انرژی در مقیاسِ کهکشان‌ها

در منتخب سردبیر/نوشته شده در سال ۲۰۱۱ توسط
سردبیر: بشرِ مدرن طیِ چند صد سالِ گذشته شاهدِ افزایشِ خیره کننده‌ی میزانِ مصرفِ انرژیِ خود بوده است به گونه‌ای که باور به دائمی بودنِ این روندِ صعودی در ذهن و فرهنگ‌ِ جوامعِ مدرن ریشه دوانیده است. در این نوشته که توسط یک اخترفیزیک‌دانِ آمریکایی نوشته شده است افسانه‌ی رشدِ نامحدودِ‌ انرژی، حتی اگر به سرچشمه‌ی ارزان و نامحدودِ‌ انرژی دست بیابیم، توسط چند استدلالِ ساده‌ی فیزیکی باطل می‌شود.

ترجمه: روزبه فیض

از آغازِ انقلابِ صنعتی تاکنون ما شاهدِ رشدِ خیره‌کننده و پیوسته‌ی مصرفِ انرژی توسطِ تمدن‌هایِ مدرنِ انسانی بوده‌ایم. به نمودار زیر نگاه کنید که مصرفِ انرژی ایالاتِ متحده‌ی آمریکا را از ۱۶۵۰ تاکنون در مقیاسِ لگاریتمی نشان می‌دهد. این نمودار کلِ مصرفِ انرژیِ آمریکا، شاملِ چوب و سایرِ زیست‌توده‌ها، سوخت‌هایِ فسیلی، نیرویِ آبی، هسته‌ای و … را نشان می‌دهد؛ روندی صعودی که به تقریب با نرخِ رشدِ سالیانه‌ی ۲/۹ درصد مطابقت دارد. درکِ معنایِ واقعیِ امتدادِ این روندِ صعودی در آینده بسیار ضروری است، چرا که بسیاری از دولت‌ها، سازمان‌ها و افراد انتظار دارند این روند همچون چند قرنِ گذشته ادامه‌دار باشد. در واقع اگر به نمودارِ زیر نگاه کنید و فقط به آمار و استقراء تکیه کنید، این نتیجه‌گیری بی‌پایه‌ به نظر نمی‌رسد.

US-historical-energy
کلِ مصرفِ انرژیِ ایالاتِ متحده‌ی آمریکا (همه‌ی انواعِ انرژی) از ۱۶۵۰. برایِ این‌که منحنیِ نمایی (نرخِ رشدِ ثابت) بهتر نمایش داده شود محورِ عمودی لگاریتمی انتخاب شده است. خطِ قرمز نشان‌دهنده‌ی رشدِ سالیانه‌ی مصرفِ انرژی به میزانِ ۲/۹ درصد است. منبع: سازمان اطلاعاتِ انرژیِ آمریکا[۱]

رشد به چنان جزءِ مهمی از زندگیِ ما تبدیل شده که امتدادِ آن‌را طبیعی فرض می‌کنیم. رشد با خود مزایایی نظیرِ ماشین، تلویزیون، سفرهایِ هوایی و ابزارآلاتِ الکترونیک به همراه آورده است: کیفیتِ زندگی بالا رفته، بهداشت و درمان بهتر شده و اگر از تعددِ آزاردهنده‌ی تعدادِ کلمه‌هایِ عبوری که باید به خاطر بسپاریم بگذریم، زندگی در کل راحت‌تر شده است. رشد مبنایِ نرخ‌ِ سود، وام و صنایعِ مالی[۲] است.

«رشد» نسل‌های ظاهراً «بی‌شماری» همراهِ ما بوده است. همه‌ی اطرافیان‌مان، از جمله پدربزرگ‌ها و مادربزرگ‌هایمان آن‌را شخصاً تجربه کرده‌اند. رشد در قلبِ روایتِ ما از خودمان و آن‌چه انجام می‌دهیم قرار دارد. بنابراین برایِ ما تصورِ مسیری متفاوت دشوار است.

