieru 125

wjHodukowany poprzez wymarzanie chemiczne, bieli

*- pomocą dwutlenku

-j. ab\ uzyskać większą

t. • - J4 osc, a następnie środek

"< - -v jest wypłukiwany Teraz

^echamczne rafinery

j ą ścier, aby zwiększyć

-r>r\lację Ścier poddaje ^miemu płukaniu surowiec do wyrobu

-j. magazynuje się . mn\ch kadziach

włókien. Powstały w ten sposób ścier podawany jest następnie do maszyny papierniczej. Tu cienką war­stwę ścieru rozprowadza się na poruszającej się drucia­nej siatce, tak aby powstał arkusz włókien splecionych w matę. Mokry arkusz prasuje się i suszy.

Właściwości różnych gatunków papieru uzależnione są od rodzaju wykorzystanego ścieru i obróbki, jakiej został poddany. Do produkcji papieru do pisania używa się mieszanki ścieru pochodzącego z drzew o drewnie miękkim i drzew o drewnie twardym. Włókna celulozy drzew o drewnie miękkim są długie i dobrze się spla­tają, tworząc arkusz wytrzymały, ale chropowaty; na­tomiast drzewa o drewnie twardym są źródłem krót­kich włókien celulozy, które „wypełniają" nierówności w arkuszu, dzięki czemu staje się on nieprzejrzysty, a je­go powierzchnia nabiera gładkości.

Ścier wytwarzać można albo przez mechaniczne ście­ranie drewna, albo przez warzenie wiórów drewnianych razem ze środkami żrącymi. Ścier uzyskany w procesie obróbki mechanicznej jest tańszy w produkcji, ale ma jednocześnie stosunkowo małą wy­trzymałość, gdyż poszarpane

walce

włókna są drobne. Używa się go do produkcji np. papieru gazetowego. Podczas wytwarzania ścieru w procesie obróbki chemicznej całe włókna pozostają nienaruszone, dzięki czemu można z nich produko­wać papier o większej wytrzymałości.

Zanim ścier dostanie się do maszyny papierniczej, jest mielony i czyszczony. Każde włókno składa się z wielu cząsteczek celulozy, połączonych razem. Mie­lenie włókien powoduje częściowe rozdzielenie czą­steczek - jest to proces zwany fibrylacją. Włókna, w których nastąpiło częściowe rozluźnienie wiązań pomiędzy cząsteczkami, mogą utworzyć więcej wią­zań z sąsiednimi włóknami, dzięki czemu powstaje wytrzymały, zwarty papier, taki jak na przykład kalka kreślarska. Z włókien o niskim stopniu fibrylacji po­wstaje papier mniej wytrzymały, taki jak bibuła.

Na rodzaj produktu końcowego mają również wpływ substancje dodane do ścieru podczas produkcji. Przy wytwarzaniu wysokiej jakości papieru drukarskiego i papieru do pisania do ścieru dodaje się wypełniacze, takie jak glinka (kaolinowa) lub kreda, oraz wybielacze, takie jak na przykład dwutlenek tytanu.

Produkcja papieru

Wytwarzanie papieru [B] rozpoczyna się w momencie, gdy włókna drewna zostaną podane do skrzyni wlewowej W skrzyni tej jest formowany ze ścieru szeroki i cienki pas, który podaje się na ruchomą taśmę siatkową maszyny papierniczej płaskositowej Mokra mata z włókien przesuwa się nad skrzynkami ssącymi, które odciągają z niej

wodę, a następnie jest sprasowywana za pomocą walca zwanego eguterem Potem walce wyciskają z maty kolejną porcję, wody Wilgotny zwój papieru suszy się, przepuszczając go przez układ walców grzewczych Filcowe pasy dociskają papier do walców Suchy papier przepuszczany jest przez zespoły stalowych walców (gładziarek), które dają mu gładkość wykończenia

pasy filcowe

—— walce

gladziarki

wiązania (mostki) wodorowe cząsteczki glukozy

Papier z makulatury

Zużyty papier zbiera się i prasuje w bele, a następnie dostarcza do papierni Tu zamienia się go w ścier i usuwa z mego farbę drukarską [C], a potem ścier ten miesza się ze ścierem z drewna pierwotnego Makulatury me da się przerabiać na papier w nieskończoność, gdyż wielokrotne przerabianie na ścier powoduje zmniejszenie wytrzymałości papieru

