Ödüllü Soru Sizce yeryüzüne düşen yıldırımları nasıl kullanılabilir elektrik kaynağına çevirebiliriz?

Yıldırım enerjisi meselesi kulağa heyecan verici geliyor, kabul. Devasa bir güçten bahsediyoruz gibi duruyor, ama işin içine biraz girince, bu "dünyanın enerji ihtiyacını rahatlıkla karşılama" hayali biraz... problematize oluyor diyelim. Sorunun temelinde birkaç kritik yanılgı var:

Öncelikle, "Yıldırım enerjisi devasa bir boyutta" diyorsun ya, tek bir şimşek için evet, anlık gücü korkunç. Tipik bir yıldırım deşarjı, bir evi yaklaşık iki gün idare edecek kadar enerji () salabilir. Günümüz ortalama ev tüketimini yaklaşık alırsak, bu eder. Joule cinsinden ifade edersek:

Bu tek bir şimşek için fena bir enerji değil.^[1]

Ancak bu "devasa boyut" ifadesi, küresel enerji tüketimimizle kıyaslandığında ve yıldırımların toplam potansiyeline bakıldığında yanıltıcı oluyor.

Dünyada saniyede ortalama 40-50 şimşek çakar (ortalama 44 alalım). Yıla vurduğumuzda bu:

Her birinden yukarıda hesapladığımız enerjiyi %100 verimle topladığımızı varsayalım (ki bu, termodinamik ve pratik mühendislik açısından imkansızın da ötesinde bir varsayımdır):

Dünyanın yıllık toplam enerji tüketimi ne kadar? 2023 itibarıyla yaklaşık civarında.

Eğer tüm şimşekleri %100 teorik verimle toplasak bile, dünya enerji ihtiyacının sadece yüzde kaçını karşılarız?

Evet, yanlış okumadık: %0.047

Güneş ışığının yere ulaştırdığı güç, yıldırımların ulaştırdığı gücün bir milyon katıdır. Bu bence enerji kaynağı olarak nereye odaklanmamız gerektiği konusunda net bir fikir veriyor.

"Yıldırımı kullanılabilir elektriğe dönüştürebilirsek..."

İşte burası işin en teknik ve çetrefilli kısmı. Yıldırım enerjisini "kullanılabilir elektriğe" dönüştürmek, önünde devasa teknolojik ve fiziksel engeller olan bir problem.

Spatiotemporal Volatility

Yıldırım, atmosferik koşulların karmaşık bir sonucu olarak son derece rastgele zaman ve konumlarda meydana gelen bir ark deşarjıdır. İzokeraunik seviyeler (belirli bir bölgedeki yıllık fırtınalı gün sayısı) veya yıldırım yoğunluk haritaları genel bölgeleri belirlese de, bir sonraki şimşeğin tam olarak nereye, ne zaman ve hangi parametrelerle (tepe akımı, toplam yük transferi, darbe süresi vb.) düşeceğini öngörmek imkansızdır. Bu da yakalama altyapısının nasıl ve nereye konuşlandırılacağı sorununu doğurur. Her metrekareye bir yakalama sistemi kuramazsın; bu hem ekonomik hem de pratik olarak mümkün değil.

Transient Nature & Extreme Power Density

Bir yıldırımın enerjisi, tipik olarak ila (yani ila saniye) gibi inanılmaz kısa bir geçici rejim (transient regime) içinde boşalır. Ortalama alalım.

Anlık tepe gücü () hesaplayalım:

Bu, birçok nükleer santralin toplam gücünden bile fazladır, ama sadece saniyenin milyonda biri kadar bir süre için. Yıldırım kanalındaki potansiyel farkı - Volt (V) ve tepe akımları - Amper (A) mertebelerindedir. Bu kadar devasa bir elektromanyetik darbeyi (EMP - Electromagnetic Pulse) hangi malzeme, hangi devre elemanı anlık olarak ve önemli bir kayıp ( kayıpları, dielektrik kayıpları, korona deşarjı kayıpları) olmadan yakalayıp bir sonraki aşamaya aktaracak? Standart iletkenler buharlaşır veya erir, izolasyon malzemelerinin dielektrik dayanımı aşılır ve delinir (dielectric breakdown).

Energy Storage

Diyelim ki bu anlık ve devasa enerjiyi bir şekilde "yakaladın". Bu enerjiyi nasıl depolayacaksın?

Bir süperkapasitör (ultracapacitor) kullandığımızı varsayalım. formülünden, enerjiyi depolamak için, eğer yıldırımın milyonlarca voltluk gerilimini bir şekilde (muazzam zorluklarla) seviyesine güvenli ve verimli bir şekilde indirebildiğimizi hayal edelim:

Bu, (mikroFarad) demektir. Bu kapasitörün sadece bu devasa kapasiteye sahip olması değil, aynı zamanda yüzbinlerce volta dayanması ve en önemlisi nanosaniye-mikrosaniye mertebesinde bu devasa akımlarla şarj olabilmesi (yani ESR - Equivalent Series Resistance değerinin aşırı düşük olması) gerekir. Günümüz teknolojisiyle bu boyutta, bu gerilim seviyesinde ve bu şarj/deşarj hızında bir depolama birimi hem aşırı maliyetli hem de pratikte sürdürülebilir değildir. Lityum-iyon pillerin güç yoğunluğu () ve şarj kabul hızları bu tür bir uygulama için komik derecede yetersiz kalır.

Conversion Efficiency & Impedance Matching

Yakaladığın ham, kaotik ve aşırı yüksek gerilimli/akımlı enerjiyi, şebekeye uygun, stabil bir AC (Alternating Current) forma dönüştürmek başlı başına bir kabustur. Yıldırımın kaynak empedansı ile yakalama sisteminin ve depolama biriminin giriş empedansı arasında bir empedans uyumu sağlamak, maksimum güç transferi için kritik olsa bile, yıldırımın değişken ve öngörülemez doğası nedeniyle neredeyse imkansızdır. Ark kayıpları, korona deşarjları, anahtarlama elemanlarındaki kayıplar (eğer bu kadar hızlı ve güçlü anahtarlar icat edilebilirse) toplam verimi daha da düşürecektir.

Böyle bir sistemin kendisi de bir sonraki yıldırım düşmesinde hedef olup buharlaşabilir. Muazzam topraklama sistemleri, Faraday kafesleri ve aşırı gerilim koruma devreleri gerekecektir. Bu altyapının maliyeti, elde edilecek cüzi miktardaki enerjiyle kıyaslandığında astronomik kalacaktır.

Dolayısıyla, "Yıldırımı kullanılabilir elektriğe dönüştürebilirsek dünyanın enerji ihtiyacını rahatlıkla karşılayabiliriz" varsayımın, maalesef hem mevcut toplam enerji potansiyeli açısından (güneş gibi diğer yenilenebilir kaynaklara kıyasla çok çok düşük) hem de yakalama, depolama ve dönüştürme teknolojisinin karşı karşıya olduğu aşılması neredeyse imkansız fiziksel, mühendislik ve ekonomik sınırlar açısından ciddi şekilde hatalıdır.

Yıldırım, doğanın muazzam bir güç gösterisidir, evet. Ancak bu gücü evcilleştirip prize takılabilir hale getirmek, mevcut ve öngörülebilir gelecekteki teknolojilerle pratik ve ekonomik bir çözüm sunmaktan çok uzaktır. Yıldırımdan enerji üretmek, kasırgalarla çalışan bir rüzgar türbini inşa etmeye benzer: çok havalı olurdu... ama pratik değil.