Energía de tornados hechos por el hombre

Según tengo entendido, hay dos versiones de esta idea. El primero es bastante interesante y podría funcionar: la idea es calentar el aire en la parte inferior usando una central eléctrica y permitir que el vórtice lleve el aire a la troposfera superior. El vórtice actúa como una chimenea, sacando el aire caliente de la unidad, provocando una diferencia de presión que le permite hacer funcionar las turbinas y extraer energía. Efectivamente, el vórtice más las turbinas se convierte en un motor térmico cuyo sumidero frío está a la temperatura de una parte mucho más alta de la atmósfera (potencialmente hasta la tropopausa en ~$-50^\circ \text{C}$, aunque probablemente mucho más bajo) en lugar de la temperatura ambiente cerca de la superficie, lo que permite un aumento en la eficiencia. La eficiencia máxima de un motor de este tipo está dada por la eficiencia de Carnot, aunque, por supuesto, la eficiencia real será necesariamente menor, en parte porque el vórtice disipará algo de energía a través de la fricción.

Además (aunque esto rara vez se menciona), si el aire que está poniendo es húmedo y caliente, se condensará a medida que sube, liberando su calor latente y, por lo tanto, aumentando más rápido (este proceso es lo que causa las tormentas eléctricas), por lo que también puede extraer trabajo del calor latente de esta manera.

Pero creo que lo que está preguntando principalmente es una versión diferente de la idea, que está implícita en su segundo enlace. (Recuerdo haber leído un artículo de New Scientist sobre esto una vez). La base de esta idea es que el aire a nivel del suelo ya es más cálido (y a menudo más húmedo) de lo que sería si la atmósfera estuviera en equilibrio, así que ¿por qué no prescindir por completo de la central eléctrica convencional y simplemente usar el gradiente de temperatura existente para impulsar el motor de vórtice?

En principio esto no sería un movimiento perpetuo. La inestabilidad en la atmósfera es impulsada por el sol, por lo que esencialmente estarías robando parte de la energía potencial gravitacional que actualmente se utiliza para impulsar el movimiento de los sistemas climáticos naturales. Sin embargo, personalmente creo que sería muy poco probable que funcionara. El problema es que si logró que un vórtice similar a un tornado se asentara sobre sus turbinas, absorbiendo el aire cálido circundante y enviándolo hacia la tropopausa, entonces ¿por qué no podría simplemente saltar de su turbinas y comenzar a aspirar el aire caliente directamente? Así no se estaría perdiendo la energía que extraen las turbinas. La única forma que se me ocurre para evitar que esto suceda sería construir un invernadero plano muy grande alrededor del generador, de modo que el aire caliente del interior pueda... No sube a menos que pase por las turbinas. Quizás esto es lo que estas personas tienen en mente: después de todo, así es como funcionan las torres solares. Pero sospecho que tal cosa tendría que ser enorme: los vórtices de esa altura solo se encuentran naturalmente en los huracanes, y solo se forman cuando el aire de la superficie es excepcionalmente cálido y húmedo, por lo que es difícil imaginar que tal vórtice pueda sostenerse usando el aire ambiente en condiciones terrestres normales.

Si funcionara, el poder límite vendría dado por la velocidad a la que el sol calienta el aire en el área de captación del sistema, multiplicado por la diferencia de temperatura entre la superficie y la tropopausa. No tengo cifras para darte, pero supongo que sería más de lo que obtendrías si cubrieras el área con turbinas eólicas, pero seguramente mucho menos que si la cubrieras con paneles solares. Al final, todo es solo una forma de convertir la energía solar en trabajo, y la termodinámica impone menos restricciones a las células fotovoltaicas que a los motores térmicos.

Usted pregunta qué efecto tendría esta idea en la atmósfera. No creo que afectaría sustancialmente la tasa de caída, a menos que la cosa fuera tan eficiente que fuera mucho mejor para disipar la energía potencial gravitatoria que los sistemas convectivos que ya existen en la atmósfera, lo que parece muy poco probable. Sin embargo, ya sea para la versión con o sin energía de la idea, es difícil imaginar que un vórtice que se extiende hacia lo alto de la troposfera no tendría un efecto en los patrones climáticos locales, y no es imposible imaginar que tenga efectos colaterales en un escala más amplia. Sin embargo, esto sería difícil de modelar, porque los modelos globales no tienen la resolución para modelar ese tipo de vórtice. (Los huracanes no se modelan en GCM por este motivo). Pero si se construyera en una escala más pequeña, supongo que no lo haría.

Accidentalmente tropecé con esta pregunta y quería publicar una respuesta, después de una breve lectura en http://vortexengine.ca/english.shtml , a pesar de que ya se hizo hace más de un año.

Creo que la idea básica del concepto se basa en una gran confusión entre causa y efecto con respecto a los fenómenos meteorológicos. Si bien ciertas condiciones en una escala meteorológica (es decir, a gran escala) pueden conducir a la formación de vórtices energéticos, es a la inversa una tontería suponer que generar un vórtice (por medio de una entrada de energía relativamente pequeña) crearía el necesario (a gran escala). ) condiciones para invocar un vórtice estacionario, que podría ser aprovechado.

Otra forma de pensar sobre el problema es que cualquier proceso de corriente ascendente impulsado por flotabilidad continua de este tipo es un proceso térmico y, por lo tanto, está limitado por la eficiencia de Carnot:

$\eta_c=1-\frac{T_{cold}}{T_{warm}}$

asi que

$P_{mech}<\dot{Q}\eta_c=\dot{m}_{turbine}c_p(T_{warm}-T_{cold})\eta_c$

para cualquier proceso real. Esto es cierto para cualquier altura de torre o medio y las temperaturas se refieren a las condiciones del terreno. Entonces, por cualquier medio práctico, la energía que podría generarse siempre sería una fracción bastante pequeña de la energía térmica alimentada a la torre (y, por supuesto, incluso menos, si el potencial hidrostático se usa para generar un vórtice).