Struktura włókna

Cząsteczka celulozy to długi łańcuch cząsteczek glukozy Łańcuchy połączone są wiązaniami (mostkami) wodorowymi, tak iż tworzą mikrofibryle (mikrowłokienka) [D], mikrofibryle splatają się ze sobą, tworząc pojedyncze włókno Wiele włókien połączonych wiązaniami wodorowymi składa się na arkusz papieru (z lewej) r

126

Produkcja układów scalonych

Jak się wytwarza układy scalone

Każdy mikroukład krzemowy jest precyzyjnie wytrawionym produktem końcowym skomplikowanego procesu produkcyjnego. Ten proces obróbki krzemu rozpoczyna się od najzwyklejszego surowca - piasku, a uzyskany w ten sposób krzem jest tak przetwarzany i oczyszczany, że powstają z niego pojedyncze kryształy długości metra. Ten ogromny kryształ jest cięty za pomocą diamentowej piły tarczowej na bardzo cienkie płytki, na których wytrawia się setki pojedynczych układów scalonych; każdy taki układ zawiera miliony drobnych elementów elektronicznych. Wreszcie ukończone już układy scalone dzieli się i tak powstaje wyrób końcowy - wszystkie części komputera, które mieszczą się na kwadraciku mniejszym niż paznokieć.

Czysty kryształ krzemu nie przewodzi prądu elek­trycznego, chyba że drogą dyfuzji wprowadzone zo­staną do niego śladowe ilości innych substancji, czyli domieszek. Różne domieszki dają krzemowi szczegól­ne właściwości, które wykorzystuje się do wytwarza­nia mikroukładów krzemowych, to znaczy elementów elektronicznych, takich jak tranzystory czy układy scalone.

Czysty krzem, niezbędny do produkcji układów sca­lonych, jest efektem długotrwałego procesu oczyszcza­nia. Proces ten rozpoczyna się od obróbki krzemionki, która stanowi główny składnik piasku: w wyniku przeta­piania krzemionki z węglem otrzymuje się krzem o 98--procentowej czystości, czyli nadal zbyt zanieczysz­czony, aby nadawał się do wykorzystania. Następnie krzem ten rozpuszcza się w kwasie solnym, a tak po­wstały płyn jest destylowany trakcyjnie i w ten sposób oczyszczany prawie ze wszystkich zanieczyszczeń. Ogrzewając pozostałą ciecz w obecności wodoru, otrzy­muje sięultraczysty krzem.

Krzem ten ma jednak postać mieszaniny wielu kry­ształów o różnych kształtach i orientacjach. W metodzie Czochralskiego wyciągania kryształów krzem topi się w ogromnym tyglu, do którego zanurza się uchwyt z ma­łym kryształem zaszczepiającym. Atomy roztopionego krzemu przyłączają się do zarodzi zgodnie z jej strukturą, podczas gdy jest ona obracana i powoli wyciągana w gó­rę. W ten sposób zaródź rozrasta się w pojedynczy wal­cowaty kryształ długości metra.

Sterylna produkcja

Wszystkie etapy produkcji układów scalonych odby­wają się w pomieszczeniu czystym, czyli w pomiesz­czeniu, w którym każde 30 cm3 powietrza powinno zawierać mniej niż 1000 cząsteczek pyłków, wilgot­ność zaś musi być zerowa. Temperatura jest stale utrzymywana na poziomie 20°C, a wszyscy pracowni­cy muszą nosić fartuchy ochronne, rękawiczki i ochra­niacze na buty. Środki te są konieczne, gdyż nawet pojedyncza cząsteczka pyłku czy kropla wody może zniszczyć całą wytwarzaną partię układów scalonych.

