מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ הוא, בסופו של דבר, השמש. אורגניזמים חיים קולטים את אנרגיית השמש, והיא נאגרת בשרידים שלהם, שבתנאים גיאולוגיים מתאימים הופכים לפחם ולנפט. הציוויליזציה התעשייתית נבנתה על אנרגיית השמש המאובנת הזו, והיא חשובה כל כך לכלכלה העולמית, שרמת החיים באזור מסוים קשורה כיום לקצב צריכת הדלקים המאובנים בו. אף שנדרשו כ-300 מיליון שנים כדי שייווצרו מאגרי הדלקים המאובנים בכדור הארץ, שרפנו חלק ניכר מהם במאתיים השנים בלבד שחלפו מאז המהפכה התעשייתית. אלה משאבים שאינם מתחדשים, ובבוא הזמן נכלה את מאגרי הדלקים המאובנים של כדור הארץ. אחד האתגרים הגדולים של ימינו הוא לפתח דרכים יעילות לנצל מקורות אנרגיה חלופיים. מקורות האנרגיה החלופיים העיקריים הם אנרגיית שמש, אנרגיית רוח, אנרגיה גרעינית ואנרגיה גיאותרמית. המכשולים בפני אנרגיה מתחדשת הם בעיקר כלכליים, לא טכניים. בכלכלה עולמית שפועלת על נפט וגז זולים, קשה מאוד לחדור לשוק, ומקורות אנרגיה חדשים צריכים ייצור בהיקף גדול כדי להיות זולים מספיק. המודעות לחסרונות של כלכלה שמבוססת על דלקים מאובנים – התחממות גלובלית, זיהום ופגיעה בסביבה, ועוד – גבוהה מאי-פעם, ולכן יש תקווה שאנחנו בדרך לעתיד בר-קיימא יותר.
כמו דלקים מאובנים, גם אנרגיה גרעינית שמופקת בתגובות ביקוע מנצלת מלאי מוגבל של דלק, אף שעדיין נשארו מאגרים עצומים. רוב הכורים הגרעיניים מופעלים באורניום מועשר, שבו האיזוטופ אורניום-235 (שמתבקע בכור) מהווה כמה אחוזים בלבד, והשאר אורניום-238; בחלק מהכורים משתמשים גם בפלוטוניום, ובכורים ניסיוניים – בתוריום. אחת הבעיות הגדולות של אנרגיה גרעינית היא שהיא מייצרת תוצרי לוואי רדיואקטיביים מסוכנים, שנשארים פעילים מאות אלפי שנים. למצוא דרך לאחסן את הפסולת הזו בבטחה לאורך אלפי שנים מתגלה כאתגר קשה. בארצות הברית נבחר אתר בהר יוקה שבנבדה להקמת מתקן אחסון כזה, אבל אחרי שנחפרו כמה מנהרות ניסיון, העבודה הופסקה בשנת 2011 מסיבות פוליטיות, ובמקרים רבים הפסולת הרדיואקטיבית מצטברת ליד הכורים ברחבי המדינה. הבעיה עדיין לא נפתרה. חביות הפסולת הגרעינית האלה עלולות לגרום נזק בריאותי חמור אם ידלפו לסביבה, בתאונה או בפעולת טרור. כיום פועלים כ-440 כורים גרעיניים מסחריים ב-31 מדינות, והם מספקים כ-9% מהחשמל בעולם – ירידה משיא של כ-17% באמצע שנות התשעים. למרות הבעיות של הפסולת הרדיואקטיבית, כושר הייצור של אנרגיה גרעינית גדל, ובכל שנה מתחילה בנייה של כתריסר כורים, רובם בסין.
הצורה הנקייה של אנרגיה גרעינית היא היתוך, שכמעט אינו יוצר תוצרי לוואי רדיואקטיביים. ארצות הברית מוציאה יותר מחצי מיליארד דולר בשנה על מחקר היתוך, אבל כור היתוך מסחרי עדיין אינו נראה באופק. ובכל זאת, יש התקדמות. בשנת 2022 הצליח מתקן ההצתה הלאומי (National Ignition Facility) בארצות הברית להפיק מהיתוך יותר אנרגיה מאנרגיית הלייזר שהגיעה למטרה. זה ציון דרך, אבל עדיין לא ייצור נטו של חשמל. האתגרים הטכניים של כליאת פלזמה בטמפרטורה של מיליוני מעלות והפקת האנרגיה ממנה ביעילות הם אדירים. היתוך הוא מקור האנרגיה הקוסמי האולטימטיבי: השמש וכל הכוכבים מפיקים אנרגיה בהיתוך. ההיתוך (והביקוע), שמסדרים מחדש את גרעיני האטומים, מפיקים מכל קילוגרם של דלק פי מיליונים יותר אנרגיה מתגובות כימיות, שמסדרות מחדש את האלקטרונים שהאטומים חולקים ביניהם. היתוך לא רק יפתור חלק מבעיות האנרגיה של העולם, אלא אולי גם יאפשר לנו יום אחד לנסוע אל הכוכבים.
