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Warum können Maschinen gespeicherte Energie nicht ähnlich wie die Energiespeicher biologischer Systeme nutzen?

Warum können Maschinen gespeicherte Energie nicht ähnlich wie die Energiespeicher biologischer Systeme nutzen?


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Wegen der Allgemeinheit der Frage bin ich nur an Schlüsselproblemen interessiert, damit ich weiterlesen kann.

Soweit ich weiß, sind künstliche Energiespeicher deutlich weniger effizient als biologische. Ich möchte mich auf schnell verfügbare Energie für kleine Systeme (menschlicher Maßstab oder kleiner) konzentrieren - schließlich können wir sagen, dass Kohlevorräte ein ziemlich schönes Energiereservoir sind.

Zum Beispiel eine Roboterbiene:

https://www.youtube.com/watch?v=lJCMIsLuGpg

Was können wir hier sehen? Ein Draht - und ich denke, wir können mit der aktuellen Technologie aufgrund der Ineffizienz unseres Energiespeichers nicht erwarten, eine langlebige, unabhängige Roboterbiene zu haben.

Wie speichern biologische Systeme dann die Energie? https://en.wikiversity.org/wiki/Energy_Storage_in_Biological_Systems

Lebende Organismen verwenden zwei Hauptarten der Energiespeicherung. Energiereiche Moleküle wie Glykogen und Triglyceride speichern Energie in Form kovalenter chemischer Bindungen. Zellen synthetisieren solche Moleküle und speichern sie für die spätere Freisetzung der Energie. Die zweite Hauptform der biologischen Energiespeicherung ist elektrochemisch und nimmt die Form von Gradienten geladener Ionen über Zellmembranen an. Dieses Lernprojekt ermöglicht es den Teilnehmern, einige der Details von Energiespeichermolekülen und biologischen Energiespeichern zu erkunden, die Ionengradienten über Zellmembranen hinweg beinhalten.

Um genauer zu sein, lassen Sie mich ein Beispiel geben: Warum können wir keine Maschine haben, die eine Zufuhr von Kohlenhydraten hat, einen Konverter, der Glukose und dann ATP umwandelt, die schließlich abbauen und die benötigte Energie freisetzen?

Warum ist es nicht lebensfähig? Fehlt uns dafür die Technik? Welcher Schritt ist problematisch? Sind wir weit davon entfernt, biologische Speicher zu haben?


Die Aktivierungsenergie zum Aufbrechen dieser kovalenten Bindungen ist hoch. Biologische Systeme verwenden Phosphorylasen, um ATP an Glykogen zu koppeln, sodass die hochenergetischen Phosphatbindungen dann einen Teil ihrer Energie liefern, um die kovalenten glykosidischen Bindungen im Glykogen zu brechen

Also Problem 1, hohe Aktivierungsenergie.

Zweitens, wie wollen Sie die Energie in der Maschine speichern? Herkömmliche elektrochemische Zellen verwenden so etwas wie das, was über das Membranpotential geschrieben wurde. Ihre Energie ist in Form eines elektrischen Potentials zugänglich. Wenn Sie Energie aufwenden, um Speichermoleküle in Glukose aufzuspalten, können Sie mit der Glukose nicht viel tun, außer sie zu verbrennen. Es zu verbrennen ist extrem ineffizient und verursacht einen großen Energieverlust durch verschwendete Wärme. Der andere Weg wäre zu oxidieren es. Sie benötigen etwas, um die Elektronen aufzunehmen (NADH und FADH in biologischen Systemen), etwas, um die hohe Aktivierungsenergie der Oxidation der Bindungen in jeder Phase zu überwinden (mehr ATP-Kopplung), etwas, um die hochenergetischen Elektronen aus Glukose zu nutzen (Elektron Transportkette/Chemiemose). Alles in allem ist es zu kompliziert, um repliziert zu werden effizient.

Problem 2, es sind viele komplizierte Schritte erforderlich.

Aus diesem Grund gibt es nur einfachere Versionen der oben genannten. Power to Gas zeigt uns die Aufspaltung von H2O in H2 und O2. Dies entspricht nur einer Stufe des Bindungsbruchs bei der Atmung und ist einfach (durch Elektrolyse) durchzuführen. H2O spendet und ein anderes H2O nimmt das Elektron auf. Anstelle der ATP-Kopplung von Enzymen wird Energie als elektrisches Potential im Kreislauf zugeführt.

Das letzte Problem ist, dass es wirklich nicht notwendig ist, Energie in anderen Formen als einem bereits vorhandenen Energiespeichermolekül zu speichern. Der größte Teil unserer Energiespeicherung liegt in Form von Kohlenstoffverbindungen und Elektrizität vor. Kohlenstoffverbindungen haben eine hohe Energiedichte und Elektrizität ist leicht zu manipulieren. Es ist vielleicht trivial für die Welt, zu versuchen, Haushaltszucker (Glukose) zu Stärke zu kondensieren. Es ist nicht effizient genug, um wirkungsvoll zu sein. Biologische Systeme müssen dies tun, da die Speicherung in einem mit dem Zellkörper vergleichbaren Maßstab erfolgt und einen direkten Bezug zum Überleben hat. Hoher Blutzucker bei Tieren kann zu Hyperglykämie führen, Triosephosphat (Produkt der Atmung) wird zur Lipidbildung und wiederum zum Aufbau von Zellmembranen verwendet, Glucosemoleküle werden als Monomere bei der Herstellung von Cellulose, auch Zellwand in Pflanzen genannt, verwendet (a haufenweise andere Stoffwechselwege existieren) usw.

Dieser Link zeigt uns die verschiedenen Möglichkeiten der Energiespeicherung in unserer Welt. Wir sind nicht durch biologische Beschränkungen eingeschränkt, daher ist sogar das Komprimieren von H2 in eine Flüssigkeit effizienter als die Umwandlung in andere Formen chemischer Energie, wenn Sie nur um der reinen "Speicherung" willen sprechen.

Ich empfehle dringend, sich über die Photosynthese zu informieren, um zu sehen, wie biologische Systeme Sonnenenergie nutzen und diese in kovalenten Bindungen zwischen CO2-Molekülen speichern. Genauer gesagt können Sie Krebs-Zyklus nachschlagen.


Wie die künstliche Photosynthese funktioniert

Wenn die intelligenteste Energiequelle reichlich, billig und sauber ist, dann sind Pflanzen viel klüger als der Mensch. Über Milliarden von Jahren haben sie die vielleicht effizienteste Stromversorgung der Welt entwickelt: Photosynthese, oder die Umwandlung von Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser in nutzbaren Brennstoff, wobei nützlicher Sauerstoff freigesetzt wird.

Im Fall von Pflanzen (sowie Algen und einigen Bakterien) sind Kohlenhydrate, Proteine ​​und Fette "verwendbarer Brennstoff". Die Menschen hingegen suchen nach flüssigem Kraftstoff, um Autos anzutreiben, und nach Strom, um Kühlschränke zu betreiben. Aber das bedeutet nicht, dass wir nicht auf Photosynthese zurückgreifen können, um unsere schmutzigen, teuren, schwindenden Energieprobleme zu lösen. Seit Jahren versuchen Wissenschaftler, das gleiche Energiesystem wie Pflanzen zu nutzen, jedoch mit veränderter Endleistung.

Mit nichts als Sonnenlicht als Energiequelle führen Pflanzen massive Energieumwandlungen durch und wandeln 1.102 Milliarden Tonnen (1.000 Milliarden Tonnen) CO . um2 in organisches Material, d. h. Energie für Tiere in Form von Nahrung, jedes Jahr [Quelle: Hunter]. Und das verbraucht nur 3 Prozent des Sonnenlichts, das die Erde erreicht [Quelle: Boyd].

Die im Sonnenlicht verfügbare Energie ist eine unerschlossene Ressource, die wir erst am Anfang wirklich in den Griff bekommen. Die aktuelle Photovoltaik-Zelltechnologie, normalerweise ein halbleiterbasiertes System, ist teuer, nicht besonders effizient und wandelt sich nur sofort von Sonnenlicht in Strom um – die Energieabgabe wird nicht für einen regnerischen Tag gespeichert (obwohl sich das ändern könnte: Siehe "Gibt es eine Möglichkeit, nachts Sonnenenergie zu bekommen?"). Aber ein künstliches Photosynthesesystem oder eine photoelektrochemische Zelle, die nachahmt, was in Pflanzen passiert, könnte potenziell eine endlose, relativ kostengünstige Versorgung mit all dem sauberen "Gas" und Strom erzeugen, den wir für unser Leben brauchen – und das auch in speicherbarer Form.

In diesem Artikel werden wir uns die künstliche Photosynthese ansehen und sehen, wie weit sie gekommen ist. Wir erfahren, was das System leisten muss, sehen uns einige aktuelle Methoden zur künstlichen Photosynthese an und sehen, warum es nicht so einfach zu entwerfen ist wie einige andere Energieumwandlungssysteme.

Was muss also ein künstliches Photosynthesesystem können?

Künstliche Photosynthese-Ansätze

Um die von Pflanzen perfektionierte Photosynthese wiederherzustellen, muss ein Energieumwandlungssystem in der Lage sein, zwei entscheidende Dinge zu tun (wahrscheinlich innerhalb einer Art von Nanoröhre, die als strukturelles "Blatt" fungiert): Sonnenlicht zu ernten und Wassermoleküle zu spalten.