Ogromny blok krzemu jest polerowany tak, aby po­wstał idealny walec, który następnie tnie się za pomocą diamentowej piły tarczowej na cienkie płytki grubości l mm. Powierzchnie tych płytek są polerowane zawiesi­ną cząsteczek o średnicy zaledwie jednej dziesiątej mi­krometra tak, aby powstała lustrzana podstawa, na której będzie można wykonać w technice fotolitografii do 200 identycznych układów scalonych.

Każdy układ scalony składa się z ponad miliona we­wnętrznie połączonych tranzystorów, diod i oporników. Elementy te są zbudowane z warstw krzemu o różnych domieszkach, z odizolowanymi złączami krzemionko­wymi i metalowymi. Ukończone już układy scalone, za­mknięte w ochronnym plastikowym opakowaniu i połą­czone z metalowymi pajakowatymi nóżkami za pomocą drucików z czystego złota, wędrują następnie do urzą­dzeń tak odmiennych, jak zegarki ręczne i próbniki mię­dzyplanetarne.

Wzrost kryształu

Następnym etapem w produkcji mikroukładów krzemowych jest wytworzenie pojedynczego ogromnego kryształu [B] Czysty krzem z rafinatora strefowego \1\ kruszy się i topi w tyglu [8] Tygiel obraca się w atmosferze gazów obojętnych w zbiorniku ciśnieniowym [9] Do stopionego krzemu na metalowym obrotowym uchwycie [10]

opuszcza się kryształ zaszczepiający, ustawom odpowiednio ustalony Następnie obniża się temperaturę stopionego hrjan tak aby podczas powoiney® wycofywania kryształu z frpłi atomy krzemu przyłączać inc do mego zgodnie z jego strukturą i krzepnąc, /m idealny walcowaty o długości jednego metra [11]

Oczyszczony minerał

Wyprodukowanie ultraczystego krzemu, niezbędnego do produkcji układów scalonych, to wieloetapowy proces [A] Surowcem jest tu krzemionka [1], która występuje w środowisku naturalnym w postaci minerałów, takich jak kwarc Przetapianie w tyglu krzemionki z dodatkiem węgla usuwa z te] mieszanki tlen, dzięki czemu powstaje na wpół oczyszczony krzem [2] Tygiel z krzemem przechodzi następnie przez zespól wąskich cewek grzejnych w rafmatorze strefowym [3] Każda z cewek topi niewielką część zawartości tygla, w które] są zgromadzone zanieczyszczenia Wraz z przemieszczaniem się tygla przez cewki [4] zanieczyszczenia zbierają się w jednym jego końcu, który następnie się odcina [5] Produktem końcowym tego procesu jest blok krzemu o 99,99-procentowe] czystości [6]

1C

r

n

Zobacz także Technika wideo 58 Sprzęt biurowy 72 Komputery 78 80 82 84 Odnawialne źródła energii: Słońce i wiatr 112 Miniaturyzacja 146

Produkcja układów scalonych 127

kształcą dwie jamy z krzemu typu P w jamy z krzemu typu N który przewodzi tylko ładunki ujemne Teraz do obwodu dodaje się złącza elektryczne i ponownie nakłada warstwą dwutlenku krzemu i substancji światłoczułej i przeprowadza się naświetlanie maską [21] tak powstają kanały sięgające do warstwy krzemowej typu N i do bramki [22] Następnie na powierzchni cienką warstwą rozprowadza się aluminium [23] Po naświetlaniu przez maską i wytrawieniu na płytce pozostają trzy metalowe styki elektryczne [24] Na jednej płytce krzemowej można wytworzyć do pięciuset układów scalonych [D] z których każdy jest testowany układy działające odcina się diamentową piłką i mocuje w plastikowej obudowie [E]

iu scalonego

alonegojest ubosci letta [12] h ilości bwod go projekt j)ine maski * stępuje TŁ« u wyniku _ * *ii^A spośród ~ «nrtn\ M arstwa (T \ajpierw •"» powlekany ~~ a dwutlenku

