Svar:
Det intressanta är inte densititen utan kombinationen densitet och inneslutningstid. Det är då det heta plasmat har möjlighet att producera tillräckligt många fusionsreaktioner. Som framgår av länk 1 fordras för deuterium-tritium fusion att

   nt >= 10¹⁴ s/cm³

där n är densiteten i partiklar/cm³ och t är inneslutningstiden i sekunder. För en rimlig inneslutningstid på 1 sekund blir alltså densiteten 10¹⁴ /cm³. Detta kan jämföras med densititen för luft vid normalt tryck och temperatur c:a 310¹⁹ /cm³. Densiteten för plasmat är alltså ett hyggligt förvakuum på c:a 210^-3 torr!
/Peter E 2006-01-22

Svar:
Hej Magda! Vi har svarat en hel del på frågor om vad avfallet består av, se kärnkraftsavfall, men inte mycket vad vi planerar gör med det. Så är beskrivs processen av Svensk Kärnbränslehantering AB (SKB):

Idag mellanlagras allt använt kärnbränsle i Clab där vatten kyler bränslet och skärmar av strålningen. Eftersom använt kärnbränsle har en förhöjd aktivitet under väldigt lång tid, storleksordningen 100 000 år, måste förvaringen förändras i framtiden.

Därför planerar SKB att bygga ett slutförvar för allt använt kärnbränsle, ett förvar som inte kräver någon övervakning och kontroll av kommande generationer.

Den metod som SKB arbetar efter kallas KBS-3. Den innebär att det använda kärnbränslet ska kapslas in i koppar. Kopparkapslarna ska sedan deponeras i urberget på cirka 500 meters djup, inbäddade i lera (se illustrationen nedan). När deponeringen är klar försluts tunnlar och bergrum.

Man har alltså tre barriärer för att hindra att radioaktivitet kommer ut: kopparkapsel, lera och urberget.

Den mest sannolika placeringen tycks i dag vara i Oskarshamns-trakten (där mellanlagringen Clab finns i dag), men detaljerna i förvaret kan fortfarande ändras - det är inte byggstart förrän 2010 och förvaret beräknas komma i drift 2017.

För mer information om avfall och slutförvaring se Svensk Kärnbränslehantering ABs webbsajt och den mycket informativa sajten för ungdomar under länk 1 med bland annat några bra kortfilmer.

/Peter E 2006-03-10

Svar:
Potatis är väl inte den ideala energikällan, se energikällor för diskussion om mer konventionella, men ett par sätt kan man tänka sig att utvinna energi t.ex. för att driva en maskin eller ett fordon:

1 Ät potatisen och använd en pedaldriven generator för att generera elektricitet med den energi kroppen utvinner från potatisen.

2 Gör med hjälp av jäst alkohol av potatisen och använd alkoholen som bränsle i t.ex. ett fordon.
/Peter E 2006-10-23

Svar:
Hej Kadija och kompis!

Låt oss försöka göra en grov uppskattning. Barsebäck 1 hade en elektrisk effekt på c:a 600 MW. Det är alltså detta vi vill ersätta. Låt oss anta att Barsebäck var igång hela tiden - det var det normalt utom vid korta revisioner på sommaren.

Effekten hos solstrålningen utanför atmosfären är c:a 1400 W/m², se solarkonstanten. Låt oss anta att effekten halveras genom absorption i atmosfären och att solen skiner 1/4 av tiden (optimistiskt). Vi är då nere i en effektiv effekt på 1400/8=175 W/m². Med en effektivitet hos solcellerna på 15% är medeleffekten nere på 0.15175=26 W/m².

För att producera en medeleffekt på 600 MW fordras 60010⁶/26=23000000 m² solceller. Det blir 23 km² solceller! Dessutom har vi problemet att solen inte skiner när vi behöver mest effekt, t.ex. kalla vinternätter. Så solceller som producerar elektricitet är inget bra alternativ för Sverige. Möjligen kan vi i en framtid när solcellerna blir billigare sätta upp dem i öknar och producera vätgas som energibärare. Vindenergi är för Sverige ett mycket mer lovande alternativ även om även dessa inte alltid producerar hög effekt när det behövs. Sverige har emellertid en mycket stor fördel i förhållande till många andra länder: vi har en stor bas av vattenkraft och kärnenergi. Sol och vind, som är lite opålitligt vad gäller tillgänglighet, kan då ändå vara ett mycket viktigt komplement som inte producerar koldioxid.

Se vidare Solel, Vanliga frågor om solceller och Solar_energy.
/Peter E 2007-01-29

Svar:
Hej Fanny! Jag tror inte det största problemet med elbilar är uppvärmningen på vintern. Ett elektriskt element på 1 kW skulle säkert räcka för att hålla en behaglig temperatur i bilen. Eftersom 1 kW = 1.36 hästkrafter (se länk 1), är uppvärmingseffekten liten jämfört med motoreffekten på kanske 50 hästkrafter.

