توليد الطاقة باستخدام الإشعاع الحراري المحيط بالأرض

التنصت على تدرجات درجات الحرارة

تعتمد معظم طرق توليد الطاقة لدينا على فرق في درجة الحرارة. ويحدث هذا غالبًا بتسخين جزء واحد من خلال احتراق الوقود الأحفوري (الفحم، النفط، الغاز)، أو الانشطار النووي، أو الحفر في أعماق الأرض (الطاقة الحرارية الأرضية)، أو تركيز ضوء الشمس (الطاقة الشمسية المركزة).

ويتم بعد ذلك استخدام هذا الاختلاف الحراري لتسخين الماء أو سائل آخر (مثل الملح المنصهر) لتنشيط توربين يولد الكهرباء.

وبينما يعد التقاط ضوء الشمس مباشرة (الطاقة الكهروضوئية) أو الحركات الطبيعية (طاقة الرياح، والطاقة الكهرومائية، وطاقة المد والجزر) احتمالاً وارداً أيضاً، فإن التدرجات الحرارية هي الشكل الأكثر شيوعاً لتوليد الطاقة، منذ أيام المحرك البخاري إلى اليوم.

هناك تدرج حراري آخر يمكن استغلاله نظريًا وهو الفرق في درجة الحرارة بين الأرض والفضاء الخارجي.

يبلغ متوسط ​​درجة حرارة سطح الأرض حوالي 15 درجة مئوية (59 درجة فهرنهايت)، بينما تبلغ درجة حرارة الفضاء الخارجي -270 درجة مئوية (-454 درجة فهرنهايت). لطالما أثار هذا الفارق الحراري النظري الهائل فضول الباحثين، لكن استغلاله ليس بالأمر الهيّن.

انبعاث الحرارة إلى الفضاء

بالنسبة للإشعاع الحراري عند أطوال موجية تتراوح بين 8 و13 ميكرومترًا، يكون الغلاف الجوي شفافًا تمامًا، ويسمح لحرارة الأرض بالتسرب إلى الفضاء. هذه هي الآلية الرئيسية التي تسمح لكوكبنا بالتبريد بعد تلقي الطاقة من الشمس.

من الناحية النظرية، يمكن لمحرك قادر على إصدار طاقة عند هذا الطول الموجي، أو تردد قريب بما فيه الكفاية لإصدار الطاقة إلى السماء الأكثر برودة (مقارنة بالأرض)، أن يولد الكهرباء من درجة الحرارة المحيطة.

في الواقع، تم إثبات فعالية هذه الطريقة بالفعل، إما باستخدام أجهزة أشباه موصلات منخفضة الفجوة أو مولدات حرارية كهربائية. لكن هذه الطرق غير عملية لتوليد الطاقة اقتصاديًا نظرًا لانخفاض إنتاجها من الطاقة والحاجة إلى عناصر أرضية نادرة.

لكن ربما وجد العالمان تريستان جيه. ديبي وجيريمي إن. مونداي، اللذان يعملان في جامعة كاليفورنيا، بديلاً باستخدام محركات ستيرلنغ. وقد نشرا عملهما في المجلة العلمية المرموقة ساينس.¹، تحت عنوان "توليد الطاقة الميكانيكية باستخدام الإشعاع المحيط بالأرض".

شرح محركات ستيرلنغ

في حين يتم استخدام معظم فروق درجات الحرارة لتوليد الطاقة باستخدام التوربينات التي تعمل بالبخار، فإن البديل هو محرك ستيرلنغ.

تخلق هذه المحركات حركة ميكانيكية عندما يكون أحد جانبي المحرك أكثر سخونة أو برودة من الجانب الآخروعلى النقيض من محركات الاحتراق الداخلي أو التوربينات، فهي لا تتطلب حرق المواد.

ومن الممكن بعد ذلك تحويل الحركة الميكانيكية إلى كهرباء باستخدام مولد كهربائي بسيط.

تتمتع محركات ستيرلينج بمتانة ملحوظة، على الرغم من ثقلها النسبي، مما يحد من استخداماتها في النقل.

كما أن إنتاجيتها أقل بقليل من إنتاجية التوربينات، مما يُفسر عدم استخدامها بشكل شائع في محطات الطاقة الحرارية أو النووية. ومع ذلك، يمكنها العمل حتى مع اختلاف طفيف في درجة الحرارة، بينما تتطلب التوربينات مئات الدرجات من الاختلاف بين الحرارة والبرودة.

كيف تلتقط محركات ستيرلنغ الطاقة الحرارية المحيطة

يتكون المفهوم الأساسي لتوليد الطاقة الحرارية المحيطة المستخدم هنا من عنصرين:

• اللوحة السفلية للمحرك على اتصال حراري مباشر مع سطح الأرض.
• اللوحة العلوية متصلة بصريًا بالسماء.