h i na

ikanie t ów kopiowej

Goiące gazy wytrawiają większą część dwutlenku krzemu pozostawiając tylko cienką warstwą dla izolacji [15] u sumąta zo staje także reszta światłoczułej warstwy kopiującej [ 16] Teraz nakłada się warstwę przewodzącego polikrzemianu z którego wykonana będzie bramka tranzystora a także nową światłoczułą warstwę kopiową Następuje kolejne naświetlanie przez maskę [17] Po płukaniu w rozpuszczalniku na płytce pozostaje wzór w kształcie litery L [18] Wytrawianie usuwa z płytki pohkrzemian którego me osłania warstwa światłoczuła a także cienką warstwę dwutlenku krzemu [ 19] odsła mając w ten sposób dwie jamy podkładu krzemowego Następuje usunięcie pozostałości warstwy światłoczułej i w ten sposób bramka wynosi się ponad jamy Domieszkowanie [20] pire

. ._ ,4 218 226 250 252 254 256

128

Roboty

W jaki sposób roboty wyczuwają przedmioty i manipulują nimi

Nazwa „robot", pochodząca od czeskiego słowa robota, została wprowadzona w latach dwudziestych przez pisarza Karela Ćapka. Ale pierwsze praktyczne działania w dziedzinie robotyki podjęto dopiero w latach pięćdziesiątych, kiedy opatentowano „stacjonarny manipulator przemysłowy" - wczesną wersję ramienia robota. Skomplikowane urządzenia, będące jego następcami, są obecnie w powszechnym użyciu, wykonując rozmaite działania w złożonych procesach produkcyjnych. Konstruuje się także roboty, które koszą trawniki, dozują leki, a nawet strzygą owce. Jednakże samodzielne, rzeczywiście inteligentne roboty to nadal tylko odległe marzenia.

Stworzona w powieściach fantastycznonaukowych wi­zja androida - robota o wyglądzie człowieka -jak dotąd nie stała się jeszcze rzeczywistością. Większość dzisiej­szych robotów przemysłowych przypomina jednak bu­dową przynajmniej niewielki fragment budowy anato­micznej człowieka, czyli ludzkie ramię. Połączenia po­między częściami działają tak jak ludzkie stawy, a za­miast dłoni wyposażone są one w uchwyt narzędziowy, czyli efektor. Podobieństwo to jest jednak zwodnicze, gdyż umiejętności robotów w sposób znaczący odbiega­ją od ludzkich. Są one silne - mogą dźwigać duże ciężary bez zmęczenia - i są w swoim działaniu w sposób po­wtarzalny niezwykle precyzyjne. Dlatego idealnie nadają się do wykonywania żmudnych i nudnych prac, stano­wiących część wielu procesów produkcyjnych.

Liczba ruchomych połączeń, czyli liczba stopni swobody, w które jest wyposażony robot, decydu­je o jego umiejętnościach. Trzy stopnie są nie­zbędne, aby efektor mógł dotrzeć wszędzie w zasięgu pracy ramienia, a trzy kolejne są potrzebne, aby mógł uchwycić daną rzecz, czyli przedmiot obrabiany, z każdej strony. Choć robot potrzebuje sześciu stopni (i do­datkowo siódmego - otwierania i zamyka-

Przemysłowi siłacze

Na proces produkcji samochodów składają się powtarzalne czynności, które trzeba wykonywać precyzyjnie i szybko, dlatego jest to idealne zadanie dla robotów Roboty, które są o wiele silniejsze niż robotnicy-ludzie, wykonują takie czynności, jak malowanie natryskowe, montaż części czy spawanie (z prawej) Aby przesunąć się H odpowiednie położenie, typowe ramię robota [A] obraca się wokół osi kilku połączeń, napędzanych elektrycznymi serwosilnikami [1] Inne połączenie w „dłoni" steruje efektorem Robot jest sterowany przez komputer, który Z kolei programuje się poprzez przystawkę samouczącą [3] Roboty często ustalają swoje położenie za pomocą koderów przyrostowych [4] Gdy fragment „kończyny" robota obraca się, fotokomórka [5] wysyła impuls za każdym razem, kiedy mija ją linia na dysku Licząc impuhy, komputer zawsze wie, jakie jest położenie jego „kończyny" Tego samego robota można wykorzystywać do wykonywania rożnych czynności, zmieniając jego efektor Uchwyty próżniowe [6] mają kilka przyssawek i są wykorzystywane do podnoszenia