Pflanzen erfüllen diese Aufgaben mit Chlorophyll, das Sonnenlicht einfängt, und einer Sammlung von Proteinen und Enzymen, die dieses Sonnenlicht verwenden, um H . abzubauen2O-Moleküle in Wasserstoff, Elektronen und Sauerstoff (Protonen). Die Elektronen und der Wasserstoff werden dann verwendet, um CO . umzuwandeln2 in Kohlenhydrate umgewandelt, und der Sauerstoff wird ausgestoßen.

Damit ein künstliches System für menschliche Bedürfnisse funktionieren kann, muss sich der Output ändern. Anstatt am Ende der Reaktion nur Sauerstoff freizusetzen, müsste es auch flüssigen Wasserstoff (oder vielleicht Methanol) freisetzen. Dieser Wasserstoff könnte direkt als flüssiger Brennstoff verwendet oder in eine Brennstoffzelle geleitet werden. Der Prozess zur Herstellung von Wasserstoff ist kein Problem, da er bereits in den Wassermolekülen vorhanden ist. Und das Einfangen von Sonnenlicht ist kein Problem – aktuelle Solaranlagen tun dies.

Der schwierige Teil besteht darin, die Wassermoleküle aufzuspalten, um die Elektronen zu erhalten, die für den chemischen Prozess zur Herstellung des Wasserstoffs erforderlich sind. Das Spalten von Wasser erfordert einen Energieeintrag von etwa 2,5 Volt [Quelle: Hunter]. Das bedeutet, dass der Prozess einen Katalysator erfordert – etwas, um das Ganze in Gang zu bringen. Der Katalysator reagiert mit den Photonen der Sonne, um eine chemische Reaktion auszulösen.

In diesem Bereich wurden in den letzten fünf oder zehn Jahren wichtige Fortschritte erzielt. Einige der erfolgreicheren Katalysatoren sind:

  • Mangan: Mangan ist der Katalysator im photosynthetischen Kern von Pflanzen. Ein einzelnes Manganatom löst den natürlichen Prozess aus, der Sonnenlicht nutzt, um Wasser zu spalten. Mangan in einem künstlichen System zu verwenden ist a biomimetrischer Ansatz -- es ahmt direkt die in Pflanzen gefundene Biologie nach.
  • Farbstoffsensibilisiertes Titandioxid: Titandioxid (TiO2) ist ein stabiles Metall, das als effizienter Katalysator wirken kann. Es wird in einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle, auch als Grätzel-Zelle bekannt, verwendet, die es seit den 1990er Jahren gibt. In einer Grätzelzelle wird das TiO2 ist in einer Schicht aus Farbstoffpartikeln suspendiert, die das Sonnenlicht einfangen und dann dem TiO . aussetzen2 um die Reaktion zu starten.
  • Kobaltoxid: Einer der kürzlich entdeckten Katalysatoren, Cluster von Kobaltoxidmolekülen (CoO) in Nanogröße, haben sich als stabile und hocheffiziente Auslöser in einem künstlichen Photosynthesesystem erwiesen. Kobaltoxid ist auch ein sehr häufiges Molekül – es ist derzeit ein beliebter industrieller Katalysator.

Einmal perfektioniert, könnten diese Systeme die Art und Weise verändern, wie wir unsere Welt mit Energie versorgen.

Anwendungen der künstlichen Photosynthese

Fossile Brennstoffe sind knapp und tragen zur Umweltverschmutzung und zur globalen Erwärmung bei. Kohle ist zwar reichlich vorhanden, aber sowohl für den menschlichen Körper als auch für die Umwelt stark verschmutzend. Windturbinen schaden malerischen Landschaften, Mais benötigt riesige Ackerflächen und die aktuelle Solarzellentechnologie ist teuer und ineffizient. Künstliche Photosynthese könnte einen neuen, möglicherweise idealen Ausweg aus unserer energetischen Notlage bieten.

Zum einen hat es Vorteile gegenüber Photovoltaikzellen, die in heutigen Solarmodulen zu finden sind. Die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Strom in Photovoltaikzellen macht Solarstrom zu einer wetter- und zeitabhängigen Energie, die ihren Nutzen verringert und ihren Preis erhöht. Künstliche Photosynthese hingegen könnte einen speicherbaren Brennstoff erzeugen.

Und im Gegensatz zu den meisten Methoden zur Erzeugung alternativer Energie hat die künstliche Photosynthese das Potenzial, mehr als eine Art von Kraftstoff zu produzieren. Der Photosyntheseprozess könnte so optimiert werden, dass die Reaktionen zwischen Licht, CO2 und H2O schließlich flüssigen Wasserstoff produzieren. Flüssiger Wasserstoff kann wie Benzin in wasserstoffbetriebenen Motoren verwendet werden. Es könnte auch in ein Brennstoffzellen-Setup geleitet werden, das den Photosyntheseprozess effektiv umkehren und Elektrizität erzeugen würde, indem Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser kombiniert werden. Wasserstoff-Brennstoffzellen können Strom wie das, was wir aus dem Netz beziehen, erzeugen, also würden wir damit unsere Klimaanlagen und Warmwasserbereiter betreiben.

Ein aktuelles Problem bei der großtechnischen Wasserstoffenergie ist die Frage, wie man flüssigen Wasserstoff effizient – ​​und sauber – erzeugen kann. Künstliche Photosynthese könnte eine Lösung sein.

Methanol ist ein weiterer möglicher Ausgang. Anstatt bei der Photosynthese reinen Wasserstoff zu emittieren, könnte die photoelektrochemische Zelle Methanolbrennstoff (CH3OH). Methanol oder Methylalkohol wird normalerweise aus dem Methan in Erdgas gewonnen und wird häufig handelsüblichem Benzin zugesetzt, um es sauberer zu verbrennen. Manche Autos können sogar allein mit Methanol fahren.

Die Fähigkeit, einen sauberen Kraftstoff herzustellen, ohne schädliche Nebenprodukte wie Treibhausgase zu erzeugen, macht die künstliche Photosynthese zu einer idealen Energiequelle für die Umwelt. Es würde keinen Bergbau, Anbau oder Bohren erfordern. Und da weder Wasser noch Kohlendioxid derzeit knapp sind, könnte es auch eine grenzenlose Quelle sein, möglicherweise auf lange Sicht günstiger als andere Energieformen. Tatsächlich könnte diese Art der photoelektrochemischen Reaktion sogar große Mengen an schädlichem CO . entfernen2 aus der Luft bei der Kraftstoffherstellung. Es ist eine Win-Win-Situation.

Aber wir sind noch nicht da. Dem massenhaften Einsatz der künstlichen Photosynthese stehen mehrere Hindernisse entgegen.


Ökologisierung Ihres digitalen Lebens

Gaming-Computer verbrauchen sechsmal so viel Energie wie normale Computer. Aber wenn Gaming Ihr Lieblingshobby ist, fühlen Sie sich nicht schuldig. Sie können lernen, wie Sie Ihr Lieblingsspielgerät effizienter nutzen können.

gorodenkoff/iStock/Getty Images Plus

Teile das:

In der achten Klasse schnappte sich Nathaniel Mills ein paar Werkzeuge und setzte sich in sein Schlafzimmer. Ein Computer lag offen vor ihm, gefüllt mit Komponenten, die er selbst installiert hatte. Es war an der Zeit, einen weiteren Teil hinzuzufügen. „Einen Computer zu bauen ist im Wesentlichen LEGO für Erwachsene“, sagt er.

Das war im Jahr 2014. Damals wollte er einen leistungsstarken Computer, mit dem er Videospiele wie Skyrim spielen konnte. Also rüstete er seinen alten auf.

Als Teenager baute Nathaniel Mills einen energieeffizienten Gaming-Computer. Er sagt, dass die meisten Leute nicht wirklich die teuersten und leistungsstärksten Teile brauchen. Sie können ein großartiges Spielerlebnis haben und weniger Energie verbrauchen. N. Mills

Im Gegensatz zu den meisten Spielern dachte er jedoch nicht nur an schnelles Gameplay und Bilder und Ton in Filmqualität. Er dachte auch an Energie. Er fragte sich, ob er einen großartigen Gaming-Computer bauen konnte, der auch weniger Strom verbrauchte als üblich?

Die Antwort war ja. Damals verbrauchte ein typischer Gaming-Computer etwa so viel Energie wie drei Kühlschränke. Als Nathaniel fertig war, verbrauchte er kaum mehr als ein Drittel davon. Aber es war trotzdem schnell und es machte Spaß, darauf zu spielen.

Selbst wenn Sie kein Spieler sind, verbringen Sie wahrscheinlich jeden Tag Stunden damit, SMS zu schreiben, Videos anzusehen, zu zoomen und mehr. Es braucht Strom, um die Akkus in Ihren Geräten aufzuladen. Aber das ist nicht die einzige Energie, die involviert ist. Die Netzwerke, die Signale zu und von Ihren Geräten übertragen, verbrauchen Strom. Ebenso die entfernten Rechenzentren, in denen die meisten der von Ihnen verwendeten Inhalte und Apps gespeichert und verarbeitet werden. Und es braucht Strom, um die Geräte selbst herzustellen.