השמש מספקת לכל מטר רבוע בצד היום של כדור הארץ כ-1.36 קילוואט, כשמודדים מעל האטמוספירה, על משטח שפונה ישירות לשמש. לפני הקרקע, ביום בהיר, מגיע כקילוואט אחד למטר רבוע. אנרגיית השמש היא חלופה איתנה לדלקים מאובנים ולאנרגיה גרעינית. הרעיון לנצל את אנרגיית השמש באופן סביל, למשל כדי לחמם מים או את פנים הבית, קיים עוד מימי היוונים הקדמונים. דוגמה לטכנולוגיה סולארית מודרנית בקנה מידה גדול היא תחנת הכוח Solar Two בקליפורניה. היא השתמשה בכאלפיים מראות כדי למקד את אור השמש על קולט מרכזי, שאגר את אנרגיית השמש במלח מותך. בעזרת החום הזה הפיקו קיטור, שהניע טורבינות גדולות וייצר 10,000 קילוואט (10 מגוואט) של חשמל. אף שהיא כבר אינה פועלת, Solar Two הוכיחה שאפשר לקלוט ולאגור אנרגיית שמש בקנה מידה גדול. מתקן מחקר לאנרגיית שמש הוא "הצלחת הגדולה" (Big Dish) בקנברה שבאוסטרליה. אבל אף שמתקנים כאלה מוכיחים שאנרגיית שמש יכולה להיות כדאית מסחרית, רוב האנשים עדיין חושבים על לוחות סולאריים כשהם חושבים על אנרגיית שמש. בסוף 2020 ההספק המותקן של לוחות סולאריים בעולם היה כ-700 ג'יגה-ואט, פי 18 מאשר ב-2010, ושליש ממנו בסין. עד 2025 הוא גדל פי שלושה נוספים, לכ-2.4 טרה-ואט, וסין אחראית ליותר ממחצית הגידול. (ההספק המותקן הוא ההספק המרבי, בשמש מלאה; בממוצע, לאורך היום והלילה, הלוחות מפיקים רק חלק קטן ממנו). לוחות סולאריים הופכים לחשמל רק 18%–24% מהאנרגיה שפוגעת בהם, אבל ההתקנה שלהם עולה כדולר אחד לכל ואט, ולכן לפעמים זול יותר להתקין מערכת סולארית מאשר למשוך קו חשמל. לבתים שכבר מחוברים לרשת החשמל, מערכת סולארית היא השקעה ראשונית גדולה, אבל אחרי 7–8 שנים (תלוי במחיר החשמל המקומי) הלוחות מחזירים את עלותם ומתחילים לחסוך כסף לבעלי הבית. המחיר של אנרגיה סולארית, כולל כל העלויות, יורד לפחות מ-50 סנט לוואט, ובמחיר כזה היא תחרותית מאוד מול כל מקור אנרגיה אחר.
גם הרוח מאפשרת לנצל את אנרגיית השמש. במקרה הזה, אור השמש, יחד עם הסיבוב של כדור הארץ, יוצר רוחות. הרוחות מסובבות טורבינות, שמייצרות חשמל בעזרת מגנטים ועקרון ההשראה האלקטרומגנטית. טחנות רוח משמשות את בני האדם מאז ימי קדם: הן הופיעו לראשונה בפרס במאה ה-9. כיום מנצלים את מזג האוויר הסוער מטבעו באזורים כמו הולנד. חוות רוח צצות ברחבי ארצות הברית והעולם, ויש בתים ועסקים שמקימים טורבינות רוח לשימוש עצמי. בסוף 2020 ההספק המותקן של טורבינות הרוח בעולם הוערך בכ-740 ג'יגה-ואט, פי ארבעה מאשר ב-2010. עד 2025 הוא הוכפל, לכ-1.3 טרה-ואט – פי שבעה מאשר ב-2010. אף שאנרגיית רוח כדאית ויעילה, יש לה עדיין בעיות: אנשים רבים רואים בטורבינות מפגע חזותי, ויש להן גם השפעות סביבתיות, כמו ציפורים נודדות שנהרגות בפגיעה בלהבים. שימו לב שאנרגיית שמש ואנרגיית רוח מספקות כל אחת רק כ-8%–9% מייצור החשמל בעולם, אבל שתיהן צפויות לעקוף את האנרגיה הגרעינית בשנת 2026. האנרגיות המתחדשות בסך הכול, עם כ-34% מייצור החשמל, עקפו את הפחם בשנת 2025.
