Tyhjiöenergia

Sähkömagnetiikan ja vaihtoehtoisten energioiden tutkimuksissani käytin aikaa tyhjiöenergian mahdollisuuksien selvittämiseen.

Jo 1920 luvulla Dirac toi esiin negatiivisen energian käsitteen, kun hän tutki elektronien suhteellisuusteorian mukaista käyttäytymistä.Tämä oli suora seuraus Einsteinin yleisestä suhteellisuusteoriasta, joka antoi energialle kaksi vastakkaismerkkistä ratkaisua. Diracin teorian ja Paulin kieltosäännön mukaan kaikki negatiiviset energiatilat tyhjiössä olivat miehitettyjä. Dirac siis esitti, että tyhjiö on täynnä negatiivisen energian omaavia hiukkasia. Kyse oli niinsanotusta Diracin merestä.




Diracin meri kostuu positiivisen energian omaavista energiatiloista, jotka kaikki ovat miehittämättömiä. Kaikki negatiivisen energian tilat ovat sen sijaan miehitettyjä. Tämä on outo rakennelma. Olennaista siinä on kuitenkin, se että tyhjiön sisällä energiatasapaino saattaa hetkellisesti muuttua. Se tapahtuu niin, että negatiivisen energian täyttämään mereen syntyy aukko. Hiukkanen siirtyy positiivisen energian tasolle ja jättää taakseen aukon. Tämä aukko käyttäytyy, kuin hiukkanen. Myöhemmin löydettiin anti-elektroni, siis positroni. Näinollen, tyhjiössä tapahtuu tällaisia elektroni-positroniparien muodostumista jollakin tilastollisella tavalla.

Molemmilla muodostuneilla hiukkasilla on massa, ja energiaa.Energiaperiaatetta ei kuitenkaan ole rikottu, sillä on osoitettu tämän syntyneen energian pysyvän Heisenbergin epämääräisyysperiaatteen rajoissa.

Diracin teoriaa on kehitetty eteenpäin: 1930 luvultaon kehitetty kvanttikenttäteoriaa (QFT) ja sen jälkeen kvanttielektrodynamiikkaa (QED). Olennainen ajatus on kuitenkin sama.

Tämä tyhjiön ei-tyhjyys on tarpeellista selittämään monta muutakin asiaa. Einsteinilla oli suuria vaikeuksia yleisen suhteellisuusteoriansa kanssa. Hänen tensorinsa antoivat ratkaisuksi määrittelemättömän termin: kosmologinen vakio. Teoria ei antanut mitään osviittaa siihen, mikä olisi tämän olennaisen parametrin arvo. Jos se olisi positiivinen, avaruus laajenisi kiihtyvästi. Jos taas negatiivinen, silloin maailmankaikkeus on sykkivästi supistuva. Myöhemmät havainnot osoittavat, että tällä vakiolla tulisi olla positiivinen arvo.

Tyhjiöenergia luonnollisesti on hyvä kandidaatti selittämään positiivisen kosmologisen vakion. Näillä tasaiseen tahtiin muodostuvilla elektroni-positroni pareilla on keskimäärin tietty energia ja massa tietyssä tilavuudessa. Voidaan ajatella, että avaruudessa on massaa ja energiaa, vaikka se onkin kovin erilaisessa muodossa, kuin olemme tottuneet näkemään.

Tuossa kaikessa ei ole mitään uutta. Perustavaa laatua oleva ongelma on siinä, että nämä kvanttikenttäteoriat antavat erittäin suuren arvon kosmologiselle vakiolle suhteessa siihen, mitä tähtitieteilijät ovat havainneet. Ero massiivinen. Kvanttikenttäfyysikoiden arvo on kosmologien arvoa suurempi kertoimella, jossa on 130 nollaa /1/.

Jos kvanttikenttäteoreetikot ovat oikeassa, kuutiosenttimetri tyhjyyttä sisältää kilowattitunteja semmoisen määrän, että sen luvun kuvaamiseen tarvitaan sata nollaa. Tyhjiöenergian olemassaolo on todistettu jo vuonna 1948 hollantilaisen Casimirin toimesta. Hänen nimeään kantava Casimir efekti tarkoittaa sitä, että kaksi metallilevyä vetää toisiaan puoleensa, kun ne asetetaan hyvin lähelle toisiaan.

