Imaginați-vă, pentru început, că locuința dumneavoastră este alimentată cu energie electrică dintr-o unică baterie, care a fost încărcată o singură dată. Bateria vă acoperă toate nevoile pentru iluminat, încălzit, răcire, gătit, alimentarea diverselor aparate electrocasnice și comunicațiile electronice. Pe măsură ce bateria se descarcă, toate aceste servicii devin neutilizabile, iar locuința dumneavoastră devine în curând nelocuibilă.
Imaginați-vă acum că există o casă în care trăiesc 7,3 miliarde de locatari și că aceea casă este alimentată tot de o baterie unică: Pământul – Spațiul cosmic (Figura 1). Este un sistem de stocare a energiei, produse de-a lungul a sute de milioane de ani, de către plantele fotosintetice. În cursul acestui proces, energia solară, difuză și de slabă calitate, a fost convertită în energie chimică, concentrată și de înaltă calitate, bazată pe compuși organici, și stocată temporar sub formă de biomasă, iar într-o formă mult mai durabilă, sub formă de combustibili fosili: petrol, gaze și cărbuni.
Figura 1. Bateria Pământ- Spațiul cosmic
Pământul este o sarcină pozitivă de energie chimică stocată organic (Catod) sub formă de biomasă și combustibili fosili. Pe măsură ce energia este disipată de oameni, ea este radiată în cele din urmă sub formă de căldură în spațiul cosmic (Anod). Bateria se descarcă repede datorită activităților umane recente, astfel că nu mai există suficientă re-încărcare. Curgerea energiei de la catod la anod mută planeta rapid și irevocabil mai aproape de echilibrul chimic steril al spațiului cosmic (Modificat după Schramski et al., 2015).
Încărcarea bateriei Pământ- Spațiul cosmic (paradigmă introdusă foarte recent de trei cercetători americani[1] și pe care se bazează în mare parte articolul de față) s-a făcut extrem de lent și în cantități mici, de-a lungul timpului geologic, o dată cu apariția vieții pe planeta noastră. Au trebuit să treacă circa un miliard de ani de istorie geologică pentru ca primele procariote fotosintetice și chimic-sintetice să exploateze energia solară disponibilă și să înceapă încărcarea bateriei chimice Pământ – Spațiul cosmic. Dar explozia biologică din Cambrian (~ 600 m.a., milioane ani în urmă) a produs o diversitate uriașă de organisme mari multicelulare și a fost urmată de colonizarea planetei de către plante. Astfel, biosfera s-a îmbogățit cu imense depozite de biomasă, în special sub formă de păduri. În următoarele perioade geologice (Carbonifer, Permian și Jurasic, ~ 350 – 150 m.a.) resturile de plante și animale moarte s-au depus în diverse bazine terestre și au creat depozitele actuale de petrol, gaze și cărbuni. De atunci, Pământul și-a păstrat stocurile de combustibili fosili aproape intacte, puținele perturbări fiind datorate unor evenimente deosebite: impacturi meteoritice, activități tectonice, glaciații sau încălziri climatice.
Această situație „idilică”, pre-lapsariană, s-a schimbat fundamental când oamenii moderni, Homo sapiens, au emigrat din Africa și au colonizat toată planeta. După terminarea ultimei glaciații, în urmă cu circa 12.000 ani, strămoșii noștri au inventat agricultura. Până atunci, ca vânători și culegători nomazi, ei trăiseră într-un echilibru energetic aproximativ, bazându-se doar pe energia fotosintetică disponibilă pentru a-și satisface nevoile de hrană și combustibil (gătit și încălzire). Impactul acelor primi oameni asupra bateriei Pământ – Spațiu cosmic a fost neglijabil.
După inventarea agriculturii, asistăm la o schimbare dramatică a modului de viață uman. Se începe exploatarea masivă a biomasei, recte descărcarea bateriei chimice, prin defrișarea pădurilor, pentru a crea terenuri arabile și a produce combustibil solid (lemn, turbă). Mai recent, revoluția industrială a folosit mori de vânt și de apă pentru a prelucra biomasa, apoi s-a trecut la arderea lemnului și a combustibililor fosili pentru exploatări miniere, topitorii de metale și producerea de unelte și mașini.
Se poate afirma că, de-a lungul ultimelor secole, oamenii au folosit energia chimică stocată în/pe Pământ pentru a-și alimenta dezvoltarea civilizației și societății contemporane industriale-tehnologice-informaționale. Astfel, omenirea modernă a început descărcarea accelerată a bateriei Pământ – Spațiu cosmic prin inducerea unui flux tot mai accentuat între cei doi poli: energia chimică, de mare calitate, a biomasei se degradează, în cursul activităților de transformare a pământului în beneficiul oamenilor, și se transformă în căldură, o energie de slabă calitate, iradiată finalmente în spațiul cosmic.
Despre energie, echilibrul energetic și legile termodinamicii
Cea mai simplă definiție a energiei este capacitatea de a executa un lucru mecanic. O altă definiție spune că energia desemnează cât de departe de starea de echilibru se găsește o anumită proprietate (e.g., temperatură, viteză, presiune, compoziție chimică etc.). Această distanță, sau gradient, poate fi utilizată pentru a produce lucru mecanic, proces în timpul căruia, energia se apropie de starea de echilibru. Cu alte cuvinte, posibilitatea de a produce lucru mecanic implică existența unui sistem non-echilibrat energetic. De exemplu, Pământul este non-echilibrat chimic în raport cu spațiul cosmic (Figura 1). Când noi ardem energie chimică fosilizată pentru a produce lucru mecanic, Pământul pierde căldura rezultată și se deplasează mai aproape de echilibru. La fel, când ardem biomasă vie mai repede decât Pământul o poate înlocui, planeta se apropie de echilibru.