i ustawiania we właściwym położeniu przedmiotów o gładkich powierzchniach, na przykład szyb samochodowych Dwuszczękowy uchwyt przeznaczenia ogólnego [7] często jest wyposażony w umieszczone na jego zakończeniach czujniki, uniemożliwiające zgnieceme przedmiotu Przedmioty delikatne wymagają zastosowania uchwytu pierścieniowego [8] Uchwyt ten obejmuje przedmiot dookoła, a gumowa rurka napełnia się powietrzem i w ten sposób robot chwyta go z równym naciskiem

Sztuczna, głupota (powyżej) Amerykańscy naukowcy skonstruowali kilka robotów owadów, zdolnych do poszukiwania cienia i chowania się w nim - to proste zadanie nazwano „sztuczną głupotą" Roboty-owady przyszłości mogą być wykorzystywane w przemyśle do kontroli i naprawy urządzeń, do których me można dotrzeć w inny sposób

Zobaci także Samochody: układy 14 Miniaturyzacja 146 Prawa przyrody 228 236 238 240 250 254 256

v>

Roboty 129

--ektora), aby mógł naśladować wszechstronność ru-ludzkiego ramienia, każde połączenie ma pewne

DTzez co precyzyjne ustawienie ramienia staje się ^ejsze. Z tego względu, a także aby obniżyć koszty Acji, wiele robotów przemysłowych wykonuje się

z czterema lub pięcioma stopniami swobody.

-iniona robotów muszą być bardzo sztywne i dla-

-nzeważnie są niezwykle ciężkie. Napędzające je

~iuszą więc mieć duże moce oraz być zdolne do

^recyzyjnego funkcjonowania. W mniejszych

stosuje się czasami silniki krokowe, w któ-

inik pokonuje z góry określoną odległość ką-

za każdym razem gdy do silnika dociera impuls

"ny. Największe ramiona robotów są zbyt

.iby mogły być zasilane wyłącznie silnikami

nymi. Zamiast tego do ich napędzania używa

ów hydraulicznych i siłowników sterowa-

ez centralny komputer.

\ zmysłów

t mógł wykonywać swoje zadania, musi odwo-do pomocy odpowiedników przynajmniej nie-x)śród pięciu ludzkich zmysłów. Dotyk można

-ostymi mikroprzełącznikami. Ich styki zamy-d pod bardzo małym naciskiem i w ten sposób A gnał, że efektor chwyta przedmiot obrabiany, erowama serwosilnikiem stosowany jest prosty

-oyczny, dotknięcie przedmiotu może być zare-e w jeszcze prostszy sposób -jako wzrost natę-leranego prądu, nory następuje wtedy, gdy

-> się efektor napotyka opór. Czujniki zbliże-

ją zarejestrować usytuowane w pobliżu przed-

dotykania ich, czasami przez wytwarzanie

.romagnetycznego. Znajdujący się w pobliżu

Podskakiwanie

Podskakujący robot ciągle traci równowagę i dlatego trudno mm sterować Jedno z doświadczalnych rozwiązań tego rodzaju urządzenia [B] może podskakiwać w miejscu, a także przemieszczać się we wszystkich kierunkach Metrowej wysokości robot sklada się z dwóch głównych części korpusu, w którym

umieszczone są zawory, czujniki i urządzenia elektroniczne, oraz nogi umożliwiającej poruszanie się Obie te części połączone są kablem z pobliskim komputerem Nachylenie korpusu mierzy się za pomocą żyroskopu, inne czujniki zaś kontrolują długość nogi, jej położenie względem korpusu i to, czy dotyka ona ziemi, czy tez nie Gdy urządzenie zaczyna

skakać, siłowniki hydrauliczne wypychają nogę w lewo [1], tak ze korpus zaczyna się przechylać w prawo Tłok napędzany sprężonym powietrzem odpycha nogę od podłogi [2] W powietrzu noga cofa się i obraca w prawo, aby zrównoważyć urządzenie przy opadaniu na ziemię [3]

tłok

pneumatyczny

metalowy przedmiot zmienia wartość natężenia tego pola, a zmiana ta może spowodować zarejestrowanie obecności przedmiotu przez sterownik robota. W in­nych rodzajach czujników kontroluje się zmiany w sposobie odbijania światła lub czas potrzebny do odbicia impulsu w podczerwieni.

