Egyes szakemberek szerint víz a Föld történetében mintegy 4 milliárd éve van jelen, az Archaicum elejétől. Az ősföldet egy vízgőzben gazdag légkör vette körül, amelynek lehűléséből származik a jelenleg bolygónkon található víz minden formája. A Föld különleges helyet foglal el a naprendszerben e tekintetben, mivel a Föld-Nap távolság következtében - amely átlagosan 150 millió km - a víz mindhárom formájának (gőz, víz, jég) megjelenése lehetővé válik. Ez csak a naprendszer sugarának mintegy 2%-át kitevő keskeny sávban állhat elő. A Vénusz ennek nagyon keskeny sávnak, a potenciális vízzónának a szegélyén helyezkedik el. A víz jelenléte tette lehetővé mintegy 3,5 milliárd esztendővel ezelőtt a szerves élet kialakulását is.
(kép: Courtesy of DOE/NREL)

A víz teljes tömegét 1,4 milliárd km³-re becsüljük és ennek 97,3 %-a az óceánokban található. Ezen vízmennyiség tekintélyes része részt vesz egy nagy körforgásban, amelynek átlagos időtartama 9 napnak vehető. Amikor felhajtunk egy pohár vizet, sohasem tudhatjuk, hogy egy-egy benne lévő vízrészecskét hanyadszor öntünk le a torkunkon. Egy adott molekula bejárhatta Európa egy részét, áramolhatott a Fekete-tenger, vagy esetleg az Atlanti-óceán medencéjében, majd megszámlálhatatlan társával együtt újra végigszárnyalt a szárazföld felett, valahol a hegyekben lehullott, beszívódott a föld mélyére, majd kibukkant egy forrás tövében, ahol éppen kimerünk maguknak egy pohár vizet. Azonban nem minden vízrészecske vesz részt ebben a körforgásban, gondoljunk csak az óceánok mélyén lévő vízre, amelyeket sokkal kisebb mértékben fenyeget az elpárolgás veszélye. E hatalmas körfolyamat éltető motorja a Nap, amelynek a Földre sugárzott energiájának egy jelentős részét a felszíni vizek párologtatása emészti fel. E szüntelen körforgásnak alapvető szerepe van az időjárás alakításában is.

A víz tájformáló munkája

A víz óriási pusztító és építő munkát is végez, tartós nyomokat hagy maga után. A tengerek hullámzása a szárazföldek partjait alakítja, a vízfolyások völgyeket vájnak a szállított hordalékkal, amelyekből majd máshol zátonyokat, szigeteket építenek. Ahol a vízfolyás sebessége a felszín erős lejtése miatt igen nagy, mély szinte függőleges falakkal rendelkező ún. szurdokvölgyeket alakítanak ki a vízfolyások. Például Észak-Amerikában a Colorado-folyó 1000 m-nél is mélyebb völgyet alakított ki: a Grand-kanyont (képen). A felszíni folyások nemcsak mechanikai munkájukkal pusztítanak, hanem a benne oldott szén-dioxid megtámadja a kőzeteket is. A mészköves dolomitos területeken ezen hatás eredményeként víznyelők, töbrök, nagyobb uvaláka és barlangok jöhetnek létre. A sziklák repedésein beszivárgó víz megfagyva mállasztja, aprózza a kőzeteket. Ez különösen az USA, Utah állambeli földkapuk mutatják. A számítások szerint évente a folyók 3000 millió tonna anyagot hordanak a világtengerekbe. A kőzetréteg lehordásával a szárazföldek tengerszint feletti magasságát pl. 100 ezer év alatt 1 méterrel csökkentik. Nemcsak pusztítanak a folyók, hanem deltákat építenek a tengerbe, tavakat töltenek fel, pl. a Missisipi deltája 25 hektárral a Dunáé pedig egy fél hektárral növekszik évente. Ott ahol a folyó a tengerbe ömlik, a tengertől hódít el területeket.

