Sähkön tuottaminen maapallon ympäristön lämpösäteilyn avulla

Lämpötilagradientit napauttamalla

Useimmat sähköntuotantomenetelmämme perustuvat lämpötilaeroon. Tämä syntyy usein lämmittämällä yhtä osaa fossiilisten polttoaineiden (hiilen, öljyn, kaasun) polttamisen, ydinfissiolla, syvällä maan alla poraamisen (maalämpö) tai auringonvalon keskittämisen (keskitetty aurinkoenergia) avulla.

Tätä lämpötilaeroa käytetään sitten veden tai muun nesteen (kuten sulan suolan) lämmittämiseen sähköä tuottavan turbiinin aktivoimiseksi.

Vaikka auringonvalon (aurinkosähkö) tai luonnollisten liikkeiden (tuulivoima, vesivoima, vuorovesi) suora talteenotto on myös mahdollista, lämpötilagradienttit ovat yleisin sähköntuotannon muoto höyrykoneen ajoista nykypäivään.

Toinen teoreettisesti hyödynnettävissä oleva lämpögradientti on Maan ja ulkoavaruuden välinen lämpötilaero.

Maan keskimääräinen pintalämpötila on noin 15 °C, kun taas ulkoavaruudessa se on −270 °C. Tämä valtava teoreettinen lämpötilaero on pitkään kiehtonut tutkijoita, mutta sen hyödyntäminen on kaikkea muuta kuin triviaalia.

Lämmön lähettäminen avaruuteen

Lämpösäteilyn aallonpituuksilla 8–13 μm ilmakehä on täysin läpinäkyvä ja päästää Maan lämmön karkaamaan avaruuteen. Tämä on tärkein mekanismi, jonka ansiosta planeettamme jäähtyy saatuaan energiaa auringosta.

Teoriassa moottori, joka pystyy säteilemään tällä aallonpituudella tai riittävän lähellä sitä olevalla taajuudella viileämpään taivaaseen (verrattuna maahan), voisi tuottaa sähköä ympäristön lämpötilasta.

Itse asiassa tämä menetelmä on jo osoitettu joko matalan aukon puolijohdekomponenteilla tai termoelektrisillä generaattoreilla. Nämä menetelmät eivät kuitenkaan ole käytännöllisiä taloudelliseen sähköntuotantoon alhaisen tehonsa ja harvinaisten maametallien tarpeen vuoksi.

Mutta Kalifornian yliopistossa työskentelevät tiedemiehet Tristan J. Deppe ja Jeremy N. Munday ovat saattaneet löytää vaihtoehdon käyttämällä Stirling-moottoreita. He julkaisivat työnsä arvostetussa tieteellisessä aikakauslehdessä Science.¹, otsikon alla "Mekaaninen energiantuotanto Maan ympäristön säteilyn avulla".

Stirling-moottorit selitettynä

Vaikka useimpia lämpötilaeroja käytetään sähkön tuottamiseen höyryllä liikutettavilla turbiineilla, vaihtoehto on Stirling-moottori.

Nämä moottorit luovat mekaanisen liikkeen, kun moottorin toinen puoli on kuumempi tai kylmempi kuin toinen.Toisin kuin polttomoottorit tai turbiinit, se ei vaadi materiaalin polttamista.

Mekaaninen liike voidaan sitten muuntaa sähköksi yksinkertaisella vaihtovirtageneraattorilla.

Stirling-moottorit ovat huomattavan kestäviä, vaikkakin suhteellisen painavia, mikä rajoittaa niiden käyttöä kuljetuksessa.

Niiden tuotto on myös hieman turbiineja alhaisempi, mikä selittää, miksi niitä ei yleisesti käytetä lämpö- tai ydinvoimaloissa. Ne voivat kuitenkin toimia jopa pienellä lämpötilagradientilla, kun taas turbiinit vaativat satojen asteiden eron kuuman ja kylmän välillä.

Kuinka Stirling-moottorit talteenottavat ympäristön lämpöenergiaa

Tässä käytetyllä ympäristön lämpöenergian tuotannon peruskonseptilla on kaksi osaa:

• Moottorin pohjalevy on suorassa lämpökosketuksessa maan pintaan.
• Ylälevy on optisesti kytketty taivaaseen.

Moottorin yläosan ilmaan vapautuvan lämmön hallitsemiseksi käytetään infrapunasäteilyä emittoivaa maalia.

