از میان روش‌های متفاوت تولید برق یا کار کردن دستگاه‌ها، کدام یک از انرژی خورشیدی استفاده نمی‌کنند؟ سوخت‌های فسیلی؟ پاسخ منفی است. میلیون‌ها سال پیش، گیاهان برای رشد به انرژی خورشید نیاز داشتند. این گیاهان پس از نابودی به موادی مثل نفت و در نهایت سوخت‌های فسیلی مثل بنزین برای خودروها تبدیل شدند. پس بنزین را می‌توان انرژی خورشیدی مایع به حساب آورد که به مرور زمان به وجود آمده است.

آیا می‌توان گفت انرژی باد ربطی به خورشید ندارد؟ باد از کجا سرچشمه می‌گیرد؟ عامل اصلی تولید باد، گرمایش نامتعادل در جو زمین است. به حرکت هوا در جو، باد گفته می‌شود. با برخورد جریان‌های هوا به پره‌های توربین بادی، برق تولید می‌شود.

درباره‌ی انرژی هیدروالکتریک یا برق آبی چه می‌توان گفت؟ این انرژی از کاهش انرژی پتانسیل گرانشی جریان آب رودخانه استفاده می‌کند؛ اما آب، انرژی پتانسیل خود را از خورشید می‌گیرد. تابش نور خورشید منجر به گرم شدن آب دریا و تبخیر آن می‌شود. در نهایت آب به باران تبدیل شده و برای تکرار چرخه به دریاچه‌ها و رودخانه‌ها بازمی‌گردد. در اینجا باز هم خورشید، بازیگر اصلی است.

تنها دو نوع فناوری انرژی هسته‌ای و زمین‌گرمایی، نیازی به خورشید ندارند. نیروگاه انرژی هسته‌ای منجر به چرخش بخار در توربین می‌شود. این انرژی حاصل تجزیه‌ی اتم‌های سنگینی مثل اورانیوم به اتم‌های کوچک‌تر است. ازآنجاکه جرم فرآورده‌ها کمتر از جرم اتم آغازین است، انرژی به وجود می‌آید. این نتیجه منطبق با معادله‌ی مشهور اینشتین یعنب E=mc2 است.

شاید بتوان گفت، انرژی زمین‌گرمایی بهترین منبع تأمین توان است. در این منبع توان از انرژی گرمایی داخل زمین برای تولید برق استفاده می‌‌شود. این انرژی دقیقا مانند پول رایگان است به‌طوری‌که می‌توان همیشه آن را طلب کرد؛ بنابراین در اینجا دو نکته‌ی حائز اهمیت مطرح می‌شود: انرژی گرمایی از کجا سرچشمه می‌گیرد؟ و تا چه مدت دوام می‌آورد؟

تمام اشیای داغ انرژی گرمایی دارند. مقدار انرژی (ΔE) به‌دست‌آمده از یک شیء داغ به سه عامل بستگی دارد: جرم آن (m)، تغییر دما (ΔT) و ظرفیت گرمایی ویژه‌ی آن (C):

ظرفیت گرمایی ویژه برابر با مقدار انرژی جسم براساس جرم در درجه‌ی سانتی‌گراد است. مقدار انرژی به نوع ماده وابسته است. اگر یک گرم آب و یک گرم استیروفوم (نوعی پلاستیک اسفنجی) در دمای مشابه داشته باشید، آب، انرژی بیشتری دارد زیرا ظرفیت گرمایی ویژه‌ی آن بالاتر است. درنتیجه، نوع ماده در میزان انرژی دریافتی حائز اهمیت است؛ انرژی زمین‌گرمایی از موادی مثل سنگ‌های نزدیک به سطح و آهن موجود در هسته‌ی زمین تأمین می‌شود.

انرژی گرمایی داخل زمین از دو منبع سرچشمه می‌گیرد: گرانش و فعالیت‌های رادیواکتیو. منبع گرانش به شکل‌گیری زمین بازمی‌گردد. مواد در آغاز حیات منظومه‌ی شمسی، جاذبه‌ی گرانشی داشتند و مواد دیگر را جذب می‌کردند. حرکت توده‌های مواد، افزایش سرعت و برخورد آن‌ها با یکدیگر، دمای آن‌ها را افزایش داد.

با تبدیل انرژی پتانسیل گرانشی به انرژی جنبشی، انرژی گرمایی افزایش می‌یابد. همین اتفاق وقتی رخ می‌دهد که چیزی را به سمت زمین پرتاب کنید. شیء با انرژی پتانسیل گرانشی سقوط می‌کند و سپس به‌تدریج دمای آن افزایش می‌یابد. همین اتفاق هم برای زمین رخ داده است؛ اما این اتفاق مربوط به مدت‌ها پیش است. پس چرا زمین هنوز داغ است؟

زمین به مرور زمان از ۵ میلیارد سال پیش، سردتر شده است و مقداری از انرژی خود را در فضا منتشر کرده است؛ اما دلیل داغ بودن داخل زمین به فیزیک مقیاس آن بازمی‌گردد. فیزیک اجسام بزرگ مانند اجسام کوچک نیست. انرژی گرمایی داخل زمین متناسب با حجم آن است که برابر با مکعب شعاع زمین یا r به توان ۳ است. انرژی تلف‌شده به سطح زمین می‌رسد که متناسب با مربع شعاع آن یا r به توان ۲ است.