גם אנרגיה גיאותרמית, שמנצלת את החום מפנים כדור הארץ, נמצאת בשימוש, במיוחד באזורים עם פעילות געשית ניכרת (כמו איסלנד). פנים כדור הארץ מתחמם מהדעיכה של יסודות רדיואקטיביים טבעיים ומהחום שנשאר מהיווצרותו. אפשר להשתמש בחום הזה כדי ליצור קיטור ולסובב טורבינות, או פשוט כדי לחמם מים לחימום בתים. בשנת 2025 ההספק של מתקנים גיאותרמיים בכל העולם היה כ-16 ג'יגה-ואט, כך שזו עדיין תרומה שולית לצורכי האנרגיה העולמיים. אנרגיה הידרו-אלקטרית (מים זורמים בסכרים), לעומת זאת, היא אחד המקורות המתחדשים הגדולים: ההספק המותקן שלה כ-1,400 ג'יגה-ואט, והיא מספקת כ-14% מהחשמל בעולם.
אולי הטכנולוגיה המבטיחה ביותר לשימוש נרחב שנראית באופק היא תא הדלק. תא דלק יכול להפיק אנרגיה מהדלק הקוסמי הנפוץ מכולם: מימן. תוצר הלוואי היחיד של תאי דלק מימניים הוא מים. תאי דלק בטוחים ונקיים, ויש להם פוטנציאל לעזור לנו להשתחרר מרומן האהבה בן מאה השנים (ויש שיאמרו: מההתמכרות ההרסנית) למנוע הבעירה הפנימית ולתלות שלו בדלקים מאובנים. הבעיה של תאי דלק היא שהם כבדים, ושנדרשת אנרגיה רבה כדי לייצר את המימן שמשמש להם כדלק. כלומר, תא דלק אינו מקור אנרגיה בפני עצמו, אלא דרך לאגור אנרגיה ולהעביר אותה. תאי דלק פותחו בצורה גולמית בידי הפיזיקאי הוולשי ויליאם גרוב בשנת 1838, אבל עבר יותר ממאה שנה עד שהמהנדס האנגלי פרנסיס בייקון בנה אב-טיפוס של 5 קילוואט, בשנת 1959. נאס"א השתמשה בתאי דלק כמקור חשמל בחלליות מאוישות כמו ג'מיני, אפולו ומעבורת החלל. חלליות בלתי מאוישות ולוויינים משתמשים בדרך כלל בלוחות סולאריים או במחוללים רדיואיזוטופיים. השוק של תאי דלק עדיין צנוע, אבל לפי התחזיות ההספק שלהם יגיע ל-25–30 ג'יגה-ואט עד שנת 2030.
אין מקור אנרגיה אידיאלי, ולכן אנשים וממשלות צריכים לקבל החלטות זהירות על ייצור אנרגיה. אף שברור שעלינו לעבור מדלקים מאובנים למקורות אחרים, העלויות ההתחלתיות של המעבר מתחנות הכוח הקיימות מרתיעות מאוד. אם אנחנו רוצים לשנות את הדרך שבה אנחנו מפיקים אנרגיה, זה יעלה כסף עכשיו, כדי להבטיח את העתיד התעשייתי שלנו. ולסיום, בנימה קוסמית: מקור האנרגיה הגרעינית האולטימטיבי בכוכבים הוא היתוך, שבו כוח הכבידה דוחס כוכב עד שהטמפרטורה בו גבוהה מספיק להיתוך. אולי יום אחד נלמד לרתום את כוח הכבידה בדרך שתגרום לשיטות שלנו היום להפקת אנרגיה להיראות פרימיטיביות.
→ הסעיף הקודם: 11.22 ההשפעות של השמש על כדור הארץ | הסעיף הבא: 12.1 כוכבים ←