נוסח השאלה המלא: 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 ההרגשה היא שהטמפ' יורדת אפילו (בתוך הבור קריר). בנוסף לכך במדינות הרחוקות מקו המשווה האדמה ממש קפואה בחלק ניכר מימות השנה, אז איך ניתן להפיק מזה אנרגיה?

ובכן בשתי שיטות: אחת, 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', הכוונה לסלע מותך). סידרת התמונות הבאה צולמה באי לנזרוטה (האי נמצא כ 200 ק"מ מערב לחופי אפריקה), בו ארעה התפרצות של הר-געש לאחרונה בשנת 1730:


הדגמה ליצירת גייזר באי לנזרוטה.

כפי שניתן לראות, כאשר שופכים מעט מים לתוך בור שנחפר באדמת האי, בקרבת הר הגעש, הם רותחים באופן מידי (תוך שנייה אחת) ויוצאים בפרץ של קיטור, בדומה לגייזרים שקיימים באופן טבעי באזורים מסויימים בעולם (ראו קישור על גייזרים בסוף התשובה). את זרם הקיטור הזה (או את החום שבאדמה, באופן יותר כללי) ניתן לנצל להנעת טורבינות ליצור חשמל. וזהו העיקרון העומד מאחורי השימוש באנרגיה גיאותרמית.

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 הטמפ' 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, לחפירות המבוצעות בגובה פני הים, אם נחפור באיזור של קרום סלעי מוצק גבוה, כמו הר, נקבל ערכים נמוכים בהרבה), כלומר אם נחפר בור לעומק של כ-3 ק"מ (כיום זה כמעט גבול יכולת החפירה האנושית) נקבל מקור חום, בלתי נדלה כמעט, של כ 90oC. 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.

נשאלת השאלה – ומה מקור האנרגיה הגיאותרמית הזאת, מאיפה מגיע החום שבבטן כדור הארץ, והאם הוא קשור לאנרגיה גרעינית?

ובכן, הסיבה העיקרית לחומו 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 כדור הארץ. תמונה באדיבות ויקיפדיה.

כדור הארץ נוצר כגוש סלע לוהט, ותהליך התקררותו הוא איטי ביותר, כ 2 מיליארד שנה חלפו עד שנוצר קרום כדור הארץ. הסיבה לקצב הקירור האיטי הינה כפולה: 1. מסתו האדירה של כדור הארץ החם אוצרת כמות אדירה של קלוריות חום (כמות אנרגיית החום פורפוציונית למסה), שדרוש זמן רב מאוד על מנת שתתקרר. כמו שכפית תה רותח מתקררת תוך מספר שניות, כוס תה מתקררת תוך כשעה, סיר מרק – מספק שעות, כך כדור הארץ הענק שהתחיל ככדור סלע מותך דורש מספר מיליארדי שנים כדי להתקרר. 2. כדור הארץ נמצא בתוך החלל החיצון, החלל / 'ואקום' אינו מוליך חום טוב (למעשה 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), והקירור מתבצע 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 היתוך כמו בשמש ובפצצת מימן, ולא תגובת שרשרת של ביקוע כמו בפצצת אטום או בכור גרעיני, אלא פשוט דעיכה של חומרים גרעיניים לחומרים יציבים יותר), המספקות ערך של 860 אקסאג'אול (אקסאג'אול = 1018 ג'אול) מדי שנה (למאמר על כך, באנגלית, לחצו כאן ) 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.

כהערת אגב, 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.

מאת: אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

2 תגובות

  • אדמונד

    תגובות גרעיניות במרכז כדור הארץ

    בתשובה שלך רשמת:

    "ובכן, מקור האנרגיה אינו קשור לתגובות גרעיניות שמתרחשות בימיינו בבטן כדור הארץ".

    האם כדור הארץ הפך לשמש?
    אילו תגובות גרעיניות מתרחשות בבטן כדור הארץ?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    גרעיני - אבל לא שמש

    לגבי מה מתרחש במרכז כדור הארץ, למרות שזה כל-כך 'קרוב' אלינו, אין בעצם ידיעה ברורה, רק השערות. (לחץ כאן להסבר על קטביו המגנטיים של כדור הארץ, עם התיאוריות העדכניות ביותר על מבנהו של מרכז כוכבינו) בכל מקרה, התגובות הגרעיניות עליהם רמזתי בתשובה אינן תגובות של היתוך גריעני (בהן, בסה"כ הכללי 4 אטומי מימן הופכים לאטום הליום, למשל) כמו שמתרחשות בשמש, אלא תהליכי ביקוע. בעבר, הצטברות כמות גדולה מספיק של אורניום, אפילו ללא העשרה של האיזוטופ 235, הייתה גורמת להתרחשות של תגובת ביקוע גרעיני שמחזיקה את עצמה, כמו בכור גרעיני מודרני. באיזור אוקלו, שנמצא במדינת גבון שבאפריקה, היה קיים כור גריעיני טבעי, לפני 1.5 מיליארדי שנה. לחץ כאן להסבר (באנגלית) על הכור שהיה קיים, באתר 'האגודה האמריקאית לגרעין'. לחץ כאן להסבר על כור גרעיני טבעי באתר ויקיפדיה.
    https://he.wikipedia.org/wiki/%D7%9B%D7%95%D7%A8_%D7%92%D7%A8%D7%A2%D7%9...
    כאמור, לא ידוע אם דבר כזה מתרחש בימיינו (הסיכוי נמוך כי כיום ריכוז האיזוטופ אורניום 235 בתוך מרבצי אורניום טבעי נמוך משהיה בעבר עקב זמן מחצית חיים הקצר יותר שלו), ובכל מקרה אין תגובות הביקוע הגרעיני דומות לתגובות היתוך גרעיני שבשמש. מה שכן מתרחש אלו תגובות ביקוע 'טבעיות' (לא מואצות) בעיקר של אורניום, תוריום ואיזוטופ רדיואקטיבי של אשלגן - שפולטות אנרגיה.
    אבי