Erklärer: CO2 und andere Treibhausgase

In den meisten Ländern stammt der Strom hauptsächlich aus Kraftwerken, die fossile Brennstoffe wie Kohle oder Erdgas verbrennen. Diese Verbrennung erzeugt schädliche Emissionen, die den Klimawandel verschlimmern. Je mehr Geräte Sie besitzen und je mehr Sie diese nutzen und sich mit dem Internet oder der Cloud verbinden, desto mehr Emissionen werden produziert und desto größer werden Ihre Auswirkungen auf das Klima sein.

Doch wie viel Wirkung hat ein Fortnite- oder TikTok-Abend eigentlich? Es ist kompliziert. Einige digitale Aktivitäten oder Verbindungswege verbrauchen mehr Energie als andere. Wie Nathaniel können Sie Entscheidungen treffen, die Ihren Energieverbrauch reduzieren – und trotzdem Spaß haben. Lassen Sie uns herausfinden, wie.

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Grünes Spielen

Das Ausführen eines Videospiels, insbesondere eines mit realistischer Grafik, ist das energieintensivste, was ein PC tun kann, bemerkt Ana Cardoso. Sie ist Forscherin am Kopenhagener Zentrum für Energieeffizienz in Dänemark. Ein Gaming-Computer verbraucht jedes Jahr etwa sechsmal so viel Energie wie ein normaler Computer.

Wenn Sie ein realistisches Videospiel spielen, erstellt der Grafikprozessor (GPU) des Computers ständig eine ganze virtuelle Welt. Es muss alle Formen, Texturen, Licht und Schatten rendern oder zeichnen. Und damit das Spiel nicht verzögert, muss es all dies in Echtzeit tun. Eine PS5 kann 10 Billionen Berechnungen pro Sekunde oder 10 Teraflops durchführen. Eine Xbox Series X erreicht 12 Teraflops. Und ein Grafikprozessor für einen High-End-Gaming-PC? Das kann 100 Teraflops überschreiten. In der Zwischenzeit muss auch die zentrale Verarbeitungseinheit oder CPU viel Arbeit leisten, um das Spiel auszuführen. Es muss die Physik der Welt berechnen, damit die Dinge realistisch interagieren.

Solch eine leistungsstarke Verarbeitung benötigt in der Regel viel Energie. Wenn die Prozessoren Ihres Computers besonders hart arbeiten, kann sich das Gerät warm oder sogar heiß anfühlen, sagt Cardoso. Sie können buchstäblich spüren, wie der Computer viel Energie zieht.

Erklärer: Globale Erwärmung und Treibhauseffekt

Videospiele in den Vereinigten Staaten verbrauchen jedes Jahr Strom im Wert von rund 6 Milliarden US-Dollar. Dieser Energieverbrauch beeinflusst das Klima so stark wie 2,3 Millionen zusätzliche Autos, die ein Jahr lang herumfahren. In Kalifornien, wo Nathaniels Familie lebt, verbrauchen Spiele mehr Strom als alle Spülmaschinen des Staates.

Woher kamen diese Zahlen? Angefangen hat alles mit Nathaniels Projekt. Sein Vater Evan Mills studiert Energieeffizienz am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in Kalifornien. Heute ist Nathaniel Student am Reed College in Portland, Oregon. Das Vater-Sohn-Paar hat sich zusammengetan, um diesen ersten Gaming-Computer so energieeffizient wie möglich zu machen.

Sie begannen mit einem normalen Gaming-Computer. Dann ersetzte Nathaniel nach und nach seine Teile durch neue, energieeffizientere. Nach jeder Auswechslung führte das Paar Tests durch. Sie haben gemessen, wie viel Strom der Computer verbraucht, während er dieselbe Reise durch eine virtuelle Szene rendert. Mit jedem neuen Teil sank der Energieverbrauch des Computers. Aber sah die Szene anders aus? „Definitiv nicht“, sagt Nathaniel. Die visuelle Qualität hat sich nie geändert.

Nathaniel Mills hat in seinem Computer effizientere Teile eingebaut, darunter ein Netzteil (PSU), eine Grafikeinheit (GPU) und eine Zentraleinheit (CPU). Mit jedem neuen Teil sank der Energieverbrauch des Geräts beim Spielen, Streamen, Leerlauf und Schlafen. Evan Mills

Dieser aktualisierte Computer hatte weniger Auswirkungen auf die Umwelt. Es kostete auch viel weniger zu laufen. Und es lief kühler und leiser. Die Mills veröffentlichten ihre Ergebnisse im Jahr 2016. Diese kleine Studie führte zu einer viel größeren.

In den nächsten Jahren, als Nathaniel die High School beendete, half er seinem Vater und den Kollegen seines Vaters bei LBNL beim Aufbau eines „Green Gaming Lab“. Es hat den Energieverbrauch von 26 verschiedenen Spielsystemen gemessen, darunter PCs, Konsolen und sogar Virtual-Reality-Geräte. Das Team testete 37 verschiedene Spiele auf diesen Systemen, darunter FIFA17 und Skyrim. Sie zeigten, dass Gaming einen erheblichen Einfluss auf die Umwelt hat. Der Energieverbrauch war sehr unterschiedlich. Aber im Allgemeinen verbrauchen High-End-Desktop-Gaming-Computer mehr Energie als die meisten Laptops. Und Spielekonsolen verbrauchen in der Regel weniger als beide.

Bei einem Rundgang durch das Green Gaming Lab des Lawrence Berkeley National Laboratory schauen die beiden Schwestern von Nathaniel Mills und einige Freunde zu, wie Mitarbeiter Jimmy Mai eines der Spielsysteme testet. Evan Mills

Sie müssen keinen eigenen Computer bauen, um beim Spielen Energie zu sparen. Sie können die Einstellungen auf jedem Computer oder jeder Konsole anpassen, um das System effizienter zu machen. Nathaniel schlägt vor, das Anti-Aliasing auszuschalten. Es ist eine Einstellung, die Bilder glättet. Sie werden selten einen Unterschied bemerken, aber der Computer wird es sicherlich.

Das Herunterladen oder Aktualisieren von Spielen verwendet Ressourcen im Netzwerk und in den Rechenzentren. Viele Spiele und Apps auf Ihrem System aktualisieren sich regelmäßig von selbst. Cardoso schlägt vor, alte Spiele und Apps zu löschen, um das Herunterladen von Updates für Spiele zu vermeiden, die Sie nicht spielen werden. Sie sollten Ihr System auch in den Ruhezustand versetzen oder ausschalten, wenn Sie aufhören zu spielen – selbst wenn Sie nur 10 Minuten weggehen, um einen Snack zu sich zu nehmen. Ein Spiel im Menü oder auf dem Speicherbildschirm zu belassen, verbraucht in der Regel genauso viel Energie wie beim Spielen, sagt Nathaniel. Eine von ihm erstellte Website, GreeningtheBeast.org, bietet viele weitere Tipps, wie Sie Energie sparen und trotzdem Spaß beim Spielen haben.

Die unsichtbare Wolke

Ein weiteres Energieproblem ist die Verbindung zum Internet. Angenommen, Sie sehen sich den neuesten Avengers-Film an. Sie können es auf einem Fernseher ansehen, der über ein Kabel direkt mit dem Internet verbunden ist. Oder Sie können es auf Ihren WLAN-Laptop oder Ihr Mobiltelefon streamen. „Das erhöht die Leistung, die zum Anschauen benötigt wird“, sagt Kerry Hinton. Der inzwischen pensionierte Ingenieur arbeitete früher an der University of Melbourne in Victoria, Australien. Dort studierte er den Energieverbrauch von Telekommunikationssystemen.

5G verspricht neue Energieeinsparungen für digitale Technologien

Der Akku eines Laptops oder Telefons verbraucht viel weniger Strom als ein Fernseher. Warum verbrauchen sie so viel Energie? Der Unterschied liegt in der Art und Weise, wie der Film zu Ihnen kommt. Es kostet viel Energie, Daten über ein Wi-Fi-Netzwerk zu senden. „Das ist der Killer“, sagt Hinton.

Wi-Fi-Hotspots und Mobilfunkmasten „strahlen einfach Energie aus“. Sie funktionieren auf diese Weise, damit wir uns jederzeit verbinden können. Unabhängig davon, ob eine oder hundert Personen die Verbindung nutzen, benötigt die Aufrechterhaltung des Netzwerks die gleiche Energie. Mit Wi-Fi schlägt Hinton vor, "teilen Sie, wann immer Sie können". Öffentliches WLAN ist energieeffizienter als ein privates Netzwerk. (Beachten Sie jedoch, dass öffentliches WLAN nicht sicher ist. Geben Sie also keine privaten Informationen im öffentlichen WLAN weiter.)

Ein Rechenzentrum ist ein Gebäude, das mit Stapeln von Computern gefüllt ist. Das Gebäude verbraucht enorm viel Strom, um die Computer zu betreiben und zu kühlen. gorodenkoff/iStock/Getty Images Plus

Telefone, Tablets, Smartwatches und viele Laptops verwenden nur Wi-Fi, Bluetooth oder mobile Netzwerke, um sich zu verbinden. Und sie verbinden sich ständig, auf eine Weise, die wir vielleicht nicht einmal bemerken. Viele Apps und Spiele setzen auf Cloud Computing. Dies bedeutet, dass die Computerverarbeitung, die zum Ausführen der App oder des Spiels erforderlich ist, in entfernten Rechenzentren stattfindet. Auch die Daten der App leben in Rechenzentren. Rechenzentren sind Gebäude, die mit leistungsstarken Computern und Geräten gefüllt sind, um diese Computer kühl zu halten.

