Jadrová energia – Je naše ľudské telo baterka z Matrixu?
To čo nami hýbe je vlastne elektrina produkovaná našim vlastným telom. Ale ako naše ľudské telo vyrába elektrinu - a ako ju využíva?
Je to už vyše 20 rokov, čo nám americké filmové režisérky Wachowské predstavili svet Matrixu. 22 rokov ubehlo odvtedy, čo sme sledovali, ako si hlavný hrdina Neo vezme červenú pilulku a sleduje bieleho králika za digitálnou hranicou do sveta superveľmocí, vnímajúcich strojov a existenčnej krízy. Neo opustil svet, ktorý poznal, a zistil, že v skutočnosti nie je človekom žijúcim na začiatku 21. storočia.
Namiesto toho je to batéria, zdroj energie pre obrovskú civilizáciu strojov ovládajúcu svet. Ďalší hrdina z filmu Matrix Morfeus vysvetľuje hrozné riešenie, ku ktorému sa stroje uchýlili, aby prežili. Vo filme hovorí že „Ľudské telo generuje viac bio-elektriky ako 120-voltová batéria a viac ako 25 000 BTU telesného tepla“. Ale aby sme boli spravodliví, tiež tam spomína, že toto získavanie ľudskej energie je kombinované „s formou fúzie“, aby strojom poskytlo všetku energiu, ktorú by kedy potrebovali. Poďme sa pozrieť na to, ako dobre môže ľudské telo fungovať ako zdroj energie, a pozrime sa, „ako ďaleko sa táto králičia nora nachádza“.
Mohli by ľudské telá, udržiavané v inertnom stave v strašidelných cyber-punkových nádobách, pôsobiť ako vhodný zdroj energie?
Sme ľudské batérie v Matrixe?
Krátka a veľmi zjednodušená odpoveď je že pravdepodobne asi nie.
A môžeme za to poďakovať termodynamike.
Prvý zákon termodynamiky hovorí zjednodušene, že energiu nemožno ani vytvoriť a ani zničiť. Akákoľvek energiu, keď ju vložíme do systému (v tomto prípade náš ľudský „mäsový oblek“), je ju možné premeniť iba na prácu alebo teplo. Vo filme Matrix sú ľudia väčšinou inertní a žijú si svoj život iba vo svojej hlave. Ale prvý pohľad môže klamať (niekto to tam hovorí Morfeovi), a aj keď je telo v pokoji, deje sa toho veľa.
Kalorický výdaj je zložitý výpočet. Hrá tam veľa faktorov, vrátane telesnej hmotnosti a metabolizmu, ale aj to tak môžeme skúsiť. Vezmime si napríklad mňa - človeka s hmotnosťou cca 84 kilogramov. V kľude „spálim“ v priemere 56 kalórií za hodinu. Vzhľadom na to, že keby som bol ako v Matrixe uzamknutý vo vnútri nejakej matice, v podstate vždy v pokoji a žil by som si svoj život iba v nepretržitom stave svojich snov, - teda ako keby som iba niekde tak ležal - spálil by som približne 1350 kalórií za deň. To je stratená energia z môjho tela (z mojej obálky, či akože „ľudského stroja“).
Ale skutočné kalorické výdaje by mohli byť ešte vyššie. Všetky naše telesné funkcie, od myslenia až po kopanie záhrady, či rúbanie dreva (resp. v meste napríklad dvíhanie činiek), si vyžadujú určitú energiu. Aj mnoho našich aj úplne malých svalových akcií sprevádzajúcich našu každodennú, takmer nepozorovateľnú činnosť, od spánku až po poškriabanie si za ušami, sa nakoniec stáva tepelnou energiou, rovnako ako menej viditeľné svalové činnosti srdca, pľúc a tráviaceho traktu.
Rýchlosť, akou telo využíva energiu potravy na udržanie života a na vykonávanie rôznych činností, sa nazýva rýchlosť metabolizmu. Celková miera premeny energie v pokoji človeka sa nazýva tzv. „bazálny metabolizmus – BMR“ a je rozdelená medzi rôzne hlavné systémy v našom tele a to inak, ako by si to pravdepodobne väčšina čitateľov predstavovala.
Naše vnútorné energetické spotrebiče.
