יצירת חשמל באמצעות קרינה תרמית סביבתית של כדור הארץ

הקשה על גרדיאנטים של טמפרטורה

רוב שיטות ייצור החשמל שלנו מסתמכות על הפרש טמפרטורות. הפרש זה נוצר לעתים קרובות על ידי חימום חלק אחד באמצעות שריפת דלקים מאובנים (פחם, נפט, גז), ביקוע גרעיני, קידוח עמוק מתחת לאדמה (גיאותרמי), או ריכוז אור שמש (סולארי מרוכז).

הפרש תרמי זה משמש לאחר מכן לחימום מים או נוזל אחר (כגון מלח מותך) כדי להפעיל טורבינה המייצרת חשמל.

אז בעוד שלכידה ישירה של אור שמש (פוטו-וולטאית) או תנועות טבעיות (אנרגיית רוח, הידרואלקטריות, גאות ושפל) היא גם אפשרות, גרדיאנטים תרמיים הם הצורה הנפוצה ביותר של ייצור חשמל, מימי מנוע הקיטור ועד היום.

גרדיאנט תרמי נוסף שניתן לנצל תיאורטית הוא הפרש הטמפרטורה בין כדור הארץ לחלל החיצון.

טמפרטורת פני השטח הממוצעת של כדור הארץ היא כ-15 מעלות צלזיוס (59 מעלות פרנהייט), בעוד שהחלל החיצון נמצא ב-270 מעלות צלזיוס (-454 מעלות פרנהייט). הפרש תרמי תיאורטי עצום זה סיקרן חוקרים זה מכבר, אך ניסיון להבין אותו רחוק מלהיות טריוויאלי.

פליטת חום לחלל

עבור קרינה תרמית באורכי גל שבין 8 ל-13 מיקרומטר, האטמוספירה שקופה לחלוטין ומאפשרת לחום כדור הארץ להיפלט לחלל. זהו המנגנון העיקרי המאפשר לכדור הארץ שלנו להתקרר לאחר קבלת אנרגיה מהשמש.

בתיאוריה, מנוע המסוגל לפלוט באורך גל זה, או בתדר קרוב מספיק הפולט אנרגיה לשמיים הקרים יותר (בהשוואה לקרקע), יוכל לייצר חשמל מטמפרטורת הסביבה.

למעשה, שיטה זו כבר הודגמה, תוך שימוש בהתקני מוליכים למחצה בעלי פער נמוך או בגנרטורים תרמואלקטריים. אך שיטות אלו אינן מעשיות לייצור חשמל כלכלי עקב תפוקת ההספק הנמוכה שלהן והצורך ביסודות אדמה נדירים.

אבל המדענים טריסטן ג'יי דפה וג'רמי נ. מנדיי, שעובדים באוניברסיטת קליפורניה, היו עשויים למצוא חלופה באמצעות מנועי סטירלינג. הם פרסמו את עבודתם בכתב העת המדעי היוקרתי Science.¹, תחת הכותרת "ייצור חשמל מכני באמצעות קרינת הסביבה של כדור הארץ".

הסבר על מנועי סטירלינג

בעוד שרוב הפרשי הטמפרטורות משמשים לייצור חשמל באמצעות טורבינות המונעות על ידי קיטור, חלופה היא מנוע סטירלינג.

מנועים אלה יוצרים תנועה מכנית כאשר צד אחד של המנוע חם או קר יותר מהשני.בניגוד למנועי בעירה פנימית או טורבינות, הוא אינו דורש שריפת חומר.

ניתן להמיר את התנועה המכנית לחשמל באמצעות אלטרנטור פשוט.

מנועי סטירלינג עמידים להפליא, אם כי כבדים יחסית, מה שמגביל את יישומיהם לתחבורה.

התפוקה שלהן נמוכה במקצת מזו של טורבינות, מה שמסביר מדוע הן אינן בשימוש נפוץ בתחנות כוח תרמיות או גרעיניות. עם זאת, הן יכולות לתפקד אפילו עם גרדיאנט טמפרטורה קטן, בעוד שטורבינות דורשות מאות מעלות של הפרש בין חום לקור.

כיצד מנועי סטירלינג לוכדים אנרגיה תרמית סביבתית

הרעיון הבסיסי של ייצור חשמל תרמי בסביבה, המשמש כאן, מורכב משני מרכיבים:

• הלוח התחתון של המנוע נמצא במגע תרמי ישיר עם פני כדור הארץ.
• הלוח העליון מחובר אופטית לשמיים.

כדי לנהל את פליטת החום לאוויר עבור החלק העליון של המנוע, נעשה שימוש בצבע הפולט קרינה אינפרא אדום.

מקור: התקדמות מדע

שיטה זו ממנפת את הפרש הטמפרטורה הקטן בין הקרקע לאוויר, במיוחד בלילה, שרק מנוע סטירלינג מסוגל ללכוד לתנועה/אנרגיה.

הדגמת הוכחת היתכנות שלנו מחברת את המנוע לשמיים באופן קרינה ומספקת >400 mW/m2 של הספק רציף על פני כדור הארץ לאורך כל הלילה.