Levyjen välinen Casimir vetovoima johtuu siitä, että levyjen välissä Schrödingerin aaltoyhtälön ratkaisut ovat seisovia aaltoja ja näillä aalloilla on levyjen etäisyydestä riippuvat energiamäärät. Koska voima on energian gradientti, silloin seurauksena on vetovoima, koska energia pienenee levyjä lähennettäessä.

Pelkällä Casimir voimalla ei luonnollisesti pysty tuottamaan energiaa. Se toimii, kun jousi. Se ottaa vastaan saman energian, kun tuottaa.

Viime aikoina eri tahoilla on kehitelty ajatusta eräänlaisesta tyhjiöenergian Carnot koneesta, jolla tyhjiöenergiaa saataisiin hyödynnettyä jalostamalla Casimir voimaa sellaiseksi sykliksi, joka tuottaisi energiaa ulkoiseen järjestelmään /2, 3/.

Tulee olemaan mielenkiintoista seurata tämän tutkimusalueen kehittymistä. Onnistuessaan tyhjiöenergian hyödyntäminen muuttaisi maailman. Energiasta tulisi taas halpaa, oikeastaan ilmaista.


/1/ http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_energy
/2/ http://prola.aps.org/abstract/PRE/v48/i2/p1562_1
/3/ http://www.calphysics.org/articles/Davis_STAIF06.pdf

Energiaa maan magneettikentästä

Olen sähkömagnetiikan jatko-opinnoissani törmännyt ajatukseen maan magneettikentän hyödyntämisestä energianlähteenä. Asiaa eivät ole viime aikoina tiedemiehet pohtineet. Sata vuotta sitten enemmän. Aikansa huiput, kuten Heaviside Varley ja jopa Tesla yrittivät kehittää moottoreita käyttäen tätä energian lähdettä.
Perinteisesti on ajateltu, että maan magneettikenttä maan pinnalla on liian heikko tuottamaan energiaa. Pieni se onkin: vaivaiset 30 mikro-Teslaa.

Teen pienen ajatuskokeen. Ratkaisen Maxwellin yhtälöt maan magneettikentän suuntaiselle pitkälle ferromagneettiselle kappaleelle. Käy ilmi, että sen sisällä voi olla jopa satakertainen magneettivuon tiheys verrattuna ilmaan maan pinnalla. Tämä on 3 milliteslaa.

Magnetostatiikan yhtälöt kertovat minulle, että kuutio materiaalia 3 milliteslan kentässä sisältää energiaa noin neljä joulea. Sekään ei ole paljoa.
Mutta, entä jos jollain järjestelyllä voitaisiin magneettikentän suuntaa muuttaa vaikka 10 000 kertaa sekunnissa? Silloin tämä kuutio tuottaisi energiaa 10 kilowattia. Jos suunnanvaihto olisi miljoona kertaa sekunnissa, silloin energiantuotanto olisi 10 megawattia. Se vastaisi kolmea huippuluokan tuulivoimalaa kovan tuulen oloissa.

En nyt ole sanomassa, että tuo magneettikentän ohjaus olisi välttämättä mahdollista. Magneettikenttää ei nimittäin niin vain ohjata, koska varsinaista magneettista eristettä ei ole olemassa – suprajohdetta lukuunottamatta. Yhden teoreettisen rakenteen voin kyllä ajatella. Korkean lämpötilan suprajohdetta voitaisiin pitää lähellä kynnyslämpötilaansa, ja sitten aktivoida ulkoisella periodisella herätteellä oskilloimaan suprajohtavuuden ja tavanomaisen olomuodon välillä.

Niin tai näin: on silmiä avaavaa huomata, että maapallon sisällä on monenlaisia energianlähteitä, joista yksikin voi ratkaista kaikki tämän maapallon energiapulmat.

Energiansäästölamput

Suomen vihreän puolueen eräs saavutus on nopea siirtyminen energiansäästölamppuihin. EU tasolla on määritelty suuntaviivat, jonka mukaan useissa maissa on jo kielletty hehkulamput. Näköpiirissä on, että kielto laajenee vähitellen koko EU alueelle. Vihreät ovat perustelleet tätä sen kautta saatavilla massiivisilla energiansäästöillä. He saivat koko poliitikkokentään mukaansa, vasemmalta oikealle.

Kaunis ajatus.