Mnoho ľudí si myslí, že najväčším spotrebičom je náš mozog, alebo srdce.
No vôbec nie sú! Ale tá predstava je na druhej strane vlastne logicky oprávnená.
Mimochodom ale, čo to vlastne ten náš mozog je? Mozog je najkomplexnejšia časť nášho ľudského tela. Tento relatívne nie až tak veľký orgán je sídlom inteligencie, tlmočníka zmyslov, iniciátora pohybu tela a ovládača správania. Náš mozog, ktorý leží a je chránený v kostnej škrupine (našej lebke) a je premývaný ochrannou tekutinou - je zdrojom všetkých vlastností, ktoré nás definujú ako ľudstvo. Náš mozog skonzumuje zhruba 20 percent všetkej použitej energie, a to napriek tomu, že tvorí iba asi 2 percentá z našej celkovej telesnej hmotnosti. Ukazuje sa teda, že premýšľanie je vlastne veľmi namáhavá, tvrdá práca. Ale aj keď ľudia prežívajú plnohodnotný duševný život, nedá sa (zatiaľ) úplne presne povedať, koľko energie mozog vlastne „nasáva“.
Najväčším spotrebičom energie v našom tele je pečeň so slezinou, ktoré spotrebujú až 27 percent. Ich spotreba energie v pokoji je okolo 23 Wattov. Až potom nasleduje náš mozog, ktorý spotrebuje cca 19 až 20 percent. Ten v kľude spotrebuje cca 16 Wattov. Potom je to kostrové svalstvo, ktoré spotrebuje 18 percent, a v kľude skonzumuje cca 15 Wattov. Nasledujú naše obličky – s 10 percentami a cca 9 Wattmi. Potom je naše srdce, ktoré si vezme asi 7 percent energie, a v kľude spotrebuje asi 6 Wattov. A to všetko ostatné dokopy spotrebuje zbytkových 19 percent, teda v kľude asi 16 Wattov.
Celkove teda naše telo (v kľude) spotrebuje cca 84 Wattov a spracujeme asi 250 mililitrov kyslíka za minútu (čo je, ak som to správne prepočítal cca 15 litrov za hodinu).
Najväčšia časť energie ide teda do pečene a sleziny, a až potom na rad prichádza mozog.
Asi 75% kalórií spálených za deň ide do týchto základných funkcií. Celých 25% všetkej bazálnej metabolickej energie spotrebovanej telom sa použije na udržanie elektrického potenciálu vo všetkých živých bunkách. (Nervové bunky využívajú tento elektrický potenciál v nervových impulzoch.) Táto bio-elektrická energia sa nakoniec stáva väčšinou tepelnou energiou, ale časť sa využíva ako „pohon chemických procesov“, napríklad v obličkách a pečeni, a na produkciu tukov. Bazálny metabolizmus-BMR je funkcia veku, pohlavia, celkovej telesnej hmotnosti a množstva svalovej hmoty (ktorá spaľuje viac kalórií ako telesný tuk). Športovci majú vďaka tomuto poslednému faktoru väčšie BMR. Samozrejme, pri energickom cvičení výrazne stúpa energetická spotreba kostrových svalov a srdca.
Nasledujúci diagram sumarizuje základné energetické fungovanie v ľudskom tele.
Prvý Zákon Termodynamický
Teplo
My ľudia si potrebujeme zohrievať telo. Normálna teplota tela človeka je v typickom teplotnom rozsahu, od 36,5 – do 37 ° C. A keďže naše okolie má zvyčajne nižšiu teplotu, musíme to robiť sústavne. Naše telo je schopné vnútorne ukladať chemickú potenciálnu energiu a tepelnú energiu. Tepelná energia je iba kinetická energia atómov a molekúl, takže tieto dva druhy energie sú uložené mikroskopicky vo vnútri tela. Zhromažďujeme do tzv. vnútornej energie. Je jasné, že ak je objekt teplejší ako jeho okolie, potom sa tepelná energia prenáš z objektu do okolia, a ak je objekt chladnejší, potom bude naopak tepelná energia prenášaná z jeho okolia do objektu. A toto množstvo tepelnej energie vymenenej v dôsledku teplotných rozdielov nazývame teplo. A keď sa teplo prenáša z tela do životného prostredia, pretože ho vlastne strácame - hovoríme tomu odpadové teplo.