För att en elbil skall vara ett miljövänligt alternativ krävs två saker: att vi har lätta, billiga och lättladdade batterier och att vi kan producera elektricitet på ett ekonomiskt och miljövänligt sätt. Det är framför allt batterierna som är problemet - de har bara kapacitet för några mils körning, och det tar ganska lång tid att ladda upp dem.

Se även fråga 12940 nedan.
/Peter E 2009-02-20

Svar:
Manfred! Egentligen en kemifråga, men vi kan nog klara av den. Den typiska förbränningsreaktionen för bensin (se Hydrocarbon) är

C₈H₁₈ + 12.5O₂ -> 9H₂0 + 8CO₂

Atomvikterna är: H - 1; C - 12; O - 16. Molekylvikterna i reaktionen ovan blir då

114 + 400 -> 162 + 352 = 514

Detta betyder att 114g bensin reagerar med 400g syre och ger 162g vatten och 352g koldioxid. Förhållandet (producerad koldioxid)/(förbrukad bensin) är alltså 352/114=3.1. Det produceras alltså ungefär 3 gånger så mycket koldioxid som man förbränner bensin. Det beror helt enkelt på att det mesta av slutprodukten CO₂ kommer från atmosfärens syre.

Här finns energiinnehållet och koldioxidutsläpp för några vanliga bränslen: Energy_content_of_biofuel.
/Peter E 2009-04-21

Svar:
Hej My! För att förstå detta ordentligt måste man förstå halvledare och p-n övergångar (dioder). En bra förklaring på engelska finns på länk 1. Photovoltaic_cell, Photovoltaics och Solar_cell är lite mer avancerade.

Svenska Wikipedia (SolcellHur_en_solcell_fungerar) säger:

En solcell är en typ av fotodiod. Solcellen består av två skikt: P-skikt och N-skikt. Det vanligaste ämnet i solcellen är kisel som har fyra valenselektroner. N-skiktet är sedan dopat med ett ämne med fem valenselektroner, exempelvis fosfor, och p-skiktet är dopat med ett ämne med tre valenselektroner, exempelvis bor. Alltså fattas det elektroner i p-skiktet, medan det blir extra elektroner i n-skiktet. Elektronkoncentrationerna är alltså olika på ömse sidor om kontaktskiktet. Diffusion leder då till att elektroner i n-skiktet vandrar över till p-skiktet. Det n-dopade skiktet blir positivt laddat, och det p-dopade skiktet bli negativt laddat, med ett starkt elektriskt fält däremellan. I mörker finns här inga fria elektroner.

Men kommer det en foton från solljuset ger den ifrån sig sin energi till elektronen och om fotonen har tillräcklig energi kommer elektronen att exciteras. När elektronen hamnar i det elektriska fältet mellan skikten, sveps den till det positivt laddade n-skiktet, där den kan ledas ut i en yttre krets (elledning).

Solceller tappar i verkningsgrad när temperaturen stiger. Det har visat sig att det är förhållandevis enkelt att använda passiv kylning och därmed minska förlusterna när temperaturen stiger.

De inkommande ljusfotonerna avlämnar alltså sin energi genom att lyfta en elektron från valensbandet (där elektronerna är bundna till en viss atom) till ledningsbandet (där elektronerna är fria att röra sig i hela kristallen.

Bilden nedan från Wikimedia Commons visar 14 MW Nellis Solar Power Plant som är Nordamerikas största fotovoltaiska anläggning och ligger i Nellis Air Force Base i Nevada. Panelerna styrs så att de alltid är vinkelräta mot solen.

/Peter E 2009-04-27

Svar:
Alida! Det är mycket omfattande frågor du ställer och de är delvis mer teknologi än fysik. Jag kommer att behandla några av de fysikaliska aspekterna i din fråga.

Förbränningsmotorer

Bilens bränsle förbränns tillsammans med syre från luften i en cylinder. Varm gas tar mer plats än kall gas och expansionen driver en kolv. Via en vevaxel omvandlar man fram-och-tillbaka rörelsen till rotation som kan driva hjulen, se nedanstående animering från Wikimedia Commons (Engine). Observera att det är inte den höga temperaturen i sig som driver förbränningsmotorn utan skillnaden i temperatur mellan de varma och kalla delarna. En förbränningsmotor måste alltså alltid kylas - oftast med vatten. I ett kraftverk eller fabrik kan man använda kylvattnet för uppvärmning, men i en bil är det varma kylvattnet en ren energiförlust. Effektiviteten (verkningsgraden) för en förbränningsmotor (producerat mekaniskt arbete/(bränslets energiutveckling) är av storleksordningen 40% (Internal_combustion_engine).

Bromsar

Den traditionella konstruktionen för bromsar är två plattor eller cylindrar som bringas i kontakt och genom friktion förvandlar mekanisk energi till värme. Normalt är denna värme en ren förlust.

Det finns emellertid bromsar som återanvänder bromsenergin.

