אתם שאלתם: כיצד נוצרת אנרגיה גיאותרמית ומה הקשר להתפרקות חומרים רדיואקטיביים?
אנרגיה גיאותרמית היא האנרגיה שמפיקים באמצעות החום של אדמת כדור הארץ (גיאו=אדמה, תרמי=חום). לכאורה, שיטת הפקת אנרגיה כזו נשמעת מוזרה, הרי אם נוגעים באדמה היא איננה חמה במיוחד, אפילו כאשר השמש קופחת עליה, ואם חופרים בור באדמה נשים לב שהטמפרטורה בבור היא קרירה. בנוסף, במדינות הרחוקות מקו המשווה האדמה ממש קפואה בחלק ניכר מימות השנה. אבל איך מפיקים מזה אנרגיה?
החום שמתחת
יש שתי שיטות להפיק אנרגיה גיאותרמית. ראשית, ישנם איזורים בכדור הארץ, בייחוד באיזורים בהם היו התפרצויות של הרי געש בזמן האחרון (בכמה אלפי שנים האחרונות נחשב 'בזמן האחרון' מבחינה גיאולוגית) בהם בחפירה קצרה מגיעים לשכבת סלע חמה ביותר, אפילו לשכבה של מַגְמַה. (ביוונית - 'בצק', או לסלע מותך). סידרת התמונות הבאה צולמה באי לנזרוטה, שנמצא כ-200 ק"מ ממערב לחופי אפריקה, בו ארעה התפרצות של הר-געש לאחרונה בשנת 1730.
כפי שניתן לראות בצילומים המצורפים, כאשר שופכים מעט מים לתוך בור שנחפר באדמת האי, בקרבת הר הגעש, הם רותחים באופן מידי, ויוצאים בפרץ של קיטור, בדומה לגייזרים שקיימים באופן טבעי באזורים מסויימים בעולם. את זרם הקיטור הזה, או את החום שבאדמה, ניתן לנצל להנעת טורבינות לייצור חשמל. וזהו העיקרון העומד מאחורי השימוש באנרגיה גיאותרמית.
הדגמה ליצירת גייזר באי לנזרוטה:
הדגמה ליצירת גייזר באי לנזרוטה | מקור: אבי סאייג
הגרדיאנט התרמי של כדור הארץ
השיטה השנייה, שעדיין נמצאת בפיתוח הנדסי, לא מצריכה אתרים געשיים או אתרים הקרובים לאיזור סלע מותך בכדי להשתמש באנרגיה הגיאותרמית, אלא אפשרית בכל מקום כמעט על כדור הארץ. השיטה מתבססת על ה'גרדינט הגיאותרמי' (geothermal gradient) של כדור הארץ. הכוונה היא לקצב שבו עולה הטמפרטורה ככל שחופרים לעומק כדור הארץ. בחפירה של בור בגינה או על חוף הים אי אפשר להבחין בכך, אבל מסתבר שבממוצע, טמפ' האדמה עולה ב 25-30oC בכל קילומטר.
זהו כמובן ערך ממוצע הנוגע לחפירות המבוצעות בגובה פני הים; אבל אם נחפור באיזור של קרום סלעי מוצק גבוה, כמו הר, נקבל ערכים הרבה יותר נמוכים. כלומר, אם נחפר בור לעומק של כ-3 ק"מ, שזהו כמעט גבול יכולת החפירה האנושית, נקבל מקור חום בלתי נדלה כמעט של כ-90 מעלות צלזיוס. טמפ' זו אמנם לא מספיקה להפוך מים לקיטור, אבל אפשר להשתמש בנוזלים בעלי נקודת רתיחה נמוכה יותר (כמו למשל אלכוהול, שרותח ב 78oC בלבד) שיוזרמו לבור, ירתחו ויהפכו לפרץ של גז שיניע טורבינות חשמל.