Uchovávanie energie
Princíp zachovania energie tvrdí, že energiu nie je možné vytvárať ani ničiť. Preto, ak telo vykonáva užitočnú prácu na prenos mechanickej energie do svojho okolia, alebo na prenos tepelnej energie do prostredia ako teplo, potom musí táto energia vychádzať z vnútornej energie nášho tela. Toto v celej prírode pozorujeme ako tzv „Prvý zákon termodynamiky“. A definícia prvého termodynamického zákonu hovorí, že celková energia systému a jeho okolia zostávajú konštantné. Zákon je tiež známy ako „zákon zachovania energie“, ktorý uvádza, že energia v izolovanom systéme sa môže transformovať z jednej formy do druhej, ale nemôže byť vytvorená ani zničená.
Tepelný motor
Naše telo na prácu využíva vnútorne uloženú chemickú potenciálnu energiu a tento proces tiež generuje tepelnú energiu, ktorú uvoľňujeme ako odpadové teplo. Aj spaľovacie motory, ktoré poháňajú väčšinu automobilov, pracujú podobným spôsobom a to tak, že prostredníctvom spaľovania prevádzajú chemickú potenciálnu energiu v palive na tepelnú energiu, potom premieňajú časť tepelnej energie na užitočnú prácu a časť z nich odvádzajú do výfukového tepla.
Naše telo je schopné uvoľňovať chemickú potenciálnu energiu z nášho jedla aj bez spaľovania, čo je dobré, pretože na svoju prácu sme my nie schopní využiť tepelnú energiu z našej vnútornej energie. Stroje, ktoré na prácu môžu využívať tepelnú energiu, napríklad spaľovací motor, sú známe ako tepelné motory. Tepelné motory sa stále riadia prvým termodynamickým zákonom, takže akékoľvek odpadové teplo muselo byť tepelnou energiou, ktorá sa nepoužívala na prácu. A účinnosť tepelného motora určuje pomer tepelnej energie, ktorý použijeme na prácu, oproti celkovej teda aj strate odpadového tepla.
Účinnosť ľudského tela
Účinnosť ľudského tela pri premene chemickej potenciálnej energie na užitočnú prácu sa nazýva mechanická účinnosť tela. Mechanická účinnosť nášho ľudského tela je obmedzená, pretože energiu použitú na metabolické procesy nemožno použiť na vykonanie užitočnej práce. Dodatočná tepelná energia generovaná počas chemických reakcií, ktoré spôsobujú kontrakcie svalov, spolu s trením v kĺboch a iných tkanivách, ešte viac znižuje účinnosť človeka.
Bohužiaľ, naše telá nie sú stopercentne účinné pri premene energie z jedla na mechanický výkon. Ale na druhej strane s našou asi 25% účinnosťou sme relatívne až prekvapivo dobrí, ak vezmeme do úvahy, že väčšina normálnych automobilov má účinnosť okolo 20% a že také družstevné kukuričné pole na dedine je pri premene prichádzajúceho slnečného žiarenia na chemické uskladnenie [potenciálnej energie] efektívne iba asi tak len na 1,5%.
Kalórie z potravín
Z historických dôvodov ľudia ešte často merajú tepelnú energiu v kalóriách namiesto joulov. Na jednu kalóriu pripadá 4,184 joulu. Napríklad taká chutná „kaizerka“ k raňajkám má asi 350 kilokalórií, čo je teda asi veľmi zhruba 1500 kilo-Jaulov. Tráviaci proces v našom tele v zásade spočíva v oxidácii potravy, takže spotreba energie je priamo úmerná spotrebe kyslíka. Preto môžeme určiť skutočnú energiu spotrebovanú pri rôznych činnostiach aj meraním spotreby kyslíka. Napríklad počas spánku je naša energetická spotreba 83 Wattov a spotrebujeme asi 0,24 litra kyslíka za minútu. Naopak pri veľkej záťaži, napríklad pri šprinte je naša energetická spotreba cez 2400 Wattov a spotrebujeme skoro až 7 litrov kyslíka za minútu.
A čo tak chudnutie? Ako je to s energiou tam?
