NA 3 DNI: A to historia! Energia – napęd cywilizacji


Początek rozwoju cywilizacji miał miejsce kilka milionów lat temu, wraz z pojawieniem się u naszych przodków pierwszych narzędzi, pierwszej broni. Wiązał się on z okiełznaniem ognia. Początkowo narzędzia wykonywano z materiałów dostępnych bezpośrednio z ziemi, czasami przetwarzanych z użyciem ognia (jak np. przy ostrzeniu strzał). Ogień był jednym z największych sprzymierzeńców ewoluujących do obecnych czasów ludzi. Był źródłem energii (podobnie jak i dziś) jak i światła, odstraszał drapieżniki, zapewniając bezpieczeństwo.

Energia była (i nadal jest!) głównym czynnikiem rozwoju cywilizacyjnego. Możnaby polemizować że to mózg napędził cywilizację, jednak czy mózg byłby w stanie funkcjonować bez paliwa, które go zasilało? Początkowo jedynie przyjazną energią była energia cieplna ze spalania materiałów roślinnych. Energia wód, czy żywiołów budziła lęk i raczej była nieprzydatna ludom pierwotnym, no może poza piorunami rozpalającymi ogień, gdy jeszcze nie opanowano tej sztuki.

Z czasem okazało się, że niektóre kamienie wrzucone do ognia palą się dłużej niż drewno i materiały roślinne, no i dłużej utrzymywały żar. Zachęceni przodkowie opanowywali coraz bardziej ogień, poznawali jego tajniki. Ciekawość doprowadziła do tego, że z niektórych kamieni, w niektórych warunkach powstawał nowy materiał – metal, początkowo łatwo topliwy, jak np. cyna, czy też jej stopy z miedzią (do odkrycia czystej miedzi ogień był jeszcze za zimny). Dało to początek z jednej strony przetwórstwu metalurgicznemu, z drugiej strony zachęciło do poszukiwania i badania właściwości innych kamieni, a więc zapoczątkowało górnictwo. Ten czas to początek ery brązu, a koniec ery kamienia. Brąz znacznie lepiej nadawał się do wyrobu narzędzi i broni. Jednak do tego potrzebna była energia. Pochodziła ona ze spalania. W dalszych etapach ewolucji, wiążącej się z coraz lepszym poznawaniem ognia, tajników spalania paliw, a co za tym szło uzyskiwaniem wyższych temperatur, udało się zredukować do gąbczastej masy rudę żelaza. Takie gąbczaste bochny były kruche i w niczym nie przypominały obecnych stalowych wyrobów. Jednak podczas wyżarzania i przekuwania materiał ten stawał się jednym z najważniejszych dla ludzkości i pozostał takim do czasów obecnych… Był to początek ery żelaza…

Jakie znaczenie miała wtedy energia? Była potrzebna do przemieszczania się, wyrabiania narzędzi, zdobywania pokarmu. Wraz z rozwojem narzędzi pojawiły się pierwsze maszyny, które umożliwiły wykorzystanie siły wiatru (wiatraki), przepływu wody (koła wodne). U osiadłych ludów i u których rozwinęło się rolnictwo, mielono ziarna, napędzano miechy dmuchające w ogień i podnoszące jego temperaturę, napędzano wyciągarki górnicze, wietrzono sztolnie itp. Tam, gdzie energia była potrzebna, a nie było sprzyjających warunków stosowano siłę ludzkich lub zwierzęcych mięśni, napędzając kieraty. 

Górnictwo, hutnictwo i rolnictwo było głównym czynnikiem napędzającym. Śmiało można przyjąć takie założenie jeśli chodzi  o rozwój w dawnych  czasach na ziemiach polskich. Wyraźny skok pojawił się wraz ze zwiększaniem skali produkcji. W 1598 roku Jan Hieronim Caccia zbudował pierwszy w Polsce wielki piec. Różnił się on od dymarek skalą produkcji, a przede wszystkim tym, że wydobywana była z niego płynna surówka, a nie bochny wymagające przekuwania. W 1612 roku Caccia dostarczył w Smoleńsku królowi Zygmuntowi III białą broń wyprodukowaną w Samsonowie. Oczywiście broń nie była jedynym produktem wytwarzanym w nowym zakładzie metalurgicznym. Noże, kosy i wiele innych wyrobów przeznaczano dla potrzeb cywilnych. Kolejnym ważnym momentem była modernizacja i rozbudowa w 1818 roku ww. huty przez księdza Stanisława Staszica. Był to czas bujnego rozwoju hutnictwa na ziemiach polskich. Powstało wtedy wiele hut na bazie wielkich pieców i dymarek, energii dmuchu dostarczały wody rzeki Kamiennej napędzającej miechy. Wiązało się to z wieloma problemami, czasami wody w rzekach było za mało, by wykorzystać ich energię, a czasami fala powodziowa niszczyła całą infrastrukturę. Budowa stopni wodnych częściowo problem ten rozwiązywała.