این نوشته از طریقِ ارائه‌ی یک مثالِ آشکار ناممکن بودنِ ادامه‌ی رشد با نرخِ فعلی، حتی در مقیاس‌هایِ زمانی آشنا،را نشان می‌دهد. برایِ راحتی ما نرخِ رشدِ انرژی را از ۲/۹ درصد به ۲/۳ درصد کاهش می‌دهیم تا به این وسیله شاهدِ رشدی به میزانِ ۱۰ برابر در هر قرن باشیم. زمانِ مبداء را امروز فرض می‌کنیم که مصرفِ جهانیِ انرژی ۱۲ تراوات[۳] است. این یعنی یک فردِ معمولی سهمی به اندازه‌ی ۲۰۰۰ وات یا ۲ کیلووات دارد. ابتدا با چند ارزیابیِ تقریباً عملی شروع می‌کنیم و در چند مرحله به تخیل‌‌مان اجازه‌‌ می‌دهیم که افسار بگسلد. حتی در این حالت هم خیلی زودتر از آن‌چه در نگاهِ اول به نظر می‌رسد با دیوارِ محدودیت‌ها برخورد خواهیم کرد. در ضمن اجازه دهید همین اول اعتراف کنم که پیش‌فرض‌هایِ این تحلیل عمیقاً ایراد دارند، اما همین ایراد است که در پایان به نکته‌ی اصلیِ این نوشته تبدیل می‌شود.

مسابقه‌ای به سویِ کهکشان

این نکته که میزانِ انرژیِ خورشیدی دریافت شده توسطِ زمین در یک ساعت، معادلِ مصرفِ انرژیِ یک سالِ بشر است همواره مرا شگفت‌زده کرده‌ است. چه امیدهایی که می‌توان به این انرژیِ پاک و عظیم داشت! اما اجازه دهید این موضوع ما را از بحثِ اصلی منحرف نکند (فعلن!).

فقط ۷۰ درصد انرژی خورشیدی تابیده شده به زمین واردِ بودجه‌ی انرژیِ زمین می‌گردد. باقی بلافاصله توسطِ جو، زمین و ابرها به فضا بازتابانده می‌شود، بی‌آن‌که جذبِ زمین گردد. همچنین با توجه به این‌که ما موجوداتی خشکی‌زی هستیم، منطقی است که سلول‌هایِ خورشیدی‌مان را به خشکی‌ها محدود کنیم که فقط ۲۸ درصد سطحِ زمین را به خود اختصاص می‌دهند. در نهایت باید توجه داشته باشیم که بازده‌ِ سلول‌هایِ فتو ولتاییک[۴] و نیروگاه‌هایِ حرارتی خورشیدی[۵] معمولاً حدودِ ۱۵ درصد است. برایِ این محاسبه فرض کنید بازده‌ِ آن‌ها ۲۰ درصد باشد. نتیجه می‌شود ۷۰۰۰ تراوات که حدود ۶۰۰ برابرِ مصرفِ‌ کنونیِ ماست. این طور به نظر می‌رسد که عرصه‌ی کافی برایِ رشدِ‌ مصرفِ انرژی‌مان وجود دارد. درست است؟

اگر با نرخِ ۲/۳ درصد به افزایشِ مصرفِ انرژی‌مان ادامه دهیم کی به این میزان از مصرفِ انرژی خواهیم رسید؟ به خاطر بیاورید که گفتیم با این نرخ، مصرفِ انرژی‌ِ ما در هر صد سال،‌ ده برابر می‌شود. بنابراین بعد از گذشتِ دو قرن مصرفِ انرژیِ ما به ۱۰۰ برابرِ میزانِ کنونی خواهد رسید. با نرخِ کنونی، مصرفِ انرژیِ ما در ۲۷۵ سالِ دیگر ۷۰۰۰ تراوات خواهد بود. ۲۷۵ سال برایِ یک فرد آینده‌ای بسیار دور است، اما برایِ تمدن‌ها زمانِ زیادی نیست. حالا به این فکر کنید که بعد از ۲۷۵ سال چه نوع دنیایی برایِ خودمان ساخته‌ایم: سرتاسرِ خشکی‌ها پوشیده از سلول‌هایِ خورشیدی هستند. غذایمان را کجا تولید خواهیم کرد؟ (از این موضوع بگذریم)