Ľudské telo vykonáva svoje hlavné funkcie konzumáciou potravy a premenou na využiteľnú energiu. Okamžitá energia sa dodáva do tela vo forme adenozíntrifosfátu (ATP). Pretože ATP je primárnym zdrojom energie pre každú funkciu tela, na doplnenie ATP je využívaná uložená energia. V tele je iba malé množstvo ATP, takže je potrebné mať dostatočné zásoby energie a neustále ju doplňovať. Množstvo dennej energie, ktoré každé telo potrebuje, závisí od dennej spotreby energie a metabolických energetických nárokov, ktoré je možné odhadnúť podľa telesnej hmotnosti a úrovne aktivity. Základná spotreba energie ľudského tela je približne 4 kJ / na kilogram hmotnosti a hodinu. Sacharidy, bielkoviny a tuky získané z potravín poskytujú ATP okamžitú energiu. Ak nie je energia z potravy využitá (prostredníctvom nejakej činnosti), tak sa nám v tele ukladá do rezervy. A ak máme tie rezervy veľké – tak sme tuční. Často sa pri tejto príležitosti diskutuje o chudnutí, kedy ľudovo hovoríme o „spaľovaní“ kalórií, ale čo to však znamená z prakticko-vedeckého hľadiska? V skutočnosti pochopiteľne vôbec nič nespaľujeme.
Po prvé, v skutočnosti máme na mysli stratu hmoty, pretože to je údaj o tom, koľko toho naše telo obsahuje a naša hmotnosť samozrejme závisí aj od toho, kde sme (veď napríklad na Mesiaci je to inak).
Po druhé, v súvislosti s našim telom nemôžeme hovoriť a zamieňať hmotnosť a energiu – lebo to vôbec nie sú rovnaké fyzikálne veličiny a dokonca ani nemajú rovnaké jednotky.
Ako teda vlastne stratíme hmotu cvičením?
Tým akože „spaľovaním“ atómov a molekúl, ktoré tvoria telesné tkanivá ako tuk, v skutočnosti neschudneme!
Namiesto toho rozložíme molekuly tuku na menšie molekuly a potom v týchto molekulách prerušíme väzby, aby sme uvoľnili chemickú potenciálnu energiu, ktorú nakoniec premeníme na prácu a odvod tepla. Atómy a menšie molekuly, ktoré vznikajú prerušením väzieb, sa spoja a vytvoria oxid uhličitý a vodnú paru (CO2 a H2O) a my ich nakoniec vydýchneme. Trochu vylúčime aj ako vodu (H2O) a to hlavne v pote a moči. Je to proces podobný spaľovaniu dreva pri táboráku - nakoniec máme oveľa menšiu hmotnosť (o ten popol) oproti pôvodnému drevu.
A kam sa podel ten rozdiel váhy (pardon hmotnosti)?
Áno, predpokladáte správne - do ovzdušia ako CO2 a H2O. To isté napríklad platí aj pre palivo spálené v našom automobile. Zaujímavým (fakticky až úžasným) faktom je, že naše telo dokončí tento chemický proces bez nadmerných teplôt spojených „so spaľovaním“ ktoré by mohli ináč poškodiť naše tkanivá. Naše telo na to používa určitý trik, ktorý spočíva v použití enzýmov, ktoré sú vysoko špecializovanými molekulami, pôsobiacimi ako katalyzátory na zlepšenie rýchlosti a účinnosti chemických reakcií.
Všeobecná energetická účinnosť
Podobne ako účinnosť tela, aj účinnosť každého energetického procesu sa dá opísať ako množstvo energie prevedenej zo vstupnej formy na požadovanú formu vydelené pôvodným vstupným množstvom.
Pre informáciu (myslím že by to mohlo mnohých čitateľov zaujímať) tu uvediem aj efektívnosť rôznych systémov a aj ľudské telo pri premene energie na rôzne formy. Je to ale veľmi zjednodušené, nie sú tam zohľadnené ani náklady, ani riziko nebezpečenstva ani vplyv na životné prostredie spojené s požadovaným palivom, konštrukciou, údržbou a vedľajšími produktmi každého systému. Ale na ilustráciu účinnosti ľudského tela v porovnaní s inými systémami to úplne postačí:
Ľudské telo - forma vstupnej energie: chemický potenciál, - požadovaná očakávaná výstupná forma energie: mechanická , - maximálna efektívnosť: 25 %.