اگر شعاع را دو برابر کنید، انرژی گرمایی هم با ضریب ۸ افزایش می‌یابد (۲ به توان ۳) اما مساحت سطح تنها براساس ضریب ۴ افزایش می‌یابد (۲ به توان ۲). هر چقدر جسمی بزرگ‌تر باشد، مدت زمان سرد شدن آن طولانی‌تر خواهد بود. به همین دلیل، فضای درونی ماه سردتر از فضای درونی زمین است.

شکل‌گیری گرانشی زمین، دلیل کافی برای دمای فعلی آن نیست. منبع دیگر انرژی زمین، تجزیه‌ی رادیواکتیو عنصرهای سنگین‌تری مثل اورانیوم، توریوم و پتاسیم است. بنابراین انرژی گرمایی زمین تا چه مدتی دوام می‌آورد؟ پاسخ به این پرسش به مقدار انرژی و سرعت بهره‌برداری از آن وابسته است.

بهتر است در ابتدا انرژی گرمایی کل زمین تخمین زده شود. تخمین‌ها مانند پیاز هم اشک شما را درمی‌آورند هم لایه‌های زیادی دارند. در خارجی‌ترین لایه‌ی مسئله، می‌توان از فرضیه‌های تقریبی استفاده کرد. بهتر است با تخمین‌های ساده شروع کرد، زیرا بعدا هم می‌توان در صورت نیاز به جزئیات پرداخت. پس برای شروع داده‌های ذیل را در نظر بگیرید:

•  شعاع زمین: ۱۰۶ × ۶/۳۷۱ متر
•   جرم زمین:۱۰۲۴ × ۵/۹۷۲ کیلوگرم
• دمای داخل زمین: ۱۰۰۰ تا ۵۰۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد
•    ظرفیت گرمایی ویژه‌ی داخل زمین: ۸۰۰ (آهن) تا ۲۰۰۰ (سنگ) ژول به ازای هر کیلوگرم هر درجه‌ی سانتی‌گراد

طبق داده‌های فوق، مقادیر واحدی برای دما و ظرفیت گرمایی ویژه وجود ندارد؛ زیرا این مقادیر با حرکت از هسته به سمت پوسته‌ی گوشتی تغییر می‌کنند. پس در اینجا از مقادیری استفاده می‌شود که کمترین انرژی کل را برمی‌گردانند. حتی با مقادیر کم هم مقدار انرژی به دست آمده، بسیار زیاد خواهد بود.

در ادامه، انرژی براساس تغییر دما از ۱۰۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد تا ۱۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد محاسبه شد. در این محاسبه از برنامه‌ی پایتون برای ماشین حساب استفاده شده است. می‌توان فرضیه‌ها را با کلیک روی آیکون مداد تغییر داد و سپس برای دستیابی به کد روی دکمه‌ی Play کلیک کرد.

باز هم انرژی به دست آمده زیاد است. اگر از کل انرژی برای شارژ یک دستگاه گوشی آیفون استفاده شود، مقدار شارژ به دست آمده ۱۰ به توان ۲۶ خواهد شد. مقدار دیوانه‌کننده‌ای است؛ اما انرژی مصرفی انسان هم دیوانه‌کننده است؛ بنابراین انرژی زمین گرمایی تا چه مدتی دوام می‌آورد؟

برای محاسبه‌ی طول عمر انرژی زمین‌گرمایی، در ابتدا لازم است اختلاف بین توان و انرژی در نظر گرفته شود. انرژی در بخش قبلی محاسبه شد. توان برابر با نرخ مصرف انرژی است.

در صورتی که انرژی براساس ژول و زمان براساس ثانیه محاسبه شود، واحد توان، وات خواهد بود. برای مثال، انسانی عادی را در نظر بگیرید که با راندن یک دوچرخه می‌تواند ۱۰۰ وات توان تولید کند. با دانستن توان و انرژی کل می‌توان زمان مصرف کل انرژی را به دست آورد.

حالا با فرض جمعیت ۸ میلیاردی روی زمین، یک خانوار معمولی در ایالات متحده به‌طور میانگین یک کیلووات، انرژی مصرف می‌کند. با فرض اینکه خانوار، چهار نفره باشد، هر فرد ۲۵۰ وات مصرف می‌کند. البته این مقدار بسیار بالا است؛ زیرا ممکن است در دیگر نقاط زمین افرادی به این مقدار انرژی دسترسی نداشته باشند. به همین دلیل عجیب نیست که میانگین کل کره‌ی زمین کمتر از ۱۰۰ وات باشد، اما برای احتیاط، می‌توان بیشترین مقادیر را در نظر گرفت.

میزان انرژی زمین ۱۰۳۰ × ۴ ژول و میزان توان ۸۰۰ میلیارد وات است (۱۰۰ وات ‍ضرب‌در ۸ میلیارد نفر). با فرض اینکه انتقال انرژی برق، ۱۰۰ درصد بهینه نیست و تنها ده درصد از انرژی گرمایی به بازده مفید می‌رسد، محاسبات را انجام می‌دهیم. حتی با تخمین‌های بدبینانه، می‌توان تا ۱۷ میلیارد سال انرژی را بدون نیاز به انتشار کربن دی‌اکسید یا زباله‌ی هسته‌ای تأمین کرد. این مدت حتی از طول عمر خورشید هم طولانی‌تر است.

منبع