Das Team von Green Gaming Lab hat herausgefunden, dass Cloud-basierte Spiele mehr Energie verbrauchen als Spiele, die auf einem Heimsystem ausgeführt werden. Selbst grundlegende Computeraufgaben, wie das Tippen eines Dokuments, erfordern mehr Energie, wenn Sie in der Cloud arbeiten. In einer Studie aus dem Jahr 2015 hat sein Team dies quantifiziert. Das Online-Arbeiten verbraucht ein bis 10 Watt mehr Energie als das Offline-Arbeiten. Wieso den? Wenn er online arbeitete, kommunizierte sein Gerät ständig mit dem Rechenzentrum.

Erklärer: Daten — warten darauf, Informationen zu werden

Jede einzelne Taste, die er tippte, löste eine Überweisung aus. Das geschieht, um sicherzustellen, dass Ihre Arbeit gespeichert wird, erklärt Hinton. Stellen Sie sich vor, Sie arbeiten an einem Laborbericht für die Schule. „Selbst wenn Ihr Laptop explodiert“, sagt er, „verlieren Sie nichts von dem, was Sie getan haben.“ Das ist toll für dich. Aber nicht so gut für das Klima. All diese Transfers verbrauchen viel Strom.

„Fast alle Daten werden in mehreren Kopien gespeichert“, fügt er hinzu. Wenn also einem Rechenzentrum etwas zustößt, kann ein anderes übernehmen. Wenn Sie ein Foto auf Facebook hochladen, speichert das Unternehmen vier Kopien. Und jeden Tag laden Nutzer dort 350 Millionen neue Fotos hoch! Wenn Fotos neu sind und die Leute sie am ehesten betrachten, werden sie in Rechenzentren auf Discs gespeichert, die sich den ganzen Tag, jeden Tag, drehen. Das verbraucht ständig Energie. Wenn die Fotos altern, werden sie in einen Speicher verschoben, der nicht sofort verfügbar ist, sodass weniger Energie verbraucht wird. Aber sobald jemand wieder ein altes Foto haben möchte, geht es wieder auf eine sich drehende Scheibe. Videos nehmen noch mehr Platz ein als Fotos, sodass weniger davon auf eine sich drehende Disc passen. „Bitte füge nichts zur Population von Katzenvideos hinzu“, sagt Hinton.

Die Zukunft braucht Energie

Die Landwirtschaft mit Drohnen ist ein Beispiel für das Internet der Dinge oder IoT. Drohnen, Roboterassistenten, Smartwatches, Sensoren, die die Luft überwachen und andere vernetzte Geräte werden unsere Welt intelligenter machen und „das Leben für alle viel einfacher machen“, sagt Hinton. Er stellt jedoch fest, dass „‚Smart‘ nicht kostenlos ist“, wie er eine Forschungsarbeit aus dem Jahr 2019 betitelte. Es kostet Energie, das Internet der Dinge zu betreiben.

In diesem Papier hat Hintons Team geschätzt, wie viel Energie ein Smart Home benötigt, um alle seine Systeme zu betreiben. Dazu können intelligente Schlösser, intelligente Lichtschalter, intelligente Geräte, Überwachungskameras und ein zentraler Hub für die Verwaltung von allem gehören. Ein typisches Smart Home würde jedes Jahr rund 30 Prozent mehr Energie verbrauchen als ein normales Zuhause.

In einem Smart Home können Sie Licht, Heizung, Kühlung, Schlösser, Geräte und mehr von einem einzigen Gerät aus steuern. Auch Smart Home-Systeme können sich bei Bedarf selbst ein- und ausschalten. AndreyPopov/iStock/Getty Images Plus

Das mag überraschend erscheinen, da ein Vorteil eines Smart Home darin besteht, dass es automatisch Dinge wie Heizung und Beleuchtung ausschaltet, wenn Sie sie nicht verwenden. Das soll Energie sparen. Um jedoch auf Ihre Befehle reagieren zu können, müssen intelligente Systeme aktiv sein und zuhören. Dies erfordert, dass eine Wi-Fi- oder Bluetooth-Verbindung die ganze Zeit eingeschaltet bleibt. Und dies wird "nur Kraft kauen", bemerkt Hinton.

Ingenieure könnten diese Systeme so konstruieren, dass sie in den Schlafmodus wechseln. Und ungeduldige Menschen möchten vielleicht keine kurze Verzögerung in Kauf nehmen, um sie aufzuwecken. Zum Glück wechseln die Menschen nicht so schnell zu Smart Homes, wie Hinton und andere Experten dachten. Es bleibt also noch Zeit, IoT-Geräte so zu entwickeln, dass sie Energie effizienter nutzen.

Tatsache ist jedoch, dass die Menschheit einen unersättlichen Appetit auf Technologie und Daten hat. Der Datenverbrauch steigt exponentiell an. Das treibt auch den Energieverbrauch in die Höhe. Ingenieure haben Wege gefunden, Computer, Datenspeicherung und -übertragung effizienter zu gestalten. Aber sie können das Tempo nicht ewig halten. „Uns gehen die neuen Ideen aus“, sagt Hinton. Einen Weg zu finden, unsere Technologie mit sauberer Energie anzutreiben, hält er für „die nächste große Herausforderung“.

Und daran müssen nicht nur Ingenieure denken. Die Art und Weise, wie Menschen ihre Technologie nutzen, ist wirklich wichtig. Zum Beispiel verursacht der Bau eines iPhone 12 eine Menge Emissionen – mehr, als Sie auf diesem Telefon SMS schreiben oder unter uns spielen. Denken Sie also zweimal darüber nach, bevor Sie zu einem neuen Telefon wechseln, wenn Ihr altes noch funktioniert. Generell sollte man seine Geräte „so lange wie möglich“ nutzen, sagt Hischier.

Und wenn Sie Ihren Fernseher, Ihr Spielsystem oder Ihren Computer nicht verwenden, schalten Sie ihn aus. „So einfach ist das“, sagt Hischier. Wenn Sie sich ohne Grund YouTube ansehen oder gedankenlos durch TikTok scrollen, denken Sie an die Energie, die Sie verbrauchen. Stattdessen könnten Sie ein Buch lesen oder nach draußen gehen.

Nathaniel spielt nicht mehr auf einem Computer. „Das einzige Spiel, das ich jetzt spiele, ist Schach“, sagt er. Und er spielt auf einem physischen Schachbrett. Das verbraucht null Strom. Sprechen Sie über ein grünes Spiel!

Machtwörter

Kantenglättung: Ein Begriff für Bemühungen, Kurven oder diagonale Linien von grafischen Bildern zu glätten, die auf einem Computerbildschirm angezeigt werden. Die Pixel zur Anzeige von Farben sind quadratische Kästchen. Wenn zwei relativ große Bereiche in unterschiedlichen Farben dargestellt werden, kann sich der Grenzbereich zwischen ihnen in eine Reihe von gezackten Punkten verwandeln. Um dies zu vermeiden, können Computer die Schattierung der Pixel im Grenzbereich so ändern, dass der gezackte Bereich im Hintergrund zu verschwinden scheint.

App: Abkürzung für Anwendung oder ein Computerprogramm, das für eine bestimmte Aufgabe entwickelt wurde.

Bluetooth: Eine drahtlose Technologie, die Daten über kurze Distanzen überträgt – normalerweise etwa 1 Meter (3,3 Fuß).

Klima: Die Wetterbedingungen, die normalerweise in einem Gebiet im Allgemeinen oder über einen langen Zeitraum herrschen.

Klimawandel: Langfristige, signifikante Veränderung des Erdklimas. Dies kann auf natürliche Weise geschehen oder als Reaktion auf menschliche Aktivitäten, einschließlich der Verbrennung fossiler Brennstoffe und der Rodung von Wäldern.

Cloud Computing: Computerdienste, die Daten speichern und auf Programme auf Computern zugreifen, die als Server bezeichnet werden, die mit dem Internet verbunden sind. Auf diese Weise können Computer, auch potenziell entfernte, Dateien speichern und Arbeiten ausführen. Sie werden zur „Wolke“. Und ihre Verwendung gibt Speicherplatz auf dem lokalen Computer frei, auf dem jemand arbeitet. Auf Dateien und Programme in der Cloud kann sofort von überall zugegriffen werden. Diese Dateien und Programme können auch mit vielen Personen gleichzeitig geteilt werden.

Kollege: Jemand, der mit einem anderen, einem Kollegen oder Teammitglied zusammenarbeitet.

Verbrennung: (adj. brennbar ) Der Prozess des Brennens.

Komponente: Etwas, das Teil von etwas anderem ist (z. B. Teile, die auf eine elektronische Platine kommen, oder Zutaten, die in ein Keksrezept einfließen).

Daten: Fakten und/oder Statistiken, die zu Analysezwecken zusammengetragen, aber nicht unbedingt so geordnet sind, dass sie einen Sinn ergeben. Für digitale Informationen (die von Computern gespeicherte Art) sind diese Daten typischerweise Zahlen, die in einem Binärcode gespeichert sind und als Folgen von Nullen und Einsen dargestellt werden.