Lähde: Tiede ennakot

Tämä menetelmä hyödyntää maan ja ilman välistä pientä lämpötilaeroa, erityisesti yöllä, jonka vain Stirling-moottori pystyy hyödyntämään liikkeeksi/energiaksi.

Konseptidemonstraatiomme yhdistää moottorin säteilevästi taivaaseen ja tuottaa yli 400 mW/m2 jatkuvaa tehoa Maahan koko yön.

Testaus tosielämän olosuhteissa

Menetelmää testattiin Davisissa, Kaliforniassa, 10 °C:n lämpötilaeroilla ja moottorin vauhtipyörän 1 Hz:n pyörimisnopeudella. Testejä suoritettiin ympäri vuoden, ja suurin osa ajasta oli käytössä, vaikka talvi sateisine ja pilvisine sääolosuhteineen oli vähemmän tehokas. Absoluuttista lämpötilaa enemmän ilman kosteuspitoisuus vaikuttaa järjestelmän tehokkuuteen eniten.

Lähde: Tiede ennakot

Korkean kosteuden olosuhteissa päivä- ja yölämpötilojen välinen ero pienenee ilmakehän korkeiden vesipitoisuuksien vuoksi, mikä vähentää säteilyjäähdytystehoa ja vaikuttaa kokonaisenergiapotentiaaliin.

Ympäristön energiapotentiaalin kartoitus

Kokeellisten tulostensa avulla tiedemiehet jatkoivat mallintamaan alueita, joilla oli paras potentiaali keksinnölleen.

He tekivät muutamia johtopäätöksiä:

• Tehotiheys on korkein kuivilla alueilla ja vuoristoissa, missä alaspäin suuntautuva säteily on vähiten.
• Korkeamman kosteuden alueilla on alhaisempi energiapotentiaali.
• Sähköntuotanto on lähellä nollaa tiheästi metsäisillä alueilla, joilla lisääntynyt kosteus estää jäähdytintä tehokkaasti säteilemästä lämpöä taivaalle.

Näiden tietojen avulla he loivat kartan, joka näyttää maapallon alueet, joilla on parhaat mahdollisuudet ottaa käyttöön ympäristön säteilymoottoreita.

Lähde: Tiede ennakot

Parhaan potentiaalin alueet ovat:

• Saharan Afrikka.
• Euraasian aro.
• Etelämanner kesällä.
• Yhdysvaltain länsirannikon sisämaa-alueet.
• Andien vuoret
• Tiibetin ylänkö.

Tulevat parannukset

Pyyhkäise vierittääksesi →

Tämä työ oli hyvin pitkälti konseptin toimivuuden todistus, joten useita suunnitteluelementtejä voitaisiin parantaa.

Ensimmäinen tekijä olisi säteilyjäähdytystehon parantaminen. Tämä voitaisiin saavuttaa käyttämällä räätälöityä säteilyjäähdytysmateriaalia kaupallisen maalin sijaan.

Toinen elementti olisi lisätä johtavaa kytkentää maahan esimerkiksi käyttämällä suurempaa kosketuspinta-alaa ja korkeamman lämmönjohtavuuden omaavia materiaaleja, kuten kuparia.

Suurempi moottori voisi myös lisätä kokonaistehoa ja hyötysuhdetta. Heliumin tai vedyn käyttäminen ilman sijaan Stirling-moottorin männässä voisi myös vähentää kitkaa ja lisätä saantoa.

Lopuksi, teollinen sivilisaatiomme tuottaa merkittävää hukkalämpöä muun muassa kasvihuoneista, tehtaista, LVI-järjestelmistä ja talvella lämmitetyistä asuinrakennuksista. Tämä voi lisätä maan ja taivaan välistä lämpötilaeroa huomattavasti, mikä tehostaa energiantuotantoa.

Käytännössä 35–40 °C:n lämpötilaero voi tuottaa lähes neljä kertaa enemmän tehoa verrattuna 15 °C:n lämpötilaeroon.

Lähde: Tiede ennakot

Kohti "käänteisiä aurinkopaneeleja"

Koska tämä rakenne toimii parhaiten yöllä (vaikka se voisi toimia myös päivällä suunnittelumuutoksilla), se näyttää olevan hyvä täydennys aurinkosähköpaneeleille.

Se voisi olla myös loistava tapa maksimoida hukkalämmön hyödyntäminen, olipa se peräisin muista energiantuotantomuodoista, teollisista prosesseista, rakennusten (toimistot, asunnot, talot) lämmittämisestä tai kasvihuoneista.