ומה מקור האנרגיה הגיאותרמית הזאת, מאיפה מגיע החום שבבטן כדור הארץ, והאם הוא קשור לאנרגיה גרעינית? ובכן, הסיבה העיקרית לחום של כדור הארץ אינה קשורה לתגובות גרעיניות שמתרחשות בימיינו בבטן כדור הארץ. עיקר החום הוא פשוט שארית של החום של כדור הארץ מזמן היווצרותו (כדאי לקרוא השאלה על היווצרות כדור הארץ בסוף תשובה זו), כשכדור הארץ כולו היה לוהט בטמפ' של אלפי מעלות. אולם אפילו שעברו כבר 4.6 מיליארד מרגע היווצרות כדור הארץ, הטמפ' בו, ובייחוד במרכז עדיין גבוהה. שכבת הסלע המוצקה עליה אנו חיים הינה רק קרום דק ביותר, באופן יחסי לגודלו של כדור הארץ. ביבשה עובי שכבת הסלע המוצק היא 50-70 ק"מ ובאוקיינוסים הינה 5-15 ק"מ בלבד!, מתחתיה כבר יש שכבת סלע מותך ולוהט.
מבנה השכבות של כדור הארץ. מבט בחתך כדור הארץ | מקור: melamed katz, wikipedia
חם, חם, ומתקרר לאט
כדור הארץ נוצר כגוש סלע לוהט, ותהליך התקררותו הוא איטי ביותר. כשני מיליארד שנים חלפו עד שנוצר קרום כדור הארץ. יש שתי סיבות לקירור האיטי: ראשית, מסתו האדירה של כדור הארץ החם אוצרת כמות אדירה של קלוריות חום (כמות אנרגיית החום פורפוציונית למסה), שדרוש לה זמן רב להתקרר. בדיוק כפי שכפית תה רותח מתקררת תוך מספר שניות, כוס תה מתקררת תוך כשעה, סיר מרק – מספק שעות, כך היה דרוש לכדור הארץ הענק, שהתחיל ככדור סלע מותך, מספר מיליארדי שנים כדי להתקרר.
הסיבה השניה לקירור האיטי של כדור הארץ היא שכדור הארץ נמצא בתוך החלל החיצון, והריק שבחלל החיצון הוא אינו מוליך טוב של חום. למעשה - הריק הוא המבודד המושלם, ואין לכדור הארץ אמצעים להוליך את החום שלו למקום אחר ולהתקרר. באמצעות עיקרון זה של 'ריק' מבודד פועל ה'תרמוס' ששומר על טמפרטורה של משקאות במשך יממה שלמה. הקירור התבצע רק באמצעות קרינת חום, אולם מרגע שנוצרה שכבת הסלע המוצקה, היא מצמצמת גם את פליטת החום באמצעות קרינה, ככה שהחום נשאר 'לכוד' במרכז כדור הארץ, וקצב ירידת הטמפ' איטי ביותר. מה שמאפשר לנו, בני האדם, להשתמש באנרגיה זו כמקור אנרגיה אדיר, ובלתי מזהם.
בנוסף לכך, אכן ישנם תגובות של דעיכה גרעינית. לא מדובר בהיתוך כמו בשמש ובפצצת מימן; ולא בתגובת שרשרת של ביקוע כמו בפצצת אטום או בכור גרעיני, אלא פשוט דעיכה של חומרים גרעיניים לחומרים יציבים יותר. תגובות של דעיכה גרעינית מספקות ערך של 860 אקסאג'אול (אקסאג'אול = 1018 ג'אול) מדי שנה. זהו ערך רב ביותר, כמעט כפול מתצרוכת האנרגיה העולמית כפי שהייתה בשנת 2003, כך שאפשר להגדיר את האנרגיה כ'מתחדשת' משום שהחום מהאנרגיה הנ"ל יכול לפצות על הקירור שיגרם לכדור הארץ בעת שימוש באנרגיה הגיאותרמית.
ולסיום, אפשר להגיד שהמקור הראשוני של חום כדור הארץ גם הוא קשור לאנרגיה גרעינית – בעת היווצרותו מתוך ערפילית גז שנדחסה, סביר שהתרחשו תגובות גרעיניות שיצרו גם את היסודות המוכרים לנו על כדור הארץ וגם את החום הרב שלו.