O wiele większe zdolności badania otoczenia uzy­skuje się dzięki systemom wizyjnym, wykorzystują­cym kamerę telewizyjną. Na pierwszy rzut oka bardzo prosta umiejętność rozpoznawania przedmiotów z ob­razu wideo w rzeczywistości wymaga wykorzystywa­nia ogromnych mocy obliczeniowych i skomplikowa­nych programów sztucznej inteligencji. Skonstruowa­no nawet urządzenia, których działanie często wyko­rzystuje różnice w przewodności rozmaitych substan­cji, a które stanowią czujniki zapachu i smaku - ist­nieje już robot-degustator wina.

Zdalne kierowanie

Jedną z głównych zalet robotów jest to, że mogą wyko­nywać swoje zadania w sytuacjach niebezpiecznych, w których ludzie nie mogliby pracować w ogóle lub je­dynie przez krótki czas. Ściśle mówiąc, przyrządy, o któ­rych mowa, to nie roboty, ale urządzenia zdalnie stero­wane, ponieważ nie są one sterowane przez komputer, ale naśladują zachowanie sterującego nimi człowieka. Istnieją już przyrządy służące do rozbrajania bomb, a po­dobnego rodzaju urządzenia były używane do oczysz­czania terenów skażonych promieniotwórczo w Czarno-bylu. Rozwój techniki rzeczywistości wirtualnej i udo­skonalenia w mechanice robotów mogą kiedyś umożli­wić ludziom wykonywanie niebezpiecznych i skompli­kowanych zadań - nawet operacji chirurgicznych -z drugiego końca świata.

130 Utylizacja odpadów

Jak społeczeństwo radzi sobie ze śmieciami, które produkuje

Co roku każdy człowiek w Stanach Zjednoczonych produkuje odpadki o masie dwudziestokrotnie większej niż ich własna masa - razem daje to ponad 300 000 000 t śmieci rocznie. Choć niewielka część tych śmieci jest powtórnie 1 wykorzystywana, zdecydowanej większości pozbywamy się przez spopielanie lub składowanie w ogromnych wyrobiskach, takich jak wysypisko Fresh Kills na Staten Island w Nowym Jorku. Wysypisko Fresh Kills, którego masę szacuje się na 90 000 000 t, a objętość na 10 000 000 m3, jest jedną z największych konstrukcji wzniesionych przez człowieka w Ameryce Pomocnej.

Około 50% wszystkich odpadów stałych wytwarzanych przez współczesne społeczeństwo to odpady pochodze­nia rolnego, w których skład wchodzi nawóz zwierzęcy i pozostałości roślinne. Większa część takich odpadów wraca do gleby w tych gospodarstwach, gdzie zostały wyprodukowane, i przynosi dużo pożytku jako nawóz i substancja stabilizująca grunt.

Kolejne 40% odpadów pochodzi z procesów pro­dukcji metali (na przykład odpady kopalniane i żużel piecowy), które zwykle są składowane tam, gdzie zo­stały wytworzone. 5% to odpady przemysłowe, które, w zależności od stopnia toksyczności albo składuje się, albo powtórnie wykorzystuje (jako surowiec), al­bo też poddaje obróbce, która zmniejsza ich szkodli­wość. Ale właśnie pozostałe 5% - śmiecie produko­wane w naszych domach i przez sektor usługowy -przy ciągaj ą najwięcej uwagi opinii publicznej, gdyż to one bezpośrednio wpływają na nasze życie i to na ich utylizację mamy największy wpływ.