Digital: (in Informatik und Ingenieurwesen) Ein Adjektiv, das angibt, dass etwas auf einem Computer oder einem anderen elektronischen Gerät numerisch entwickelt wurde, basierend auf einem Binärsystem (wo alle Zahlen nur mit einer Reihe von Nullen und Einsen angezeigt werden).

Drohne: Ein ferngesteuertes, pilotloses Flugzeug oder eine Rakete.

Elektrizität: Ein Ladungsfluss, normalerweise aus der Bewegung negativ geladener Teilchen, genannt Elektronen.

Techniker: Eine Person, die Wissenschaft nutzt, um Probleme zu lösen. Engineering bedeutet als Verb, ein Gerät, ein Material oder einen Prozess zu entwickeln, der ein Problem oder einen unerfüllten Bedarf löst. (v.) Um diese Aufgaben auszuführen, oder den Namen einer Person, die diese Aufgaben ausführt.

Umgebung: Die Summe aller Dinge, die um einen Organismus oder den Prozess herum existieren, und der Zustand, den diese Dinge schaffen. Die Umgebung kann sich auf das Wetter und das Ökosystem beziehen, in dem einige Tiere leben, oder vielleicht auf die Temperatur und Luftfeuchtigkeit (oder sogar die Platzierung von Gegenständen in der Nähe eines interessierenden Gegenstands).

Familie: Eine taxonomische Gruppe, die aus mindestens einer Gattung von Organismen besteht.

fossiler Brennstoff: Jeder Brennstoff – wie Kohle, Erdöl (Erdöl) oder Erdgas – der sich über Millionen von Jahren aus den verrotteten Überresten von Bakterien, Pflanzen oder Tieren auf der Erde entwickelt hat.

Grafik: (im Computerbereich) Bilder oder Videos, die auf einem Computerbildschirm oder anderen digitalen Medien angezeigt werden.

Grafikprozessor (GPU): Ein Computerprozessor, der so programmiert werden kann, dass er die für ein realistisches Videospiel erforderlichen Grafiken darstellt.

Grün: (in Chemie und Umweltwissenschaften) Ein Adjektiv zur Beschreibung von Produkten und Prozessen, die den Lebewesen oder der Umwelt wenig oder keinen Schaden zufügen.

weiterführende Schule: Eine Bezeichnung für die Klassenstufen neun bis zwölf im US-amerikanischen System der öffentlichen Schulpflicht. Abiturienten können sich an Fachhochschulen für eine weiterführende Ausbildung bewerben.

Internet: Ein elektronisches Kommunikationsnetz. Es ermöglicht Computern überall auf der Welt, sich mit anderen Netzwerken zu verbinden, um Informationen zu finden, Dateien herunterzuladen und Daten (einschließlich Bilder) auszutauschen.

Internet der Dinge: Das Netzwerk physischer Objekte, die mit elektronischen Geräten ausgestattet wurden, damit sie Informationen sammeln und austauschen können. Dadurch können diese Objekte ihre Umgebung beobachten und mit ihr interagieren.

buchstäblich: Ein Begriff, der durch den modifizierten Ausdruck genau richtig ist. Zum Beispiel, um zu sagen: „Es ist so kalt, dass ich buchstäblich sterbe," bedeutet, dass diese Person tatsächlich erwartet, bald tot zu sein, weil sie zu kalt wird.

Gegenstand: Etwas, das Raum einnimmt und Masse hat. Alles auf der Erde mit Materie wird eine Eigenschaft haben, die als "Gewicht" bezeichnet wird.

Erdgas: Gasgemisch, das sich über Jahrmillionen im Untergrund entwickelt hat (oft in Verbindung mit Erdöl). Das meiste Erdgas beginnt mit 50 bis 90 Prozent Methan, zusammen mit kleinen Mengen schwererer Kohlenwasserstoffe wie Propan und Butan.

Netzwerk: Eine Gruppe miteinander verbundener Personen oder Dinge. (v.) Der Akt der Verbindung mit anderen Menschen, die in einem bestimmten Bereich arbeiten oder ähnliche Dinge tun (wie Künstler, Wirtschaftsführer oder medizinische Selbsthilfegruppen), oft durch den Besuch von Versammlungen, bei denen solche Menschen erwartet werden, und dann zu chatten sie auf. (n. Vernetzung)

online: (S.) Im Internet. (adj.) Ein Begriff für das, was im Internet gefunden oder abgerufen werden kann.

körperlich: (adj.) A term for things that exist in the real world, as opposed to in memories or the imagination. It can also refer to properties of materials that are due to their size and non-chemical interactions (such as when one block slams with force into another).

Physik: The scientific study of the nature and properties of matter and energy. Classical physics is an explanation of the nature and properties of matter and energy that relies on descriptions such as Newton’s laws of motion. Quantum physics, a field of study that emerged later, is a more accurate way of explaining the motions and behavior of matter. A scientist who works in such areas is known as a physicist.

power plant: An industrial facility for generating electricity.

processor: (in computing) Also called a central processing unit, or CPU, it’s a part of the computer that performs numerical calculations or other types of data manipulation. It can also be a type of software, or programming, that translates some other program into a form that can be understood by the computer running it.

Echtzeit: A term that connotes immediacy something is being studied, recorded and/or reported at the very time it is happening.

robot: A machine that can sense its environment, process information and respond with specific actions. Some robots can act without any human input, while others are guided by a human.

Sensor: A device that picks up information on physical or chemical conditions — such as temperature, barometric pressure, salinity, humidity, pH, light intensity or radiation — and stores or broadcasts that information. Wissenschaftler und Ingenieure verlassen sich oft auf Sensoren, um sie über Bedingungen zu informieren, die sich im Laufe der Zeit ändern können oder weit entfernt von einem Ort existieren, an dem ein Forscher sie direkt messen kann. (in biology) The structure that an organism uses to sense attributes of its environment, such as heat, winds, chemicals, moisture, trauma or an attack by predators.

surveillance: A term for watching or keeping track of the behavior of others, usually in a stealthy manner or from a distance.

tablets: (in computing) A small, hand-held computer that can connect to the Internet and that users can control using a touch screen. An Apple iPad, Samsung Galaxy and Amazon Kindle Fire are all examples of tablets.

Technologie: Die Anwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse für praktische Zwecke, insbesondere in der Industrie – oder die daraus resultierenden Geräte, Verfahren und Systeme.

texting: The sending of a text message from a mobile (cell) phone.

transmission: Something that is conveyed or sent along. (in mechanics) In a liquid-fueled vehicle, the machinery used to transfer power from the engine to the drive wheels.

Billion: A number representing a million million — or 1,000,000,000,000 — of something.

virtual: Being almost like something. An object or concept that is virtually real would be almost true or real — but not quite. The term often is used to refer to something that has been modeled — by or accomplished by — a computer using numbers, not by using real-world parts. So a virtual motor would be one that could be seen on a computer screen and tested by computer programming (but it wouldn’t be a three-dimensional device made from metal). (in computing) Things that are performed in or through digital processing and/or the internet. For instance, a virtual conference may be where people attended by watching it over the internet.

watt: A measure of the rate of energy use, flux (or flow) or production. It is equivalent to one joule per second. It describes the rate of energy converted from one form to another — or moved — per unit of time. For instance, a kilowatt is 1,000 watts, and household energy use is typically measured and quantified in terms of kilowatt-hours, or the number of kilowatts used per hour.

Wi-Fi: A wireless technology that networks various electronic devices (such as cell phones and laptop computers) it allows them to share the same modem for Internet connections by using radio waves.

Zitate

Report: A. Cardoso. Reducing the energy use of video gaming: energy efficiency and gamification. Copenhagen Centre on Energy Efficiency, September 2020.

Zeitschrift:​ ​​C. Gray et al. ‘Smart’ is not free: Energy consumption of consumer home automation systems. IEEE Transactions on Consumer Electronics. vol. 66, February 2020. doi: 10.1109/TCE.2019.2962605.

Report: E. Mills et al. Green gaming: Energy efficiency without performance compromise. Lawrence Berkeley National Laboratory, 2018. Report to the California Energy Commission under project EPC-15-023 - Task 7.

Journal: N. Mills and E. Mills. Taming the energy use of gaming computers. Energieeffizienz. vol. 9, 2016. doi: 10.1007/s12053-015-9371-1.

Zeitschrift:​ A. Vishwanath et al. Energy consumption comparison of interactive cloud-based and local applications. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. vol. 33, April 2015. doi: 10.1109/JSAC.2015.2393431.

Meeting: F. Jalali et al. Energy consumption of photo sharing in online social networks. 14th IEEE/ACM International Symposium on Cluster, Cloud and Grid Computing, Chicago, Ill., May 26–29, 2014. doi: 10.1109/CCGrid.2014.68.

About Kathryn Hulick

Kathryn Hulick is a freelance science writer and the author of Strange But True: 10 of the World's Greatest Mysteries Explained, a book about the science of ghosts, aliens and more. She loves hiking, gardening and robots.

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Why cannot machines use energy stored in a way similar to biological systems' energy storage? - Biologie

What is potential energy?

Potential energy is the stored energy an object has because of its position or state. A bicycle on top of a hill, a book held over your head, and a stretched spring all have potential energy.

How to Measure Potential Energy

The standard unit for measuring potential energy is the joule, which is abbreviated as "J."

How is it different from kinetic energy?

Potential energy is stored energy while kinetic energy is the energy of motion. When potential energy is used it is converted into kinetic energy. You can think of potential energy as kinetic energy waiting to happen.