Rozwój hutnictwa przyczynił się do rozwoju przemysłu maszynowego. Dobra Staszica sąsiadowały z dobrami Stanisława Małachowskiego, który rozwijał hutnictwo m.in. na ziemiach radomskich. Teren na którym działali Staszic i Małachowski znany jest jako Staropolski Okręg Przemysłowy, który upadł dopiero wraz z gospodarką wolnorynkową pod koniec XX w. Rozwój hutnictwa w Polsce na początku XIX miał też ujemne strony, mianowicie piece były opalane za pomocą węgla drzewnego, co doprowadziło do karczowania lasów. Były to początki czasów, w których zauważono problem dewastacji środowiska przy okazji produkcji przemysłowej i próbowano karczowanie ograniczyć. Budowy zakładów metalurgicznych pojawiały się tam, gdzie były lasy, a zakłady do których transport paliwa był zbyt kosztowny upadały. 

No i  maszyna parowa! Nieco wcześniej ten wynalazek Thomasa Newcomena udoskonalony przez Jamesa Watta przyczynił się do rewolucji przemysłowej na ziemiach Europy Zachodniej. Powstały nawet pierwsze pojazdy o napędzie parowym. W Polsce wynalazek ten został sprowadzony przez wspomnianego wcześniej Stasica. Kolejnym wielkim krokiem dla przemysłu polskiego było odkrycie w okolicach Dąbrowy Górniczej pokładów węgla koksującego, który to Anglicy zastosowali znacznie wcześniej (w 1708 roku Abraham Darby) do opalania wielkich pieców. Angielskie piece wcześniej opalano węglem kamiennym. Zastosowanie koksu poprawiło wydajność i jakość. Dalszą poprawę jakości wyrobów stalowych poprawiło pojawienie się (początkowo tylko w Anglii) pieców pudlerskich (koniec XVIII w.). Ograniczyło to wyręb lasów, ale przysporzyło innych problemów. Później, gdy przyszedł czas na rozwój kolei i transportu cennego surowca energetycznego do innych zakątków kraju, mógł nastąpić rozwój hutnictwa i energetyki cieplnej nie tylko na terenie zasobnym w ów surowiec. Oczywiście świadomość strategiczności tego surowca pod koniec XIX w. przyczyniła się do nieetycznych zmów cenowych i powstania kartelu węglowego. Skutkowało to często brakiem opału w np. Warszawie czy w Łodzi, a być może i pośrednio do wyprowadzki z Warszawy stalowni. 

Inny wielki krok to odkrycie w 1800 źródła energii elektrycznej. Dokonane to zostało przez Alessandra Voltę, która początkowo umożliwiła odkrycie przez Humphry’eja Davy’ego (ucznia Volty!) metali aktywnych w rodzimej postaci (sód, potas, wapń, magnez itp.), poprzez elektrolizę stopionych soli. Jednak szersze zastosowanie dla prądu przypadło na lata 80-te XIX w. za sprawą Nikolasa Tesli i Thomasa Edisona (ostro ze sobą rywalizujących, ale i elektryfikujących świat). Zbudowanie silnika elektrycznego, prądnic, sieci przesyłowych umożliwiło transport energii w odległe miejsca.

 

I polski wkład w dzieje rozwoju mocy, napędu i światła generowanego na ziemi.  Wybitny Ignacy Łukasiewicz na zlecenie kupca żydowskiego uzyskał z Janem Zehem „ducha” z ropy naftowej (który wtedy okazał się nieprzydatny a do celów spożywczych, choć miał mieć zastosowanie takie jak etanol), oraz coś mniej lotnego – naftę. Dzięki współpracy Łukasiewicza i blacharza Adama Bednarskiego zastosowano naftę do produkcji lamp naftowych (których premiera miała miejsce na sali operacyjnej lwowskiego szpitala w nocy 31 lipca 1853r.), choć wcześniej rozświetlała wystawę apteki. Ekspansję lamp naftowych ograniczyło wynalezienie żarówki przez Edisona… Tymczasem skonstruowanie przez Gottlieba Daimlera silnika benzynowego umożliwiło rozpoczęcie, wraz z Wilhelmem Maybachem produkcji samochodów osobowych. Benzyna, czyli ów duch z ropy naftowej stał się obiektem pożądania na całym świecie. W celu optymalizacji amerykańskiej produkcji destylatów z ropy naftowej podobno sam John Davison Rockefeller przybył do Łukasiewicza, w celu kupna technologii. Jednak Łukasiewicz odmówił sprzedaży, gdyż technologia ta miała służyć ludzkości, a nie zarabianiu pieniędzy. Wiedzę swoją przekazał Amerykaninowi nieodpłatnie, co Rockefeller uznał za objawy choroby psychicznej.