Motor v aute - forma vstupnej energie: chemický potenciál, - požadovaná očakávaná výstupná forma energie: mechanická , - maximálna efektívnosť: 25 %.
Ľudské telo - forma vstupnej energie: chemický potenciál, - požadovaná očakávaná výstupná forma energie: mechanická , - maximálna efektívnosť: 25 %.
Elektrárne s parnými turbínami spaľujúce uhlie / ropu / plyn - forma vstupnej energie: chemický potenciál, - požadovaná očakávaná výstupná forma energie: elektrická , - maximálna efektívnosť: 47 %.
Plynové elektrárne s kombinovaným cyklom - forma vstupnej energie: chemický potenciál, - požadovaná očakávaná výstupná forma energie: elektrická , - maximálna efektívnosť: 58 %.
Biomasa / bioplyn - forma vstupnej energie: kinetická, - požadovaná očakávaná výstupná forma energie: elektrická , - maximálna efektívnosť: 40 %.
Jadrové elektrárne - forma vstupnej energie: kinetická, - požadovaná očakávaná výstupná forma energie: elektrická , - maximálna efektívnosť: 36 %.
Solárna fotovoltaická elektráreň - forma vstupnej energie: Slnečné svetlo (elektromagnetické žiarenie), - požadovaná očakávaná výstupná forma energie: elektrická , - maximálna efektívnosť: 15 %.
Solárno-tepelná elektráreň - forma vstupnej energie: Slnečné svetlo (elektromagnetické žiarenie), - požadovaná očakávaná výstupná forma energie: elektrická , - maximálna efektívnosť: 23 %.
Vodné a prílivové elektrárne - forma vstupnej energie: Gravitačný potenciál, - požadovaná očakávaná výstupná forma energie: elektrická , - maximálna efektívnosť: 90 % plus...
V skutočnosti sme ale poháňaní elektrinou.
Takže ešte raz - to čo nami hýbe je vlastne elektrina produkovaná našim vlastným telom. Ale ako naše ľudské telo vyrába elektrinu - a ako ju využíva?
Elektrina je všade okolo nás, dokonca aj v ľudskom tele. Naše bunky sú už pripravené na vedenie elektrického prúdu. Elektrická energia je potrebná na to, aby náš nervový systém vysielal signály do celého tela a do mozgu, čo nám umožňuje pohyb, myslenie a cítenie.
Práve elektrina produkovaná našimi telami umožňuje to, aby sa vyskytli synapsie, prebiehali signály v našom tele a dokonca aj naše srdcové rytmy.
Poznámka: Synapsie sú neurónové spojenia, miesto prenosu elektrických nervových impulzov medzi dvoma nervovými bunkami (neurónmi) alebo medzi neurónom a žľazou alebo svalovou bunkou (efektor). Synaptické spojenie medzi neurónom a svalovou bunkou sa nazýva neuromuskulárny spoj.
Bez elektriny by ste práve teraz ani nečítali tento článok. A to nie je preto, že by váš počítač nefungoval. Bolo by to preto, že by nepracoval váš mozog.
Všetko, čo robíme, je riadené a umožňované elektrickými signálmi prebiehajúcimi cez naše telá.
Ako vieme z chémie, potom z fyziky a potom z jadrovej fyziky, všetko je tvorené atómami a atómy sú tvorené protónmi, neutrónmi a elektrónmi.
Protóny majú kladný náboj, neutróny neutrálny náboj a elektróny negatívny náboj. Ak tieto náboje nie sú v rovnováhe, atóm sa stane kladne alebo záporne nabitým. Prepínanie medzi jedným typom náboja a druhým umožňuje elektrónom prúdiť z jedného atómu na druhý. Tento tok elektrónov alebo negatívny náboj je to, čo vlastne zjednodušene nazývame elektrinou.
A pretože naše telá sú obrovské masy atómov, môžeme vyrábať elektrinu.
Teda „do určitej miery“ je tá predstava z Matrixu ako baterky aj vlastne správna. Ale je to tak?
Pokračovanie bude v ďalšom článku. Môžete si ho prečítať tu:
https://nanias.blog.sme.sk/c/561358/jadrova-energia-je-ludske-telo-baterka-z-matrixu-2.html