We can compare potential and kinetic energy by considering a car on a hill. When the car is at the top of the hill it has the most potential energy. If it is sitting still, it has no kinetic energy. As the car begins to roll down the hill, it loses potential energy, but gains kinetic energy. The potential energy of the position of the car at the top of the hill is getting converted into kinetic energy.

Gravitational Potential Energy

One type of potential energy comes from the Earth's gravity. This is called gravitational potential energy (GPE). Gravitational potential energy is the energy stored in an object based on its height and mass. To calculate the gravitational potential energy we use the following equation:


Where "g" is the standard acceleration of gravity which equals 9.8 m/s 2 . The height is determined based on the height the object could potentially fall. The height may be the distance above the ground or perhaps the lab table we are working on.

What is the potential energy of a 2 kg rock sitting at the top of a 10 meter high cliff?

GPE = mass * g * height
GPE = 2kg * 9.8 m/s 2 * 10m
GPE = 196 J

Potential Energy and Work

The potential energy is equal to the amount of work done to get an object into its position. For example, if you were to lift a book off the floor and place it on a table. The potential energy of the book on the table will equal the amount of work it took to move the book from the floor to the table.


Machine learning speeds up simulations in material science

Neural networks enable precise simulations in material science – down to the level of individual atoms. Credit: Pascal Friederich, KIT

Research, development, and production of novel materials depend heavily on the availability of fast and at the same time accurate simulation methods. Machine learning, in which artificial intelligence (AI) autonomously acquires and applies new knowledge, will soon enable researchers to develop complex material systems in a purely virtual environment. How does this work, and which applications will benefit? In an article published in the Nature Materials journal, a researcher from Karlsruhe Institute of Technology (KIT) and his colleagues from Göttingen and Toronto explain it all.

Digitization and virtualization are becoming increasingly important in a wide range of scientific disciplines. One of these disciplines is materials science: research, development, and production of novel materials depend heavily on the availability of fast and at the same time accurate simulation methods. This, in turn, is beneficial for a wide range of different applications—from efficient energy storage systems, such as those indispensable for the use of renewable energies, to new medicines, for whose development an understanding of complex biological processes is required. AI and machine learning methods can take simulations in material sciences to the next level. "Compared to conventional simulation methods based on classical or quantum mechanical calculations, the use of neural networks specifically tailored to material simulations enables us to achieve a significant speed advantage," explains physicist and AI expert Professor Pascal Friederich, Head of the AiMat—Artificial Intelligence for Materials Sciences research group at KIT's Institute of Theoretical Informatics (ITI). "With faster simulation systems, scientists will be able to develop larger and more complex material systems in a purely virtual environment, and to understand and optimize them down to the atomic level."

High Precision from the Atom to the Material

In an article published in Nature Materials, Pascal Friederich, who is also associate group leader of the Nanomaterials by Information-Guided Design division at KIT's Institute of Nanotechnology (INT), presents, together with researchers from the University of Göttingen and the University of Toronto, an overview of the basic principles of machine learning used for simulations in material sciences. This also includes the data acquisition process and active learning methods. Machine learning algorithms not only enable artificial intelligence to process the input data, but also to find patterns and correlations in large data sets, learn from them, and make autonomous predictions and decisions. For simulations in materials science, it is important to achieve high accuracy over different time and size scales, ranging from the atom to the material, while limiting computational costs. In their article, the scientists also discuss various current applications, such as small organic molecules and large biomolecules, structurally disordered solid, liquid, and gaseous materials, as well as complex crystalline systems—for example, metal-organic frameworks that can be used for gas storage or for separation, for sensors or for catalysts.

Even More Speed with Hybrid Methods

To further extend the possibilities of material simulations in the future, the researchers from Karlsruhe, Göttingen, and Toronto suggest the development of hybrid methods: these combine machine learning (ML) and molecular mechanics (MM) methods. MM simulations use so-called force fields in order to calculate the forces acting on each individual particle and thus predict motions. As the potentials of the ML and MM methods are quite similar, a tight integration with variable transition areas is possible. These hybrid methods could significantly accelerate the simulation of large biomolecules or enzymatic reactions in the future, for example.


Why cannot machines use energy stored in a way similar to biological systems' energy storage? - Biologie

There are many forms of energy: like solar, wind, wave and thermal to name a few, but the 6 Forms of Energy we study in Needham are: Sound, Chemical, Radiant, Electric, Atomic and Mechanical.

S
Sound Energy- is produced when an object is made to vibrate. Sound energy travels out as waves in all directions. Sound needs a medium to travel through, such as air, water, wood, and even metal!
Examples: Voices, whistles, horns and musical instruments.

C
Chemical Energy - is really a form of potential energy and is the energy stored in food, gasoline or chemical combinations.
Examples: Striking a match, combining vinegar and baking soda to form CO2 Gas, breaking light sticks releases chemical energy.

R
Radiant Energy - is a combination of heat and light energy. Light energy, like sound energy, travels out in all directions in waves.
Examples: A light bulb, the glowing coils on a toaster, the sun, and even headlights on cars.

E
Electrical Energy - Energy produced by electrons moving through a substance is known as electrical energy. We mostly see electric energy in batteries and from the outlets in our homes. Electrical energy lights our homes, run motors, and makers our TVs and radios work.
Examples: CD players, TVs and Video games.

EIN
Atomic Energy - is produced when you split atoms. A tremendous amount of energy is released when this happens.
Examples: Atomic bombs, nuclear power plants, nuclear submarines, and the sun.

m
Mechanical Energy - is moving energy. It is the form that we most see around us. All moving objects produce mechanical energy. The movements within machines is also mechanical energy.
Examples: People, a rolling bicycle, moving gears, and running cars.

Kathleen Martell, Instructional Technology Specialist
Needham Public Schools, Needham, MA


How Does Solar Work?

The amount of sunlight that strikes the earth's surface in an hour and a half is enough to handle the entire world's energy consumption for a full year. Solar technologies convert sunlight into electrical energy either through photovoltaic (PV) panels or through mirrors that concentrate solar radiation. This energy can be used to generate electricity or be stored in batteries or thermal storage.

Below, you can find resources and information on the basics of solar radiation, photovoltaic and concentrating solar-thermal power technologies, electrical grid systems integration, and the non-hardware aspects (soft costs) of solar energy. You can also learn more about how to go solar and the solar energy industry. In addition, you can dive deeper into solar energy and learn about how the U.S. Department of Energy Solar Energy Technologies Office is driving innovative research and development in these areas.

Solar Energy 101

Solar radiation is light – also known as electromagnetic radiation – that is emitted by the sun. While every location on Earth receives some sunlight over a year, the amount of solar radiation that reaches any one spot on the Earth’s surface varies. Solar technologies capture this radiation and turn it into useful forms of energy.


Best Management Practice #14: Alternative Water Sources

Federal agencies may have water uses that can be met with alternative water sources. Alternative waters are sustainable sources of water, not supplied from fresh surface water or groundwater, that offset the demand for freshwater. Alternative water can serve as a vital water supply to federal agencies in support of water resilience by providing diverse water sources.

Examples of alternative water sources include:

  • Harvested rainwater from roofs
  • Harvested stormwater
  • Reclaimed wastewater
  • Graywater
  • Captured condensate
  • Additional alternative water sources
    • Atmospheric water generation
    • Discharged water from water purification processes
    • Foundation water
    • Blowdown water
    • Desalinated water.

    This best management practice (BMP) provides an overview of these alternative water sources.

    Allgemeine Überlegungen

    Implementing alternative water projects requires careful planning to ensure that the right water sources are collected for the most appropriate uses. There are several criteria to consider when making these selections:

    • Choose Sites with Adequate Alternative Resources and High Water Uses: Choose locations with high potential for the alternative supply (e.g., adequate rainfall for harvesting rainwater/stormwater) and high water demand for the applications that can use the alternative source (e.g., golf course irrigation). Investigate potential sources of alternative water using the Federal Energy Management Program's (FEMP) alternative water maps.
    • Consider Water Security as a Main Driver: Select sites with high water risk and critical functions so alternative water systems can help to reduce water risk and provide a redundant water supply to applications that are necessary to minimize interruption of the facility function. For example, alternative water can provide toilet flushing and cooling tower make-up water to critical buildings that must be operable during a water disruption.
    • Select Sites Where Alternative Water Can Be Used in Multiple Applications: Alternative water systems are most effective if they can supply multiple end uses, such as vehicle wash, landscape irrigation, and dust suppression.
    • Size the System Based on Water Demand: When sizing a system, it is important to accurately estimate the site's water demand by the application type and to size the storage requirements based on the amount of water needed for that application.
    • Design the Proper Water Treatment for the Application: Carefully consider the desired water quality for the supply and the application types when determining the treatment requirements. Alternative water can be treated to non-potable or potable standards depending on need.
    • Plan Early for Required Permitting: Alternative water systems may require local or state permits. Work closely with the local permitting office early to give ample time to complete this process.
    • Implement An Operation and Maintenance (O&M) Program: Having trained, onsite personnel or a maintenance contract in place to perform ongoing O&M is critical to making sure these systems continue to operate as designed.

    The remainder of this BMP describes alternative water sources and considerations to account for when planning for implementation.