Evoluția și starea energiei sunt postulate/controlate de termodinamică prin legi universale și absolute.
Prima Lege a termodinamicii afirmă că energia nu se pierde, nu se câștigă, ci doar se transformă dintr-o formă în alta (solară, chimică, mecanică sau căldură). Cantitatea totală de energie este conservată. Această lege a permis evoluția vieții: creaturile vii folosesc fotosinteza ca să transforme energia solară difuză în compuși organici cu concentrații ridicate de energie chimică. Prin respirație, acești compuși sunt dezintegrați, eliberând energia necesară activităților biologice. Oamenii consumă hrană și respiră pentru a-și satisface nevoile metabolismului biologic. Dar când oamenii au început să utilizeze inovații tehnologice pentru a arde cantități suplimentare de compuși organici, o anumită cantitate de energie extra-metabolică a devenit disponibilă pentru a produce lucru adițional. De aici a început practic dezvoltarea civilizației.
A doua Lege a termodinamicii afirmă că, pe măsură ce energia își schimbă formele, toată cantitatea de energie se degradează calitativ în final și devine căldură, pierdută în spațiul cosmic. Conform autorilor americani menționați, cantitatea de energie chimică concentrată/depozitată în depozitele de carbon ale planetei Pământ (polul pozitiv – catodul) reprezintă distanța până la echilibrul termodinamic brutal, inuman, al spațiului cosmic înconjurător (polul negativ –anodul). Gradientul energetic actual dintre cei doi poli ai bateriei susține biosfera, inclusiv viața umană. Pe măsură ce noi ardem tot mai multă energie chimică organică pentru a crește populația și economia planetei, ea se transformă în energie calorică de slabă calitate, cedată spațiului cosmic.
Curgerea de energie de la catod la anod deplasează planeta rapid și irevocabil către echilibrul chimic steril al spațiului cosmic.
Care este balanța energiei chimice de care mai dispunem, și pentru cât timp?
Cele două întrebări sunt cruciale pentru viitorul speciei umane pe planeta Pământ. Un prim răspuns poate fi sugerat de Figura 2, care prezintă stocurile energetice chimice și nucleare (calitate înaltă). O serie de resurse energetice (carbonul organic din sedimentele oceanice sau soluri, răcirea geotermică, gradienții termici oceanici etc.) nu au fost incluse în figura respectivă pentru că fie nu sunt exploatabile economic în prezent, fie nu sunt de natură chimică.
O analiză a Figurii 2 relevă unele aspecte interesante, o parte cunoscute de cititorii articolelor mele anterioare.
Depozitele de combustibili nerecuperabili (fosili, nucleari) domină prin cantitatea de energie relativ mare (unul sau mai multe ordine de mărime față de celelalte forme): ~2.000 ZJ. Există și o estimare (< 40 ZJ) a combustibililor fosili recuperabili, precum gazele și țițeiul de șist, nisipuri bituminoase, hidrați gazoși etc.
Figura 2. Stocurile de energie chimică și nucleară ale Pământului.
Pentru biomasă, convertirea la energie s-a făcut considerând 1 tonă carbon ~ 35 x 10^9 jouli. ZJ = zeta jouli = jouli x 10^21 (Modificat după Schramski et al., 2015).
Ceea ce a atras atenția cercetătorilor americani au fost, în fapt, componentele cele mai reduse ale balanței energiei chimice: potențialul bioenergetic total în 2000 (19 ZJ)și producția primară netă de biomasă în 2000 (2 ZJ). Ei consideră că, de fapt, cele două componente constituie punctul vulnerabil al funcționării bateriei chimice Pământ – Spațiul cosmic.
Cei 19 ZJ reprezintă potențialul chimic curent stocat în biomasa vie, în principal, sub formă de fitomasă în plantele terestre (majoritatea, în păduri). Energia chimică se regăsește în compuși organic, precum carbohidrați, lipide, proteine, celuloză, lignină și alte substanțe care alcătuiesc organismele vii. Acum 2.000 de ani, planeta conținea ~1.000 miliarde tone de biomasa vie, echivalentul a 35 ZJ de energie chimică, majoritatea sub formă de copaci. În ultimele două milenii, biomasa vie a scăzut cu ~45% (~ 550 miliarde tone carbon). Aproape 40% din suprafața terestră neocupată de ghețuri a fost transformată în pășuni și terenuri agricole pentru a hrăni populația mereu crescătoare. Reducerea biomasei vii continuă și astăzi într-un ritm de 1,5 miliarde tone carbon pe an, cauzele principale fiind tăierea pădurilor și deșertificarea, la care se pot adăuga unele cauze secundare, precum poluarea și practicarea nesustenabilă a pescuitului și exploatării masei lemnoase.
Cei 2 ZJ reprezintă fluxul de energie datorat producției primare anuale nete (PPN) de biomasă de pe planetă, adică este cantitatea de energie solară convertită în biomasă prin fotosinteză. Cantitatea globală de PPN constituie bugetul energetic regenerabil al planetei, în cadrul căruia toate ființele vii operează. Rezultă că cei 2 ZJ produși prin fotosinteză mențin un potențial de 19 ZJ stocați în biomasă.