A vízben rejlő energia

Hozzávetőleges számítások alapján a Napból Földre jutó energiamennyiségnek kb. 23 %-a a víz körforgásának fenntartására fordítódik. Ennek az energiának mintegy 99 %-a a párolgás-lecsapódás átalakulására fordítódik, amely számunkra kihasználhatatlan. A megmaradó töredék a földfelszínen mozgó víz helyzeti és mozgási energiája. Az állóvizek csak helyzeti és nyomási energiával rendelkeznek, de az áramló vizeknél ezek mellett a mozgási (kinetikai) energia is megjelenik. Vízenergián ezen energiák összességét értjük. Becslések szerint a világ hasznosítható vízenergia kapacitása kb. 20.000 TWh körül lehet. Az egész világon termelt összes vízenergia termelés kb. 2000 TWh. Ez a műszakilag hasznosítható energia 10 %-át jelenti.


Vízikerekek, vízimalmok

A víz volt az a legrégebbi erőforrás, amit arra használtak, hogy csökkentsék az emberi és állati terhet. Nem lehet tudni biztosan mikor is találták fel a vízikereket, de az biztos, hogy a legrégebbi öntözőrendszerek kb. 5000 évesek. A vízikereket már az ókori Kelet országaiban: Egyiptomban, Kínában és Indiában is használták, vízimalmok pedig az ókori Görögországban és Rómában is működtek.

Az alábbi képen egy Szíriában az Oronte folyón még ma is működő vizikerék, látható, amelyet már az i.e. 15-ből származó római írások is említik.

A legkorábbi vízimalmok talán a függőleges tengelyű kukoricaőrlő malmok voltak, melyeket norvég ill. görög típusú malom névvel illettek. Ezek valószínűleg Kr. e. az I.- illetve a II. században jelentek meg Közép Keleten, néhány századdal később pedig Skandináviában. Ismereteink szerint Angliában már használtak mind vízszintes tengelyű, mind függőleges tengelyű vízimalmokat az angolszászok.

A XI. század végén Anglia 3000 felmért településén 5624 vízimalom működött, Franciaország egyetlen megyéjében (Aube) pedig kétszáz. Magyarországi vízimalmokra utaló adat legkorábban a XI. századból ismert.

"1061-ben egy nagybirtokon 320 mansio (kb. 1600 lélek) számára 6, 1124-ben egy másik nagybirtokon 120 mansio (1150 lélek) számára 7, 1141-ben egy harmadik nagybirtokon 120 mansio (600 lélek) számára 3, azaz 266, 165, ill.200 lélekre esett egy malom."

Magyarországon is fontos volt a termények nagyobb hatékonyságú feldolgozása érdekében a korábban használt kézi malmok helyett a vízimalmok használata. Két ember kézimalommal 4,5-7 kg lisztet tudott őrölni óránként, míg egy átlagos teljesítményű vízimalom 150 kg-ot. Az alábbi táblázat a különböző malmok teljesítményadatait hasonlítja össze.



Természetesen a vízimalmok nagy beruházást igényeltek, ezért rendszerint a földesúr vagy a kolostor tulajdonában voltak. A földesurak sokszor kötelezővé tették ezek használatát, megfelelő díj ellenében, és hogy ezt ki ne játszhassák a kézi malmokat összetörették. A víz energiáját azonban nemcsak gabonaőrlésre használták, hanem különböző célokra: így a textiliparban, a bányászatban, bányavíz-kiemelésre is és később a kohók légfúvóit is vízierő hajtotta.

1568-ban a kincstári kezelés alá vont körmönci, úrvölgyi bányákban megépítettek egy 10258 öl hosszúságú vízvezetéket. Ez a több mint 20 kilométeres vezetékrendszer látta el vízi energiával télen-nyáron körmöci aknákat és zúzóműveket oly módon, hogy a segítségével vízikereket hajtottak. A vízkereket pedig közlőművek beiktatásával munkagépek meghajtására használták.

A XVIII. század végére három vízikeréktípus volt használatban, amelyek a víz nyomómagasságában térnek el:

Az alulcsapott vízikerék

Ennél a típusnál a lapátok belemerülnek az áramló folyóba, így szinte minden áramló vízben lehet használni. A hátránya azonban, hogy használhatatlan ha a víz folyásiránya áradás miatt megváltozik.