    Harvested Rainwater

    Rainwater harvesting is the collection of rainwater from rooftops or other covered surfaces to divert and store for later use. Harvested rainwater is commonly used for non-potable applications, often to irrigate landscaping. Other common uses include wash applications, cooling tower make-up, and dust suppression.

    Harvesting rainwater can provide stormwater management by decreasing the amount of runoff flow and in turn runoff velocity, which reduces flooding and erosion since slower runoff soaks into the ground and reduced runoff avoids soil saturation—an option to turn stormwater problems into water supply assets. Less runoff also means less contamination of surface water from sediment, fertilizers, pesticides, and other pollutants potentially transported in rainfall runoff.

    The level of treatment required for harvested rainwater depends on how the water will be used. Minimal treatment is required for irrigation because rainwater is typically free of salts and other harmful minerals. More treatment may be required for other non-potable applications such as cooling tower make-up and toilet flushing. Rainwater can be further treated to potable standards and used throughout a building for all end uses. However, the system will require comprehensive treatment and disinfection to meet safe drinking water standards.

    In a typical potable harvested rainwater system, a strainer basket separates debris from the collection system. Water is disinfected at regular intervals with ozone by an ozone generator or ultraviolet light systems. Pumps push water through filter cartridges to break tanks, where chlorine or similar chemical treatments are injected as a final step in the treatment process before the water is returned to the building or sent to another end use.

    Maps and Tools

    Rainwater harvesting is not regulated by the federal government. Individual states regulate the collection and use of rainwater. FEMP's interactive Alternative Water Sources Maps visually represent the state-level rainwater harvesting regulations across the U.S. and offer general information about the applicable state programs. This map can be used to quickly discern where rainwater harvesting is supported and regulated by the state.

    FEMP developed additional maps depicting the range of rainwater available for harvesting for general applications and rainwater available specifically for landscape irrigation across the U.S. FEMP also developed a rainwater harvesting tool that estimates the amount of monthly rainfall that can be harvested.

    Implementation Considerations

    • Rainwater collection and distribution systems can be incorporated into almost any site, although it is easier and most efficient to incorporate them into new construction.
    • Rainwater harvesting systems may require a permit from local or state government. Plan for this requirement early.
    • Rainwater harvesting systems require regular O&M. FEMP developed an overview that provides key information to deploy rainwater harvesting systems along with O&M requirements.
    • Make sure the tank and equipment location will not obstruct daily operations.
    • Properly size the tank to optimize the amount of rainfall collected.
    • A first flush diverter should be included in the system components to help reduce the amount of debris that enters the system.
    • System specifications should include components and considerations to prevent mosquitos from breeding in and around the system, such as ensuring proper drainage to prevent pooling water.
    • Install high-quality industrial-grade components.
    • Configure the roof and gutters to harvest as much rain as possible and try to select roofs without overhanging vegetation that may prevent rainfall from hitting the roof or produce debris that may clog the gutter system.
    • Equipment should be in a secure location to reduce tampering. Also, system components should be enclosed to protect equipment from the environment (e.g., weather, animals).

    Harvested Stormwater

    Stormwater is precipitation runoff over ground-level surfaces that has not infiltrated into the ground and has not entered a waterway such as a stream or lake. Stormwater is typically treated to non-potable levels when used in non-potable applications. Common uses of harvested stormwater include irrigation, wash applications, cooling tower make-up or process water, and dust suppression, among others.

    Harvesting stormwater differs from harvesting rainwater in that runoff is collected from ground-level hard surfaces rather than from roofs. Benefits of stormwater harvesting include reduction of pollutants and potential flooding from large water events that flow to surface water. Other benefits include reduction of stream bank erosion, sewer overflows, and infrastructure damage.

    Stormwater is generally collected onsite from hard surfaces such as sidewalks, streets, and parking lots before it enters a waterway. After being diverted, it is stored temporarily in retention ponds or tanks. The characteristics of stormwater harvesting and reuse systems vary considerably by project, but most systems include collection, storage, treatment, and distribution.

    Captured stormwater normally requires more treatment than captured rainwater because it is exposed to additional pollutants from drainage systems and surfaces that may have hydrocarbons or other miscellaneous debris. Treatment options to reduce pathogens and pollution levels include the use of constructed wetlands, sand filters and membrane filters, and disinfection techniques including chlorination and ultraviolet radiation. The degree of treatment required depends on the proposed use and the level of public exposure.

    Stormwater that is diverted for reuse may impact the amount of water available for other consumers downstream from the diversion point. Water utilities and municipalities may charge augmentation fees to recover costs associated with augmenting water to the watershed to maintain enough supply for downstream customers.

    Implementation Considerations

    • Successful stormwater harvesting projects need expert input from several areas, including stormwater management, water supply management, environmental management, and public health.
    • There may be local limitations on the storage and reuse of stormwater and/or there may be permit requirements from local or state governments. Plan early for these types of requirements.
    • Stormwater availability and application water demand need to be considered when designing the system is stormwater available seasonally, intermittent, or year-round?
    • There may be site constraints in constructing the infrastructure needed to harvest stormwater.
    • Stormwater systems require routine maintenance. Make sure to institute a comprehensive O&M program that includes:
      • Monitoring of storage
      • Monitoring for leaks
      • Maintaining treatment systems, including filter replacement and disinfection equipment maintenance
      • Testing water quality

      Reclaimed Wastewater

      Reclaimed wastewater is water that is discharged from buildings and processes, treated at a wastewater treatment facility, and then reused in applications such as irrigation and industrial processes. Federal sites that treat wastewater onsite can potentially reclaim wastewater, and it is becoming more common for local municipalities to reclaim wastewater and sell it to customers to help lower the community's demand for freshwater. This water can sometimes be available at a lower cost than otherwise purchased potable water. FEMP provides an interactive map showing water utilities that supply reclaimed wastewater to their customers.

      Reclaimed wastewater is typically treated to non-potable levels and used in non-potable applications such as irrigation and cooling tower make-up. This water is distributed through a separate distribution system, commonly referred to as "purple pipe" (denoting the color of the pipes). Non-potable reclaimed wastewater typically requires secondary treatment such as additional filtration and disinfection to further remove contaminants and particulates to ensure the water is safe for non-potable applications.

      Although uncommon, reclaimed wastewater can also be treated to potable standards. There are two general types of potable reclaimed wastewater systems:

      DPR introduces treated reclaimed wastewater directly into a potable water treatment plant and then through the potable distribution system. Figure 1 is a schematic of DPR phases. IPR introduces reclaimed wastewater into a natural watershed (e.g., groundwater aquifer or reservoir) acting as an environmental buffer, where water can subsequently be withdrawn and treated to potable standards.

      An efficient and successful reclaimed water project requires a reliable source of wastewater of adequate quantity and quality to meet the water needs. These projects may be more economically viable when the cost of freshwater is high and there is a lack of high-quality freshwater or there are future supply risks due to conditions such as drought.

      Implementation Considerations

      • State and local governments regulate the use of reclaimed wastewater and the associated water quality requirements. Plan early for this requirement.
      • To minimize cross-connection problems, non-potable reclaimed water pipes must be color coded with purple tags or tape according to standards set by the American Water Works Association.
      • Signs should be used to indicate that reclaimed water is non-potable. Place these signs in public places such as in front of a fountain and on valves, meters, and fixtures.
      • To avoid accidental cross-connection, keep the pressure of reclaimed water 10 psi lower than potable water mains to prevent backflow.
      • Run reclaimed water mains at least 12 inches lower in elevation than potable water mains and horizontally at least five feet away.
      • Review the quality of reclaimed water to minimize the potential for harmful effects from long-term use, such as salt buildup.
      • See the following for consideration for a potable system: Framework for Direct Potable Reuse.

      Graywater

      Graywater is lightly contaminated water that is generated by bathroom sinks, showers, and clothes washing machines. Graywater does not include wastewater from toilets, urinals, or kitchens. Graywater is typically used in non-potable applications, most commonly to flush toilets and urinals, irrigate landscape, and supply water for ornamental ponds and make-up water in cooling towers. Graywater use offers several benefits as it can reduce water withdrawn from freshwater sources, energy and chemicals used to treat water to potable standards, and the volume of wastewater being sent to wastewater treatment facilities.

      A graywater reuse system diverts water that normally is discharged to a municipal sewage treatment to use within the same building. Graywater effluent is collected, treated, and distributed for reuse, usually within the same building, and requires retrofitting the plumbing system for existing buildings. Graywater will often contain detergents, dissolved and suspended solids, and pathogens. Basic graywater treatment consists of removing suspended solids from the water, while sophisticated treatment may consist of biological treatment with membrane filtration, activated carbon, and ultraviolet light or ozone disinfection to destroy pathogens. Sophisticated treatment may be required if used in public locations and depending on the source of the water. Water for outdoor (subsurface irrigation) uses may be less treated than water for indoor uses.

      The major components of a graywater reuse system include:

      • Plumbing that collects graywater from sinks, showers, and laundry
      • Water storage tanks, which should be closed to minimize contact
      • A treatment system to filter and disinfect water if required regulations can vary by state and local ordinances
      • Secondary plumbing (called dual plumbing) that supplies applications with graywater such as irrigation or toilet flushing that is color-coded to identify piping as a graywater source
      • Pumps to transport the water.