Energia energii nie równa. Do tej pory omówiliśmy w skrócie zjawiska energetyczne związane były z przemianami na poziomie cząsteczkowym, z energią wiązań chemicznych, uwalnianą głównie poprzez spalanie… Jednak poznanie zjawiska promieniotwórczości, dzięki odkryciu Henriego Becquerela w 1896 roku, przebadanego wraz z Marią Skłodowską – Curie i Piotrem Curie dało podwaliny pod nowe postrzeganie świata materii i energii. Zjawisko naturalnej promieniotwórczości zostało rozszerzone o sztuczną, dzięki Irenie Joliot – Curie (córce Marii i Piotra). Odkrycie zaś neutronu przez Jamesa Chadwicka umożliwiło bardziej skuteczną modyfikację jądra atomowego poprzez bombardowanie nowo odkrytą cząstką elementarną. Odkrycie m.in przez Wilhelma Wiena protonów w 1898 roku, nie ułatwiało modyfikacji jądra gdyż w przeciwieństwie do neutronów (elektrycznie obojętnych) odpychane były przez jądro, a więc trzeba było znacznie większych energii, by wbijać je w jądra, np. w celu stworzenia nowych pierwiastków. Okazało się, że odkrycie neutronów przyczyniło się do odkrycia rozszczepienia jądra przez Ottona Hahna i Fritza Straßmanna (w 1938r.), któremu towarzyszy wydzielanie się pokaźnej energii (m.in na sposób ciepła). Nie byłoby to możliwe bez poznania energii elektrycznej, umiejętności transformowania jej.

Chciałoby się by wynalazki energetyczne służyły tylko rozwojowi. Niestety. Początkowo odkrycie to doprowadziło do wyścigu pomiędzy walczącymi Niemcami i Amerykanami, by zdobyć nową broń. Niestety dwukrotnie ludzkość poznała jej niszczycielską moc na sobie (6 i 9 sierpnia 1945r) w Hiroszimie i Nagasaki. Następne lata doprowadziły do poznania tajników tej broni przez Związek Radziecki, jak i później inne mocarstwa, co zaowocowało wyścigiem zbrojeń i zimną wojną. Rywalizacja o prym zbrojeniowy przyczyniła się do późniejszych katastrof środowiskowych będących skutkami prób z coraz silniejszymi ładunkami. Z drugiej strony czasy Projektu U i Projektu Manhattan dały ludzkości wiele nowych przyrządów i materiałów, np. radar, teflon, potężne maszyny liczące. 

Lepiej późno niż wcale! Na szczęście uczestnicy projektów zbrojeń jądrowych po wojnie wpadli na pomysł wykorzystania tej energii dla celów pokojowych, co dało początek energetyce jądrowej. Pionierem okazał się Związek Radziecki, ale Amerykanie nie pozostali za bardzo w tyle. Podczas pracy nad Projektem Manhattan Edward Teller i Enrico Fermi dyskutowali nad możliwością syntezy jądrowej zapoczątkowanej przez wybuch ładunku z uranu 235, co umożliwiłoby uzyskanie potężnej energii, a co później poskutkowało pracami nad bombą H, zwaną również bombą termojądrową lub wodorową… Jednak to Tokutaro Hagiwara 4 miesiące wcześniej przewidywał możliwość zastosowania energii z rozszczepienia do inicjowania syntezy, co zaprezentował w maju 1941 roku podczas przemówienia na uniwersytecie w Kioto. Obecnie trwają prace nad pokojowym zastosowaniem syntezy jądrowej, która byłaby rewelacyjnym i bezpiecznym źródłem energii. Bezpieczeństwo gwarantować ma niestabilność plazmy zdolnej do syntezy jądrowej. Jakiekolwiek uszkodzenie obiektów termojądrowych zatrzyma reakcję syntezy. W ramach projektów nad energetyką termojądrową powstały stellatory i tokamaki, jednak praktyczne zastosowanie tej syntezy to perspektywa jeszcze dziesięcioleci. Możemy być świadkami rewolucji energetycznej!

Michał Karliński / Kilka słów o mnie: Z wykształcenia jestem inżynierem chemikiem. Ukończyłem Technologię Procesów Rafineryjnych i Petrochemicznych na Politechnice Warszawskiej f. Płock. Interesuje mnie szerokorozumiana chemia, zwłaszcza medyczna, technologia jądrowa, ale również muzyka i fotografia. Jestem zwolennikiem niskoemisyjnej energii (zielonej), zwłaszcza energii jądrowej. 


fot. autora: ruiny hutniczegp pieca pudlerskiego z Muzeum Staropolskiego Zagłębia Przemysłowego w Sielpii

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here