A felülcsapott vízikerék

Iitt a zárt lappátokra felülről érkezik a víz, ezért maga a kerék sokkal masszívabb mivel el kell bírnia a víz súlyát. Az áradások nem befolyásolják a működését, mivel a víz egy csatornán keresztül érkezik a kerékre, amelyen egy zsilipkapuval szabályozható a víz mennyisége.
 
A középen csapott vízikerék

A víz itt is egy csatornán keresztül érkezik és kb. a keréktengelynél folyik a kerék lapátjaiba. Előnye, hogy nem szükséges olyan nagy esésmagasság mint a felülcsapottnál, ahol a beáramló és kiáramló víz magasságkülönbségének legalább akkorának kell lennie, mint a kerék átmérője.

A vízemelő gépek

A XVIII. század hetvenes éveiben az Altaj vidéki ezüstbányákban áttértek a mélyebb rétegek kitermelésére. Azonban ezeknél a korábban használt, kézi erővel ill. lovas járgánnyal működtetett vízemelő gépek nem tudták biztosítani a víz elvezetését ill. az érc felhozatalát a felszínre. Ezt egy K. D. Frolov nevű orosz feltaláló sikeresen megoldotta. Az egyik helyi folyón egy 17,50 m magas duzzasztógátat épített, ahonnan a víz egy 443 m hosszú, speciális aknán valamint egy 96 m-es csatornán keresztül jutott el az első, 4,3 m átmérőjű vízikerékre amely egy fafűrészt működtetett. Ezután a vizet két csatornán vezették tovább. Az egyik a preobrazsenszkiji bányához, a másik pedig egy 128 m hosszú föld alatti járaton át a jekatyerinszki bányaérc felvonójának vízikerekéhez folyt. Ez a kerék 45 m, 77 m és 102 m mélyről emelte fel az ércet. E keréktől a víz egy 64 m hosszú járaton át a szivattyú-berendezéshez folyt. Az itteni kerék 17 m átmérőjű volt és egy rúd segítségével juttatták el a szivattyúhoz a hajtóerőt, amelyek 213 m mélyből emelték ki a vizet. Miután a víz ezt a vízemelő szerkezetet is meghajtotta, a víz egy másik vágatban a voznyeszenszki bánya vízikerekéhez folyt, amely mind az ércfelvonót, mind pedig a vízemelő szerkezetet működtette a tárnában. Az ércet egy serleges felvonó 60 m mélyről emelte a felszínre. A XVIII. század harmincas éveiben született Hell József Károly kezei alatt a “vízoszlopgép”-nek nevezett vízikerék.  Működési elve a következő: a csövön érkező víz nyomást gyakorol egy dugattyúra. Mivel a víz nyomása nagyobb volt a levegő nyomásánál, ezért a dugattyú felfelé haladt, és eközben terhet emelt. Ahhoz, hogy a dugattyú ismét alsó helyzetbe térjen, a vizet egy csapon át vissza kellett vezetni az alsó csatornába. Tehát egy csap átkapcsolásával sikerült egyszer a dugattyú egyik, majd a másik oldalára nyomást gyakorolni, s ezáltal hasznos munkát végeztetni. Egy bizonyos Reichenbach Ilsak nevű helyen állította üzembe 1817-ben vízoszlopos gépét, amelyet 1927-ig szinte megállás nélkül üzemeltettek. Ez naponta 230 m³ vizet emelt 356 méter magasra. Dugattyúja percenként 2 és fél mozgást végzett. Ezt a század elején feljavították, így percenként 6 lökettel napi 600 m³ vizet szivattyúzott ki a tárnákból. Azonban megjelentek a gőzgépek, és így a vízenergia felhasználása az 1800-as évek végére háttérbe szorult. Mint sok más találmánynál a vízikeréknél is kiszámíthatatlan volt a jövőbeli felhasználási lehetőség. Ezt bizonyítja, hogy amikor Faraday felfedezte az elektromágneses indukciót újabb távlatok nyíltak a vízenergia hasznosítására, így a róla alkotott kép ismét megváltozott.


Forrás: Dr.Göőz Lajos és Kovács Tamás, "Vízenergia" c. munkája, eredeti változata itt.
Közzétéve szerzői engedéllyel