حالا اجازه دهید محدودیت‌هایِ قبلی را حذف کنیم. ۲۷۵ سال زمانِ زیادی است و در این مدت حتماً توانسته‌ایم بازده‌ِ سلول‌هایِ خورشیدی‌مان را از ۲۰ درصد بیشتر کنیم. اجازه دهید محدودیت‌هایِ‌ ترمودینامیکی را به سخره بگیریم و فرض کنیم به بازدهِ ۱۰۰ درصد رسیده‌ایم (بله. از این‌جا به بعد قسمتِ فانتزیِ سفرمان آغاز می‌شود). با این‌کار ۵ برابر، یعنی ۷۰ سالِ دیگر زمان می‌خریم. اما چه کسی به اقیانوس‌ها نیاز دارد؟ اجازه دهید آن‌ها را نیز با سلول‌هایِ خورشیدی با بازدهِ ۱۰۰ درصد بپوشانیم. حالا ۵۵ سالِ دیگر فرصت‌ داریم. ظرفِ ۴۰۰ سال ما با دیواری به نامِ کلِ انرژیِ خورشیدی جذب شده توسطِ زمین برخورد خواهیم کرد. این محدودیتِ بسیار مهمی است، چرا که انرژی‌هایِ زیست‌توده‌ای، بادی و آبی از انرژیِ خورشیدی تغذیه می‌کنند و سوخت‌هایِ فسیلی نیز در واقعِ باتری‌هایی خورشیدی هستند که طی چند میلیون‌سال شارژ شده‌اند. فقط انرژیِ هسته‌ای، زمین‌گرمایی[۶] و جزر و مدّی[۷] مستقل از انرژی خورشیدی هستند. در این تحلیل، انرژی زمین‌گرمایی و جزر و مدی چندان مهم نیست چرا که میزانِ هر کدام از چند تراوات فراتر نمی‌رود.

اما محدودیتِ اصلیِ تحلیلِ بالا به سطحِ زمین مربوط می‌شود. اگر بتوانیم آن ۳۰ درصدانرژیِ تابشیِ خورشید را که به جو بازتابانده می‌شود دریافت کنیم فقط ۱۶ سال زمان خواهیم خرید. برایِ این‌کار باید فضایِ پیرامونِ زمین را با سلول‌هایِ خورشیدی بپوشانیم که قطعاً به زحمتش نمی‌ارزد. اما حالا که واردِ فضا شده‌ایم چرا خودمان را به زمین محدود کنیم؟ اجازه دهید بزرگ فکر کنیم و تصور کنیم که می‌توانیم روزی فضایِ پیرامونِ خورشید را با سلول‌هایِ خورشیدی بپوشانیم. در ضمن فرض کنیم همان بازدهِ ۱۰۰ درصد را داریم. این نکته را هم فراموش کنید که ساختِ کره‌ای با شعاعی به اندازه‌ی فاصله‌ی زمین تا خورشیدحتی اگر به نازکیِ ۴ میلی‌متر باشدنیازمندِ این است که به اندازه‌ی جرمِ زمین موادِ ویژه در اختیار داشته باشیم. اگر بتوانیم خورشید را با سلول‌هایِ خورشیدی با بازدهِ ۱۰۰ درصد محصور کنیم، تمدنِ امروزمان خواهد توانست مصرفِ انرژیِ خود را تا ۱۳۵۰ سالِ دیگر با نرخِ رشدِ ۲/۳ درصد افزایش دهد.

این‌جاست که متوجه خواهیم شد که خورشید تنها ستاره‌ی کهکشان نیست. راهِ شیری حدود ۱۰۰ میلیارد ستاره دارد. انرژیِ زیادی در فضا منتشر می‌شود که امکانِ بهره‌برداریِ از آن وجود دارد. به خاطر بیاورید که هر ۱۰۰ سال به معنایِ ۱۰ برابر شدن بود. بنابراین ۱۰۰ میلیارد به ما ۱۱۰۰ سالِ دیگر خواهد داد. بنابراین ۲۵۰۰ سال دیگر مصرفِ انرژیِ ما به اندازه‌ی کلِ کهکشان خواهد بود. ما با جزییاتِ نسبتاً خوبی از این‌که تمدن‌هایِ بشری در ۲۵۰۰ سالِ پیش چه می‌کردند خبر داریم. فکر می‌کنم با خیالِ راحت می‌توانیم بگوییم آن‌ها در ۲۵۰۰ سالِ دیگر چه کاری نخواهند کرد. 

energy-rate-future
ادامه‌ی مصرفِ انرژی با نرخِ رشدِ ثابتِ ۲/۳ درصد (محورِ عمودی لگاریتمی است). در ۲۷۵، ۳۴۵ و ۴۰۰ سال نیازِ ما به انرژی به ترتیب از تابشِ خورشید به خشکی‌ها (با بازدهِ ۲۰ درصد)، تابشِ خورشید به خشکی‌ها (با بازدهِ ۱۰۰ درصد) و تابشِ خورشید به کلِ زمین (با بازدهِ ۱۰۰ درصد) بیشتر خواهد شد. ظرفِ ۲۴۵۰ سال، مصرفِ انرژیِ ما به اندازه‌ی انرژیِ صد میلیارد ستاره‌ی موجود در کهکشانِ راهِ شیری خواهد بود. یادداشت‌هایِ سبزرنگ که به صورت عمودی نوشته شده‌اند زمان‌هایِ گذشته را به ما نشان می‌دهد که به ما کمک می‌کند ۲۰۰ یا ۱۰۰۰ سالِ آینده را مقیاسی آشنا مقایسه کنیم.