Ekologiczne sprzątanie

Trzy główne metody postępowania ze śmieciami miej­skimi to powtórne wykorzystywanie (jako surowca) zużytych materiałów, składowanie i spalanie. Zwykle najlepszą spośród tych metod jest powtórne użycie. Dzięki niemu ilość śmieci, których trzeba się pozbyć, zmniejsza się o 50%; redukuje się ilość zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery; zmniejsza się zapotrzebo­wanie na surowce i energię. Na przykład produkowa­nie aluminium ze złomu, zamiast z rudy, czyli boksytu, pozwala zaoszczędzić ponad 90% energii, powtórne zaś wykorzystanie zużytego plastiku do produkcji bute­lek może o połowę zmniejszyć rachunek producenta za paliwo. Pomimo tych zalet powtórne wykorzystywanie zużytych materiałów nadal odgrywa stosunkowo nie­wielką rolę w pozbywaniu się śmieci: tylko 11% śmieci w Stanach Zjednoczonych i 15% śmieci w Niemczech likwiduje się w ten sposób.

Co z oczu, to i z serca

W większości krajów składowanie stanowi główny sposób pozbywania się śmieci, a olbrzymie wysypiska znajdujące się na obrzeżach amerykańskich i europej­skich miast zawierają do 80% wszystkich odpadów miejskich. Dzisiejsze wysypiska to coś więcej niż tyl­ko doły wykopane w ziemi: projektuje się je tak, aby zapobiegać przeciekaniu do gruntu i wód gruntowych toksycznych ścieków, zawierających amoniak, substan-^ cje organiczne i inne zanieczyszczenia chemiczne. Pod­ziemne rury odprowadzają na powierzchnię wytwarzany przez rozkładające się śmieci metan, który tam można bezpiecznie wypalić.

W ciągu ostatnich 50 lat wysypiska śmieci stanowi­ły wygodne i niedrogie rozwiązanie. Jednakże rosnące ceny gruntów, a także coraz ostrzejsze przepisy doty­czące ochrony środowiska przyczyniły się do znaczne­go wzrostu ceny składowania śmieci i dlatego instytu­cje odpowiedzialne za ich pozbywanie się zaczęły zwracać się w coraz większym stopniu ku spopielaniu jako metodzie likwidacji odpadów.

Zdatne do picia

Przeciętne europejskie gospodarstwo domowe produkuje każdego dnia ponad 400 l zużytej wody Woda ta odprowadzana jest do systemu kanalizacyjnego i podziemnymi rurociągami płynie do oczyszczalni ścieków [A], gdzie jest oczyszczana, a następnie wypuszczana z powrotem do rzek i strumieni Gdy ścieki dotrą już do oczyszczalni, zespól urządzeń mechanicznych usuwa z nich stopniowo coraz drobniejsze zanieczyszczenia stałe

Największe części stale, takie jak szmaty, usuwane są za pomocą rzadkich filtrów [1] Następnie woda powoli przepływa przez osadniki [2] Poruszając się z małą prędkością, cząsteczki drobnych zanieczyszczeń i ziarna piasku średnicy większej mz 0,2 mm opadają na taśmę przenośnika [3] taśma ta przenosi cząsteczki zanieczyszczeń do

koryta [4], z którego usu je za pomocą wynoszące w górę przenośnika [5] 1 woda pompowana jest do zbiorników sedymentacyj [6], gdzie pozostaje mniej więcej przez 90 mm Cza, jest wystarczająco długi, nawet najdrobniejsze gżą, pływające w zawiesinie ( osadem kanalizacyjnym) osiadły na dnie zbiornika

L

Zobacz takie: Górnictwo 100 Elektrownie 106 Produkcja papieru 124 Prawa przyrody 222 224 228 232

kotłownia

ntra zbiorcza metanu

zbiornik odpadów płynnych

Wysypisko śmieci

Śmieci składowane na wysypisku [B] są codziennie ugniatane spycharkami i przysypywane warstwą ziemi po to, aby ograniczyć rozprzestrzenianie się nieprzyjemnego zapachu i pasożytów Wyłożenie dna dwiema warstwami plastiku, zapobiega wyciekowi toksycznych ścieków, które zbierają się w warstwie żwiru i są odpompowywane z wysypiska do dalszej obróbki Inne podziemne rury służą do odprowadzania na powierzchnię wytwarzanego przez rozkładające się śmiecie metanu, gdzie się go wypala, czasem wytwarzając przy tym użyteczną energię Głęboki odwiert sięgający poniżej wysypiska pozwala na sprawdzanie, czy woda gruntowa me została skażona