Om bilen drivs av en elmotor och batterier kan man använda motorn som broms. Elmotorn blir i stället en generator som producerar ström som laddar patterierna. Det är alltså det mekaniska motståndet från generatorn (Lenz's_law) som ger bromsverkan. En stor del av energin kommer till nytta från det uppladdade batteriet. Se Regenerative_brakeThe_motor_as_a_generator.

En annan lösning är att använda sig av ett svänghjul. Ett svänghjul (se Flywheel) är en mekanisk anordning vars syfte är att lagra rörelseenergi genom att en tung cylinder sätts i rotation. För ett fordon överför man rörelseenergi till rotationsenergi hos svänghjulet. Denna rotationsenergi kan sedan återanvändas för acceleration. Systemet används bland annat av några stall i Formel 1. Systemet kallas KERS (Regenerative_brakeKinetic_Energy_Recovery_Systems). Man kan med detta system få några extra hästkrafter för en snabb omkörning. Svänghjulet laddas alltså upp av uppbromsningarna. Anledningen till att inte alla Formel 1 stall använder KERS är att systemet är ganska tungt (c:a 25 kg) och därför medför begränsningar i den optimala viktfördelningen i bilen. (Kommentar: Systemet var förbjudet under säsongen 2010, men är tillåtet från säsongen 2011.)

Hydraulik/servosystem

Hydraulik är ett system med två kolvar med olika diameter som är förbundna med en slang innehållande en vätska, vanligen olja. Vätskan är inkompressibel (kan inte tryckas ihop), och man skapar ett övertryck genom att trampa på en pedal. Om kolvarnas ytor förhåller sig som 1/10 får man en förstärkning av kraften med en faktor 10. På samma sätt som för en hävstång betalar man kraftförstärkningen med att den mindre kraften verkar över en längre sträcka, se Hydraulik.

Ett servo-system skall enligt en strikt definition (Servomechanism) även innehålla en extern drivkälla (t.ex. vakuum från motorn) och återkoppling.

/Peter E 2009-10-27

Svar:
Elin! Vi gör en mycket förenklad modell av ett vindkraftverk med en normal rotor. Vi antar att vindhastigheten är v m/s. Den del av luften som kan påverka rotorn under tiden t sekunder är en cylinder med basytan A och höjden vt. Volymen är alltså Avt och om luftens densitet är r blir massan av luftcylindern

m = rAvt

Kinetiska energin för en kropp med massan m är

E = mv²/2

Den under tiden t tillgängliga energin är då

E = rAvtv²/2

Den utvecklade effekten P är E/t

P = E/t = rAvv² = rAv³/2

Den totalt tillgängliga effekten ökar alltså med kuben på vindhastigheten.

Om längden på rotorbladen är r så blir ytan A = pr². P ges då av

P = rpr²v³/2

Med vindhastigheten 10 m/s, luftens densitet 1.2 kg/m³ och längden på rotorbladen 10 m blir effekten

P = 1.2 [kg/m³] 3.14 10² [m²] 10³ [m³/s³] /2 = 190 kW

Nu kan man av lättförståeliga skäl inte få ut hela denna effekten som rotation av rotorn: uppbromsningen av luften som sätter fart på rotorn skapar ett övertryck bakom rotorn och detta övertryck bromsar vinden så att inte hela rörelseenergin kan utnyttjas.

Att den teoretiskt maximala effekt som kan utvinnas med hjälp av en rotor i ett vindkraftverk är 16/27 eller approximativt 0,59 av effekten hos den fritt strömmande luften strax framför rotorn brukar betecknas som Betz lag, se Betz_lag.

I själva verket kan maximalt endast ca 45% av effekten hos den genomströmmande luften utnyttjas beroende dels på rotorns verkningsgrad och dels på övriga komponenters verkningsgrader (vanligen växellåda och generator). I praktiken brukar endast ca 35% utnyttjas.

Se Betz%27s_law för härledning av den teoretiskt maximala verkningsgraden.

Se även bra och omfattande artiklar i Wikipedia: Vindkraft, Vindkraftverk, Wind_power och Wind_turbine.

/Peter E 2009-11-22

Svar:
Matilda, Jenny, Elin! Bra frågor som täcker det mesta om vågkraft! Jag antar det är ett projekt ni skall göra, så ni vill väl inte att jag gör det för er? Jag kommer bara att visa er i rätt riktning, så ni får göra jobbet själv. Om det under era studier uppkommer fysikaliska frågor på detaljer får ni gärna återkomma!

1 Svårt att säga eftersom man i stort sett har endast testanläggningar. Än så länge är det därför dyrare än andra energikällor.

2 Se länk 1 (tyvärr på engelska men lätt sådan).

3 Se Vågkraftverk och länk 2. Bilden nedan är från Wikimedia Commons och visar en mycket enkel konstruktion som testas i bohuslän: boj, lina och linjärgenerator.

4 Egentligen bara att man har en massa guppande flöten som ser fula ut och som båtar kan kollidera med.

Se även länk 2, vågenergi och Wave_power.

/Peter E 2009-11-25