چرا فقط انرژی خورشیدی؟

برخی از خوانندگان احتمالاً از توجهِ ما به انرژیِ خورشیدی/ستاره‌ای آزرده‌خاطر شده‌اند. حالا که قرار است رویاهایِ بزرگ ببینیم، چرا نباید انرژیِ خورشیدی را کنار بگذاریم و به سراغِ همجوشیِ هسته‌ای[۸] برویم؟ مگر نه این که وفورِ دوتریوم در آبِ معمولی به ما اجازه خواهد داد به منبعِ بزرگِ انرژی همین‌جا رویِ زمین دست بیابیم؟ اما ما این مسیر را با جزییاتِ زیاد تحلیل نخواهیم کرد. چون احتیاجی به آن نیست. ادامه‌ی روندِ بی‌رحمانه‌ی افزایشِ انرژی که در بالا به آن اشاره کردیم به این معناست که صرفِ نظر از این‌که منبعِ تولیدِ انرژیِ ما چه باشد، ۱۴۰۰ سالِ دیگر زمین از خورشید داغ‌تر و پرنورتر خواهد شد.

این نکته‌ای مهم است که ارزش دارد مجدداً تکرار شود. اهمیتی ندارد از طریقِ کدام فن‌آوری انرژی تولید کنیم. نرخِ رشدِ پایایِ ۲/۳ درصد به این معناست که ظرفِ ۱۴۰۰ سال باید به اندازه‌ی خورشید انرژی تولید کنیم. ولی این میزان تولیدِ انرژی سیاره‌مان را «اندکی» گرم خواهد کرد. قوانین ترمودینامیک به ما می‌گوید که اگر قرار باشد رویِ زمین به اندازه‌ی خورشید انرژی تولید کنیم، سطحِ زمین باید از سطحِ خورشید داغ‌تر باشد.

محدودیت‌هایِ ترمودینامیکی

می‌توانیم با دقتِ بیشتری به محدودیت‌هایِ ترمودینامیکیِ موضوع بپردازیم. زمین انرژیِ زیادی از خورشید دریافت می‌کند، مقداری که به مراتب بیشتر از نیازِ امروزِ بشری است. زمین از طریقِ تابشِ انرژی به فضا، عمدتاً در غالبِ امواجِ فروسرخ[۹]، خنک می‌شود. سیستمِ زمین هیچ راهِ دیگری برایِ رهایی از دستِ انرژی‌یی که از خورشید جذب می‌کند ندارد[a]. جذب و تابشِ انرژی توسطِ زمین در یک توازنِ تقریباً کامل قرار دارد؛ دقیقاً همان‌مقدار انرژی که توسطِ زمین جذب می‌شود توسطِ آن دفع می‌گردد. اگر این دو با هم مساوی نباشند زمین یا گرم‌تر می‌شود یا سردتر. در واقع، گرمایشِ جهانی که چنین چالشِ عظیمی برای ما ایجاد کرده چیزی نیست جز این‌که ما امکانِ تابشِ حرارتی (فروسرخ) از زمین را اندکی کاهش داده‌ایم. با این حال توازنِ یاد شده هنوز تا حدِ زیادی برقرار است و عدمِ تعادل به کمتر از یک درصد می‌رسد. با توجه به این‌که میزانِ انرژیِ تابیده شده متناسب با توانِ چهارمِ دمایِ مطلقِ سطحِ جسم است (واحدِ مطلق، مانند کلوین)، می‌توانیم دمایِ تعادلِ سطحِ زمین را با در نظر گرفتنِ افزایشِ میزانِ مصرفِ انرژی توسطِ جوامعِ انسانی محاسبه کنیم.

دمایِ سطحِ زمین با در نظر گرفتنِ نرخِ رشدِ ۲/۳ درصدی مصرفِ انرژی و با این فرض که منبعی به غیر تابشِ خورشید برایِ تأمینِ انرژیِ موردِ نیازمان به کار گرفته شده و این انرژی باید حتماً از سطحِ زمین به فضا تابیده شود. حتی یک منبعِ انرژیِ رویایی نظیرِ همجوشی هسته‌ای نیز طیِ فقط چند صد سال رشدِ پیوسته منجر به ایجادِ وضعیتی غیرقابلِ تحمل در زمین خواهد شد. توجه داشته باشید که محورِ عمودی لگاریتمی است. 