Utylizacja odpadów 131

W płomieniach

Piec do masowego spopielania [C] może każdego dnia mmiemć 1000 t śmieci w 250 t popiołu, dzięki czemu zmniejsza się ilość odpadów stałych, które muszą być składowane na wysypisku Piece do spopielania śmieci mogą być również źródłem energii gdy w palenisku [1] spalane są śmiecie, wytwarzane w ten sposób ciepło przekazywane jest do kotła [2] Woda wpompowana do kotła [3] zamienia się w parę [4], którą wykorzystuje się do wytwarzania energii elektrycznej Dym powstający w wyniku spalania oczyszcza się za pomocą płuczki wieżowej [5], gdzie w dymie rozpylane są związki wapnia, które reagują z toksycznymi związkami w dymie Wszystkie cząsteczki zanieczyszczeń, pozostające w dymie, usuwane są z niego za pomocą filtra elektrostatycznego [6]

wmte ca pomocą o napędzie

*• [71 albo tez,

• cząsttk unoszących tsrzchm, zostały mocą

• u iele

^si b\ c jeszcze

-Lzaniu aore usunie potencjalnie

niebezpieczne związki organiczne W komorze napowietrzania [9] częściowo oczyszczone ścieki miesza się z rożnego rodzaju bakteriami tlenowymi Gdy przez tą mieszaninę przepuszcza się tlen [10], bakterie rozkładają substancje organiczne na nieszkodliwe minerały, gazy i wodę W większości ścieków rozkład substancji organicznych trwa około 8 godz W kolejnych

zbiornikach sedymentacyjnych [11] usuwa się zużyte bakterie, a następnie oczyszczana woda poddawana jest filtrowaniu dokładnemu [12] Dostaje się ona do obracającego się bębna, którego ścianki stanowi bardzo drobny filtr, odfiltrowujący wszystkie pozostałe cząstki substancji stałych Teraz oczyszczona woda może być wypuszczona do rzeki, jeziora czy tez morza Osad kanalizacyjny ze zbiorników sedymentacyjnych [6, 11] poddawany jest obróbce w zbiornikach fermentacji osadu [13] Tu bakterie „zjadają" osad, wytwarzając przy tym metan, którego spalanie może być źródłem energii elektrycznej [14] Po drugiej fermentacji [15] osad może zostać wykorzystany jako nawoź [16]

Palący problem

W piecach do spopielania śmieci można spalać bar­dzo różnorodne substancje, stanowiące odpadki z na­szych gospodarstw domowych. Wydzielana przy tym energia cieplna może być używana do wytwarzania energii elektrycznej lub do ogrzewania mieszkań. Wewnątrz pieca stosuje się obrotowe paleniska lub ruchome ruszty, wspomagające spalanie. Chcąc zniszczyć produkty spalania, z których część jest toksyczna, nad płomień wstrzykuje się powietrze, aby przez 15 s utrzymać temperaturę przynajmniej 800°C. Spalanie likwiduje większość śmieci, ale po­zostawia 20% ich objętości w postaci popiołu, który zwykle wywożony jest na wysypisko. Popiół denny, czyli zwęglone resztki dużych przedmiotów i przed­mioty nie spalone, składuje się na wysypiskach w ta­ki sam sposób, jak śmiecie produkowane przez nasze gospodarstwa domowe. Drobnoziarnisty popiół lot­ny, który ma większe stężenie metali ciężkich i in­nych zanieczyszczeń, powinien być składowany z większą ostrożnością, na zabezpieczonych wysypi­skach.

Na stosowanym H położnictwie obrane ultradw lokowym sjufTiie podbarwionym pr <?,, komputer wyraźnie widać bliźniaki w łonie przyszłej matki