للتحكم في انبعاث الحرارة في الهواء للجزء العلوي من المحرك، يتم استخدام طلاء يصدر الأشعة تحت الحمراء.

المصدر علم السلف

تعتمد هذه الطريقة على استغلال الفارق الصغير في درجات الحرارة بين الأرض والهواء، وخاصة في الليل، والذي لا يستطيع تحويله إلى حركة/طاقة إلا محرك ستيرلنغ.

يقوم عرضنا التجريبي لإثبات المفهوم بربط المحرك إشعاعيًا بالسماء وتوفير >400 ميغاواط/م2 من الطاقة المستمرة على الأرض طوال الليل.

الاختبار في ظروف الحياة الواقعية

تم اختبار هذه الطريقة في ديفيس، كاليفورنيا، باختلافات في درجات الحرارة بلغت 10 درجات مئوية (18 درجة فهرنهايت) ودوران دولاب الموازنة بتردد 1 هرتز. أُجريت الاختبارات على مدار العام، مع عمل معظم الفترة، مع أن فصل الشتاء، مع هطول الأمطار والغيوم، كان أقل كفاءة. أكثر من درجة الحرارة المطلقة، فإن رطوبة الهواء هي التي تؤثر على كفاءة هذا النظام بشكل أكبر.

المصدر علم السلف

في ظل ظروف الرطوبة العالية، يتم تقليل الفرق بين درجات الحرارة ليلاً ونهارًا بسبب التركيزات العالية من الماء في الغلاف الجوي، مما يقلل من قوة التبريد الإشعاعي، مما يؤثر على إمكانات الطاقة الإجمالية.

رسم خرائط إمكانات الطاقة المحيطة

وباستخدام نتائج تجاربهم، تمكن العلماء من نمذجة المناطق ذات الإمكانات الأفضل لاختراعهم.

وتوصلوا إلى بعض الاستنتاجات:

• تكون كثافة الطاقة أعلى في المناطق القاحلة والسلاسل الجبلية، حيث يكون الإشعاع الهابط في أدنى مستوياته.
• تتمتع المناطق ذات الرطوبة العالية بإمكانات طاقة أقل.
• إن توليد الطاقة يقترب من الصفر في المناطق ذات الغابات الكثيفة، حيث تمنع الرطوبة المتزايدة المبرد من إخراج الحرارة إلى السماء بشكل فعال.

وباستخدام هذه البيانات، أنشأوا خريطة تظهر مناطق الأرض ذات الإمكانات الأفضل لنشر محركات ستيرلنغ الإشعاعية المحيطة.

المصدر علم السلف

المناطق ذات الإمكانات الأفضل هي:

• أفريقيا الصحراوية.
• السهوب الأوراسية.
• القارة القطبية الجنوبية خلال فصل الصيف.
• المناطق الداخلية من الساحل الغربي للولايات المتحدة.
• جبال الأنديز
• هضبة التبت.

التحسينات المستقبلية

مرر للتمرير →

كان هذا العمل بمثابة دليل على المفهوم إلى حد كبير، وبالتالي كان من الممكن تحسين العديد من عناصر التصميم.

يتمثل العنصر الأول في تحسين قدرة التبريد الإشعاعي. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام مادة تبريد إشعاعي مُصممة خصيصًا بدلًا من الطلاء التجاري.

أما العنصر الثاني فهو زيادة الاقتران التوصيلي بالأرض، على سبيل المثال، عن طريق استخدام مساحة سطح اتصال أكبر ومواد ذات موصلية حرارية أعلى مثل النحاس.

يمكن لمحرك أكبر أن يزيد أيضًا من إجمالي إنتاج الطاقة والكفاءة. كما أن استخدام الهيليوم أو الهيدروجين بدلًا من الهواء في مكبس محرك ستيرلنغ قد يقلل الاحتكاك ويزيد العائد.

وأخيرًا، تُولّد حضارتنا الصناعية حرارةً مهدرةً كبيرةً من الصوبات الزراعية والمصانع وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والمباني السكنية المُدفأة شتاءً، من بين مصادر أخرى. وهذا قد يزيد فرق درجات الحرارة بين الأرض والسماء بشكل كبير، مما يُعزز إنتاج الطاقة.

في الممارسة العملية، يمكن لفارق درجة الحرارة البالغ 35-40 درجة مئوية (72 درجة فهرنهايت) أن يولد ما يقرب من أربعة أضعاف الطاقة مقارنة بفارق 15 درجة مئوية.

المصدر علم السلف

نحو "الألواح الشمسية العكسية"

وبما أن هذا التصميم يعمل بشكل أفضل في الليل (على الرغم من أنه يمكن تشغيله أيضًا أثناء النهار مع تغييرات التصميم)، فإنه يبدو مكملًا جيدًا للألواح الشمسية الكهروضوئية.