      Implementation Considerations

      • Graywater systems should also be installed in accordance with local plumbing codes and by professional, licensed plumbing contractors. Local requirements may include:
        • System inspection after installation to verify compliance
        • Extensive labeling, different piping material, and biodegradable dye to distinguish from the building’s potable system
        • Backflow preventers to ensure the proper separation of potable water and graywater supply system.
        1. Inspecting the system for leaks and blockages
        2. Cleaning and replacing the filter
        3. Replacing the disinfectant
        4. Ensuring that controls operate properly
        5. Periodically flushing the entire system.

        Additional Alternative Water Sources

        Additional sources of alternative water that should be considered to offset the use of freshwater include captured condensate, atmospheric water generation, discharge water from water purification systems, foundation (sump) water, blowdown water, and desalinated water.

        Captured Condensate

        Water condenses on the cooling coils of mechanical equipment such as packaged or rooftop units, dedicated outdoor air units, and air handling units when humid air contacts these cool surfaces. A large amount of condensate can form on cooling coils in areas with hot, humid summers such as the southeastern United States. Water that collects on the cooling coils must be drained to prevent damage to the equipment or building from water buildup. Typically, the condensate is collected in a central location and discharged to a sewer drain. In a condensate capturing system, the condensate is directed to a central storage tank or basin and then distributed for reuse.

        Make-up water for cooling towers can be an ideal use of captured air handler condensate. Cooling tower make-up water is needed the most during the hot summer months, when the largest amount of air handler condensate can be collected. Originating from the air, condensate water starts off very pure with a very low dissolved mineral content, ideal for cooling towers however, condensate can potentially grow bacteria during the storage phase, requiring disinfection to avoid introducing bacteria-contaminated water to the cooling tower system. Condensate can also acquire heavy metals because of contact with cooling coils, and treatment to remove these heavy metals may be required. To limit this contamination, while cleaning the cooling coils, make sure cleaning water does not enter the condensate capture system.

        FEMP provides a map depicting the potential for condensate capture from air-conditioning systems across the U.S. It shows an estimate of how much water can be collected and provides an initial assessment of the feasibility of implementing condensate capture from air-conditioning systems at a given location. Read about a federal case study on a condensate capture project implemented by the U.S. Environmental Protection Agency (EPA).

        Atmospheric Water Generation

        Atmospheric water generation (AWG), also called "air water harvesting," is where a device is used to extract water vapor directly from the air, in the form of humidity, by using condensation of cooling surfaces (as explained in the captured condensate section), desiccant capture, or gas separation using membrane technologies. Water is extracted from air via condensation or pressurization. As air passes over cooled coils or the pressure is increased, the moisture content changes from vapor to liquid, it "condenses," which is then possible to capture and store for later use.

        Temperature and humidity of a location will affect how much water can be extracted from the air. Other considerations include the costs and energy requirements of the systems. Colder, humid environments require more energy than warmer, humid conditions.

        Make-up water for cooling towers can be an ideal use of AWG, similar to captured condensate. By nature, water originating from AWG is very pure with very low dissolved mineral content, which is ideal for cooling towers except that stored water can potentially grow bacteria during the storage phase, requiring disinfection to avoid introducing bacteria-contaminated water to the cooling tower system. AWG can be used in other non-potable applications, depending on how much water can be collected. With the proper air filtration and water disinfection, AWG can produce potable water.

        Water Purification System Discharge Water

        Water purification systems, such as reverse osmosis, remove impurities from a water supply for processes that require ultra-pure water. Some of the water supplied to the system is purified, while the remaining water, containing the filtered impurities, is rejected from the system. The ratio of purified water to the total supply water is called the recovery rate. A common recovery rate of a water purification system is between 50% and 75% (source: EPA WaterSense at Work). This equates to 25% to 50% of the total water supplied being rejected, which can be a significant amount of water discharged from the system. Discharge water, or reject water, from these systems can be recovered and reused for non-potable applications.

        The discharge water will likely be high in dissolved solids since this is the end product of the water purification system. Therefore, it is important to choose applications where elevated dissolved solids will not cause harm or are properly managed. Appropriate uses of discharge water are toilet and urinal flushing, cooling tower make-up water, irrigation, and vehicle wash. For cooling tower make-up, the total dissolved solids (TDS) of the discharge water should be less than the TDS set point of the cooling tower. If discharge water is used for landscape irrigation, the landscape plants should have a high tolerance for salinity. Read about reverse osmosis optimization.

        Foundation Water

        Buildings may have issues with water that collects around the foundation and basement/crawlspaces from groundwater or drainage from stormwater runoff. This alternative water type is also referred to as “sump pump" water because the foundation water is typically pumped away from the foundation using a sump-pump to prevent flooding. This water normally goes directly into a storm or sewer system however, it can be recovered and reused similar to harvested stormwater. Applications for this water include toilet and urinal flushing, cooling tower make-up water, irrigation, and vehicle wash.

        Blowdown Water

        Blowdown water is water that is drained from cooling equipment and boilers to remove mineral buildup that develops during water evaporation cooling or steam production. As water evaporates, the concentration of minerals increases, necessitating removal of minerals from the system. Systems that may require blowdown include cooling towers, evaporative condensers, evaporative coolers, evaporative cooled air-conditioners, and central boilers. Blowdown water normally is discharged directly into the sewer system however, it can be recovered and reused for other applications.

        Blowdown water may be used for irrigation, but there are some considerations to keep in mind. Blowdown water may have high levels of minerals that may not be appropriate for irrigation or could be diluted with another source of water before being used for irrigation. Plant species that prefer acidic soils (e.g., pine trees) should not be watered with blowdown water. Other applications of blowdown water can be considered, but the high mineral content of the water may damage equipment by causing mineral buildup, so it might be necessary to dilute the water with another source.

        Desalinated Water

        Desalinated water is brackish water or seawater from which the dissolved minerals, salts, and other contaminants have been removed. Most desalination processes use either multistage flash or reverse osmosis to remove the salts from the water. The multistage flash method rapidly boils the brackish/seawater multiple times to collect the freshwater and remove the salts. Reverse osmosis works by moving the brackish/seawater at high pressure across a semi-permeable membrane that the salts cannot pass through.


        'Increasing the capacity of the electricity network is going to be hugely expensive' – Julian Leslie, head of electricity network development at the UK’s ‎National Grid

        “That is going to be hugely expensive,” he says. “You would struggle to get the planning consent for the wires and generation needed. There is a very strong future for gas and we can decarbonise the gas a lot by producing hydrogen or biogas to inject into the gas network. We need to explore more alternatives to how we can decarbonise gas further.”

        Biogas and biofuels are often seen as one of the most viable alternatives to fossil fuels, with companies like BP investing huge sums into developing production lines. Yet burning these fuels will not halt the release of greenhouse gases into the atmosphere. And with the burgeoning extraction of shale oil and gas in many parts of the world, it seems likely we will be reliant on fossil fuels for some time to come.

        “By 2050 we will still be getting 75% of our energy from fossil fuels,” says Armstrong. “A critical issue for us will be to figure out how to reduce carbon dioxide emissions from those energy sources. That is going to require carbon capture storage and utilisation. Lowering the cost of capturing the carbon is probably the toughest piece of that but we also need to figure out how to store it for geological timeframes.”


        Verteilung

        Most hydrogen used in the United States is produced at or close to where it is used&mdashtypically at large industrial sites. The infrastructure needed for distributing hydrogen to the nationwide network of fueling stations required for the widespread use of fuel cell electric vehicles still needs to be developed. The initial rollout for vehicles and stations focuses on building out these distribution networks, primarily in southern and northern California.

        Currently, hydrogen is distributed through three methods:

        Pipeline: This least-expensive way to deliver large volumes of hydrogen is limited as only about 1,600 miles of U.S. pipelines for hydrogen delivery are currently available. These pipelines are located near large petroleum refineries and chemical plants in Illinois, California, and the Gulf Coast.

        High-Pressure Tube Trailers: Transporting compressed hydrogen gas by truck, railcar, ship, or barge in high-pressure tube trailers is expensive and used primarily for distances of 200 miles or less.

        Liquefied Hydrogen Tankers: Cryogenic liquefaction is a process that cools hydrogen to a temperature where it becomes a liquid. Although the liquefaction process is expensive, it enables hydrogen to be transported more efficiently (when compared with using high-pressure tube trailers) over longer distances by truck, railcar, ship, or barge. If the liquefied hydrogen is not used at a sufficiently high rate at the point of consumption, it boils off (or evaporates) from its containment vessels. As a result, hydrogen delivery and consumption rates must be carefully matched.

        Creating an infrastructure for hydrogen distribution and delivery to thousands of future individual fueling stations presents many challenges. Because hydrogen contains less energy per unit volume than all other fuels, transporting, storing, and delivering it to the point of end-use is more expensive on a per gasoline gallon equivalent (per-GGE) basis. Building a new hydrogen pipeline network involves high initial capital costs, and hydrogen's properties present unique challenges to pipeline materials and compressor design. However, because hydrogen can be produced from a wide variety of resources, regional or even local hydrogen production can maximize use of local resources and minimize distribution challenges.

        There are tradeoffs between centralized and distributed production to consider. Producing hydrogen centrally in large plants cuts production costs but boosts distribution costs. Producing hydrogen at the point of end-use&mdashat fueling stations, for example&mdashcuts distribution costs but increases production costs because of the cost to construct on-site production capabilities.

        Government and industry research and development projects are overcoming the barriers to efficient hydrogen distribution. Learn more about hydrogen distribution from the Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office.


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