Lopuksi se voitaisiin suunnitella rakennuksiin asennettavaksi lisäjäähdytysmenetelmäksi, jossa järjestelmä absorboi lämpöä ja säteilee sen takaisin avaruuteen.

Jos sitä käytettäisiin riittävän laajassa mittakaavassa, se voisi jopa tuottaa sähköä ja samalla vähentää maapallon kokonaislämpöä, mikä on melko ainutlaatuista verrattuna kaikkiin muihin sähköntuotantomenetelmiin.

Stirling-moottoriyritykset

Aerojet Rocketdyne ja L3 Harris: Johtavat Stirling-moottorien innovaattorit

Stirling-moottorit ovat energiantuotannon marginaalinen sovellus, mutta niitä käytetään edelleen. 1.17 miljardin dollarin markkinat vuonna 2025, joiden odotetaan kasvavan 8.5 %:n vuotuisella kasvuvauhdilla vuoteen 2029 mennessä ja saavuttavan 1.62 miljardin dollarin rajanKuitenkin vain harvat alalla toimivat yritykset ovat julkisesti listattuja.

Aerojet Rocketdyne, ilmailu- ja puolustusalan urakoitsija L3 Harrisin sivuliike, tekee yhteistyötä kumppaneiden, kuten NASAn ja SunPower Oykehittää Stirling-moottoreita avaruussovelluksiin.

L3 Harris osti Aerojet Rocketdynen vuonna Heinäkuu 2023 hintaan 4.7 miljardia dollaria, lisäämällä 4^th osasto yritykselle.

Sunpower Inc (jotta se ei ole sama asia kuin aurinkopaneeliyhtiö Sunpower) (SPWR )) on Stirling-moottorin edistyneen suunnittelun keksijä: Vapaamäntäinen Stirling-moottori (FPSE)FPSE:tä voidaan käyttää sekä sähkön tuottamiseen lämmöstä että jäähdyttämiseen sähkön avulla.

Tämä teknologia soveltuu erityisesti Radioisotooppivoimajärjestelmät (RPS), joka hyödyntää radioaktiivisen aineen luonnollista hajoamista lämmön tuottamiseen, jonka Stirling-moottori muuntaa käyttökelpoiseksi sähköenergiaksi. Yksi tällaisen moottorin merkittävä projekti olisi Kuun laitteiden tai jopa pienen kuutukikohdan voimanlähteenä.

Lähde: NASA

NASA on ollut kiinnostunut Stirling-moottoreista jo pitkään niiden luotettavuuden, huoltovapaan toiminnan ja pitkän käyttöiän ansiosta, erityisesti edistyneen Stirling-radioisotooppigeneraattorin (ASRG) ansiosta.

Kuun Stirling-moottoreiden lisäksi L3 Harris on merkittävä sotilas- ja ilmailualan yritys. Sen tuloista 60 % tuli Yhdysvaltain puolustusministeriöltä, 20 % kansainvälisistä puolustustilauksista ja 20 % siviiliteollisuudesta.

Merkillepantavaa on, että Harris hallitsee 45 % taktisten radioiden maailmanlaajuisista markkinoista, mikä on useita kertoja enemmän kuin seuraava kilpailija.

suhteen miehittämättömät järjestelmät, L3Harrisilla on pystysuoraan nousuun lähtevä drone, FVR-90, The meriautonominen vene Shadowfox (13 metriä pitkä), vedenalaisten droonien perhe Iver, ja on pääurakoitsija Yhdysvaltain laivaston ensimmäisessä merkittävässä sopimuksessa MUSV (Medium Unmanned Surface Vehicle).

Aerojet kehittää myös hyperääniohjuksia ja muita ohjusjärjestelmiä.

Kaiken kaikkiaan L3 Harris on johtava teknologiayritys autonomisten järjestelmien, rakettitekniikan ja ilmailu- ja avaruusenergiajärjestelmien alalla, ja sillä on vankka tekninen asiantuntemus sekä siviili- että sotilassopimuksista.

Viimeisimmät L3 Harrisin (LHX) osakeuutiset ja kehitys

Viitattu tutkimus

^{1. Tristan J. Deppe ja Jeremy N. Munday. Mekaaninen energiantuotanto Maan ympäristön säteilyn avullaScience Advances. 12. marraskuuta 2025. Nide 11, numero 46. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833}