نمودارِ بالا نتیجه‌‌ی این محاسبه را نشان می‌دهد. از محاسباتِ قبل می‌دانیم که اگر خودمان را به سطحِ زمین محدود کنیم، ظرفِ چهارصد سال به حداکثرِ ظرفیتِ انرژیِ خورشیدی خواهیم رسید. برایِ این‌که بتوانیم بعد از چهارصد سال هنوز به رشدِ انرژی‌مان ادامه دهیم، باید انرژی‌هایِ تجدیدپذیرکه تقریباً کاملاً از خورشید تأمین می‌شوندرا فراموش کنیم و به سراغ‌ِ انرژیِ هسته‌ای همجوشی یا شکافت برویم. اما تحلیلِ ترمودینامیکی به ما می‌گوید که این هم راهِ حل نیست، چون خیلی زود به داغ شدنِ غیرقابلِ تحملِ سطحِ زمین خواهد انجامید.

به این دیوانگی پایان دهید!

هدف من از این تحلیل این بود که پوچیِ این فرض که ما قادر به ادامه‌ی رشدِ مصرفِ انرژی‌مان هستیم را نشان دهم، حتی اگر در آینده مصرفِ انرژی‌مان را با نرخی کمتر از آن‌چه طی ۳۵۰ سالِ اخیر شاهدش بوده‌ایم افزایش دهیم. با توجه به زاویه‌ی دیدِ باریکِ این تحلیل، به سادگی می‌توان آن‌را نقد کرد. در واقع من خودم با خوشحالی چنین کاری را انجام می‌دهم. اشکالِ اصلیِ این تحلیل این است که اگر جمعیتِ زمین پایدار شود، دلیلی ندارد که مصرفِ انرژی به صورتِ دائمی افزایش یابد. نرخِ ۲/۹ درصدی که در چند قرنِ اخیر شاهدش بوده‌ایم همگام با تثبیت شدنِ جمعیتِ زمین کاهش خواهد یافت. اما اجازه دهید این نکته‌ی کلیدی را فراموش نکنیم که: «ادامه‌ی افزایشِ مصرفِ انرژی در زمانی نه چندان دوردست از لحاظِ فیزیکی به بن‌بست خواهد انجامید.» تحلیلی که در این نوشته ارائه دادم این نکته را به شیوه‌ای سرگرم کننده نشان می‌دهد. استدلالی ساده و تأثیرگذار برایِ متقاعد کردنِ افراد نسبت به محدودیت‌هایِ راستینِ رشدِ بی‌پایان.

به محضِ این‌که بپذیریم رشدِ فیزیکی باید روزی متوقف یا معکوس شود، می‌توانیم به این نتیجه برسیم که همه‌ی رشدهایِ اقتصادی نیز عاقبت پایان خواهند یافت. شاید پذیرفتنِ این نکته کمی دشوار باشد؛ هر چه باشد ما قادر به نوآوری و افزایشِ بازدهِ مصرفِ انرژی هستیم. در نوشته‌ای دیگر به این موضوع خواهم پرداخت.

تام مورفی
تام مورفی استاد دانشگاه و اخترفیزیک‌دانِ آمریکایی است که موضوعاتِ اجتماعی نظیرِ تولید انرژی، تغییر اقلیم و رشدِ اقتصادی را از منظرِ فیزیکی تحلیل می‌کند.

هدف ما در مجلهٔ یوتوپیا افزایش دانایی عمومی دربارهٔ مشکلات اجتماعی و زیست‌محیطی است. مطالب مجله با عشق انتخاب، ترجمه و منتشر می‌شوند. بهترین و تنها دلگرمی برای ما این است: مطالب ما را بخوانید، درباره‌شان فکر کنید، با ما حرف بزنید!


  1. Energy Information Agency 

  2. finance industry 

  3. terawatt 

  4. photovoltaics 

  5. solar thermal 

  6. geothermal energy 

  7. power tidal 

  8. fusion 

  9. infrared 


  1. رسانایی و همرفتی روش‌هایِ دیگر دفعِ انرژی هستند، اما با توجه به این‌که زمین در فضا شناور است نمی‌تواند از طریقِ آن‌ها گرما از دست بدهد. تابش تنها روشی که زمین می‌تواند گرما از دست دهد. 

0 £0.00
برو بالا