يمكن أن يكون أيضًا وسيلة رائعة لتحقيق أقصى استفادة من الحرارة المهدرة، سواء من أشكال أخرى من توليد الطاقة، أو العمليات الصناعية، أو المباني الدافئة (المكاتب، والشقق، والمنازل)، أو البيوت الزجاجية.

وأخيرا، يمكن تصميمه كطريقة تبريد إضافية لتثبيته على المباني، حيث يمتص النظام الحرارة ويشعها مرة أخرى إلى الفضاء.

وإذا تم نشرها على نطاق واسع بما فيه الكفاية، فقد تتمكن من توليد الطاقة مع تقليل إجمالي الحرارة الملتقطة من الأرض، وهو أمر فريد من نوعه مقارنة بجميع طرق توليد الطاقة الأخرى.

شركات محركات ستيرلنغ

Aerojet Rocketdyne وL3 Harris: رواد ابتكار محركات ستيرلنغ

تمثل محركات ستيرلنغ تطبيقًا متخصصًا في توليد الطاقة، ولكنها لا تزال سوق بقيمة 1.17 مليار دولار في عام 2025، ومن المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مركب بنسبة 8.5% حتى عام 2029، ليصل إلى 1.62 مليار دولارومع ذلك، هناك عدد قليل من الشركات العاملة في هذا القطاع مدرجة في البورصة.

Aerojet Rocketdyne، أحد فروع شركة L3 Harris للمقاولات الفضائية والدفاعية، يتعاون مع شركاء مثل وكالة ناسا و شركة صن باور. لتطوير محركات ستيرلنغ لتطبيقات الفضاء.

تم الاستحواذ على شركة Aerojet Rocketdyne بواسطة شركة L3 Harris في يوليو 2023 بمبلغ 4.7 ​​مليار دولار، بإضافة 4^th قسم للشركة.

شركة Sunpower Inc (لعدم التناقض مع شركة Sunpower، شركة الألواح الشمسية) (SPWR )) هو مخترع التصميم المتقدم لمحرك ستيرلنغ: محرك ستيرلينغ ذو المكبس الحر (FPSE)يمكن استخدام FPSE لإنتاج الطاقة من الحرارة وللتبريد باستخدام الطاقة.

هذه التكنولوجيا قابلة للتطبيق بشكل خاص على أنظمة الطاقة بالنظائر المشعة (RPS)يستخدم هذا المحرك التحلل الطبيعي للمواد المشعة لتوليد الحرارة، التي يحولها محرك ستيرلنغ إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام. ومن المشاريع الرئيسية لمثل هذا المحرك تشغيل المعدات على القمر، أو حتى قاعدة قمرية صغيرة.

المصدر وكالة ناسا

لقد كانت وكالة ناسا مهتمة بمحركات ستيرلنغ منذ فترة طويلة الآن، وذلك بفضل موثوقيتها، وعملياتها الخالية من الصيانة، وعمرها الطويل، وخاصة مع مولد ستيرلنغ المشع المتقدم (ASRG).

إلى جانب محركات ستيرلنغ القمرية، تُعدّ شركة L3 Harris شركةً عسكريةً وفضائيةً رائدة. وقد حققت 60% من إيراداتها من وزارة الدفاع الأمريكية، و20% من طلبات الدفاع الدولية، و20% من الصناعات المدنية.

والجدير بالذكر أن شركة هاريس تسيطر على 45% من سوق أجهزة الراديو التكتيكية العالمية، وهو ما يزيد عدة مرات عن المنافس التالي.

بخصوص أنظمة غير مأهولة، L3Harris لديه طائرة بدون طيار ذات إقلاع عمودي، FVR-90أطلقت حملة قارب شادوفوكس البحري المستقل (طوله 13 مترًا)، عائلة الطائرات بدون طيار تحت الماء ايفر, وهو المقاول الرئيسي لعقد البحرية الأمريكية الأول الكبير المركبة السطحية المتوسطة بدون طيار (MUSV).

تعد شركة Aerojet أيضًا مطورًا للصواريخ الأسرع من الصوت وأنظمة الصواريخ الأخرى.

بشكل عام، تعد شركة L3 Harris شركة رائدة في مجال التكنولوجيا عندما يتعلق الأمر بالأنظمة المستقلة والصواريخ وأنظمة الطاقة الفضائية، مع خبرة فنية قوية في العقود المدنية والعسكرية.

أحدث أخبار وتطورات سهم L3 Harris (LHX)

الدراسة المرجعية

^{1. تريستان جيه ديب وجيريمي إن مونداي. توليد الطاقة الميكانيكية باستخدام الإشعاع المحيط بالأرض. تقدم العلوم. ١٢ نوفمبر ٢٠٢٥. المجلد ١١، العدد ٤٦. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833}