Luin asiasta tehdyn tutkimuksen:
http://www.ncp.fi/julkaisut/sahkoinenjulkaisu/Kontturi%20&%20%C3%85lander.pdf

Tämän perusteella voi tehdä seuraavassa esitetyt johtopäätökset.
Tyypillisen valaisimen aiheuttama sähkölasku vuodessa on 24 euroa, kun käytetään hehkulamppua. Energiansäätölampulla vuosikustannus on 4.4 euroa. Laskennallista säästöä on siis 20 euroa. Tähän asti kaikki hyvin.

Ongelmaksi kuitenkin tulee energiansäästölamppujen tehoton tapa tuottaa valoa. Reilusti yli puolet energinsäästölampun kuluttamasta nimellistehosta on loistehoa. Pätöteho on se, joka tuottaa valoa tai lämpöä. Loisteho vain kuormittaa verkon infrastruktuuria.

Viitatun tutkimuksen mukaan loistehon vuotuinen suora kustannusvaikutus sähköyhtiölle on 44 euroa menetettynä myyntitulona. Tämän lisäksi sähköyhtiö joutuu investoimaan laitteistoihin, joilla poistetaan energiansäästölamppujen yliaaltoja. Sähköyhtiöt jouotuvat myös investoimaan merkittäviä määriä kompensointikondensaattoreihin, poistaakseen loistehon verkosta. Tämä hinta tulee siirtymään kuluttajien sähkölaskuihin.

Johtopäätös edellisestä on: on kokonaistaloudellisesti edullisempa käyttää hehkulamppuja.

Tässä laskelmassa ei edes oteta huomioon sitä seikkaa, että hehkulampun tuottama lämpö on pois huoneistojen lämmitysenergin kustannuksista. Huomiotta jää myös se, että energiansäästölamppujen sisältämä elohopea aiheuttaa lisäkustannuksia kuljetuksiin ja kierrätykseen.

Ei ihan heti tule mielen huonommin harkittua ja toteutettua poliittista uudistusta, kun tämä viherliikkeen voimallisesti ajama uudistus.

Maalämpö ja Helsinki

Olen jonkinverran hämmästellyt Helsingin energian nuivaa suhtautumista maalämpöön. He eivät halua, että kerrostaloyhtiöt ja omakotitalot rakentavat maalämpöpumppuja. Lehdissä ja asiantutijoiden toimesta tämä on tulkittu energiayhtiön ahneudeksi. Maalämmön käyttö vähentää kaukolämmön kulutusta ja Helsingin energian liikevaihtoa. Väite on väärä.

Kuten aina, energia-asiat ovat monitahoisia ja toimittajilla ei riitä intoa tai taitoa penkoa asioita pintaa syvemmältä. Nimittäin, asian tarkempi analyysi paljastaa, että maalämmön käyttö Helsingin talojen lämmitykseen voi itse asiassa kasvattaa kaupungin kokonaisenergiankulutusta. Mistä tämä paradoksi tulee?

Kyse on sähkön- ja lämmöntuotannon yhteiskäytön luomasta tehokkuusedusta. Lämpövoimalaitoksen hyötysuhde on korkeintaan noin 30%. Tämä on yksinkertaista fysiikkaa, lämpövoimakoneen hyötysuhteelle on maksimi, jota ei voi ylittää. Sähkön- ja lämmön yhteistuotannon etuna on lauhdelämmön hyödyntäminen kaukolämpönä. Koska tämä lauhdelämpö voidaan hyödyntää lämmöntuotannossa, yhdistetyn tuotannon hyötysuhde saadaan lähelle 90% tasoa.

Helsingissä 90% lämmityksestä tapahtuu yhdistettynä tuotantona. Toisin, kuin kellokas pääministerimme sanoo, Helsinki on energiankäytön malliopppilas ja edellä kaikkia muita.

Jos maalämpöpumput yleistyvät, se tarkoittaa A) kaukolämmön tarpeen vähenemistä ja B) sähköntuotannon tarpeen kasvua. Tämä muuttaa näiden tuotantojen keskinäistä suhdetta ja johtaa siihen, että suuri osa lauhdelämmöstä muuttuu tarpeettomaksi. Seurauksena on Helsingin energiatuotannon kokonaishyötysuhteen aleneminen. Lopputuloksena on energiankäytön lisääntyminen, eikä aleneminen. Maalämpöpumput Helsingissä ovat kansantalouden ja CO2 päästöjen rajoittamisen kannalta haitallisia.