בדיקות בתנאים אמיתיים

השיטה נבדקה בדייוויס, קליפורניה, עם הפרשי טמפרטורות של 10°C (18°F) וסיבוב של 1 הרץ של גלגל התנופה של המנוע. הבדיקות בוצעו לאורך כל השנה, כאשר רוב התקופה פעלה, אם כי חורף עם גשם ועננים היה פחות יעיל. יותר מהטמפרטורה המוחלטת, תכולת לחות האוויר היא זו שמשפיעה ביותר על יעילות המערכת.

מקור: התקדמות מדע

בתנאי לחות גבוהה, ההבדל בין טמפרטורות היום והלילה מצטמצם עקב ריכוזים גבוהים של מים באטמוספירה, דבר המפחית את עוצמת הקירור הקרינתית, ומשפיע על פוטנציאל האנרגיה הכולל.

מיפוי פוטנציאל אנרגטי סביבתי

באמצעות תוצאות הניסוי שלהם, המדענים המשיכו לדגמן את האזורים בעלי הפוטנציאל הטוב ביותר להמצאתם.

הם הסיקו כמה מסקנות:

• צפיפות ההספק היא הגבוהה ביותר באזורים צחיחים ורכסי הרים, שם הקרינה כלפי מטה היא הנמוכה ביותר.
• אזורים עם לחות גבוהה יותר הם בעלי פוטנציאל אנרגטי נמוך יותר.
• ייצור החשמל קרוב לאפס באזורים מיוערים בכבדות, שבהם לחות מוגברת מונעת מהמצנן לפלוט ביעילות חום לשמיים.

באמצעות נתונים אלה, הם יצרו מפה המציגה את האזורים בכדור הארץ בעלי הפוטנציאל הטוב ביותר לפריסה של מנועי סטירלינג קרינתיים.

מקור: התקדמות מדע

האזורים בעלי הפוטנציאל הגבוה ביותר הם:

• אפריקה הסהרה.
• הערבה האירו-אסייתית.
• אנטארקטיקה במהלך הקיץ.
• אזורים פנימיים של החוף המערבי של ארה"ב.
• הרי האנדים
• הרמה הטיבטית.

שיפורים עתידיים

החלק כדי לגלול →

עבודה זו הייתה במידה רבה הוכחת היתכנות, כך שניתן היה לשפר מספר אלמנטים עיצוביים.

המרכיב הראשון יהיה שיפור עוצמת הקירור הקרינתי. ניתן להשיג זאת באמצעות שימוש בחומר קירור קרינתי מותאם אישית במקום צבע מסחרי.

האלמנט השני יהיה להגביר את הצימוד המוליך לכדור הארץ, למשל, על ידי שימוש בשטח מגע גדול יותר וחומרים בעלי מוליכות תרמית גבוהה יותר כמו נחושת.

מנוע גדול יותר יכול גם להגדיל את תפוקת הכוח הכוללת ואת היעילות. שימוש בהליום או מימן במקום אוויר בבוכנה של מנוע סטירלינג יכול גם להפחית את החיכוך ולהגדיל את התפוקה.

לבסוף, הציוויליזציה התעשייתית שלנו מייצרת חום פסולת משמעותי מחממות, מפעלים, מערכות מיזוג אוויר ומבני מגורים מחוממים בחורף, בין היתר. זה יכול להגדיל את הפרש הטמפרטורות בין הקרקע לשמיים באופן משמעותי, ולהגביר את ייצור האנרגיה.

בפועל, הפרש טמפרטורות של 35-40 מעלות צלזיוס (72 מעלות פרנהייט) יכול לייצר כמעט פי 4 יותר הספק בהשוואה להפרש טמפרטורות של 15 מעלות צלזיוס.

מקור: התקדמות מדע

לקראת "פאנלים סולאריים הפוכים"

מכיוון שעיצוב זה פועל בצורה הטובה ביותר בלילה (אם כי הוא יכול לפעול גם במהלך היום עם שינויים בעיצוב), נראה שהוא משלים היטב פאנלים סולאריים פוטו-וולטאיים.

זוהי יכולה להיות גם דרך מצוינת למקסם את השימוש בחום פסולת, בין אם מצורות אחרות של ייצור חשמל, תהליכים תעשייתיים, מבנים חמים (משרדים, דירות, בתים) או חממות.

לבסוף, ניתן לתכנן אותו כשיטת קירור נוספת להתקנה על מבנים, כאשר המערכת סופגת חום ומקרינה אותו בחזרה לחלל.

אם ייפרס בקנה מידה גדול מספיק, הוא יוכל אפילו לייצר חשמל תוך הפחתת החום הכולל שנלכד על ידי כדור הארץ, וזה ייחודי למדי בהשוואה לכל שיטות ייצור החשמל האחרות.

חברות מנועי סטירלינג

Aerojet Rocketdyne ו-L3 Harris: מובילי חדשנות במנועי סטירלינג

מנועי סטירלינג הם יישום נישה בייצור אנרגיה, אך עדיין שוק של 1.17 מיליארד דולר בשנת 2025, צפוי לגדול בקצב צמיחה שנתי ממוצע של 8.5% עד 2029, ולהגיע ל-1.62 מיליארד דולרעם זאת, מעט חברות הפעילות בתחום נסחרות בבורסה.

Aerojet Rocketdyne, סניף של קבלן התעופה והחלל L3 Harris, משתף פעולה עם שותפים כמו נאס"א ו סאן פאוור בע"מלפתח מנועי סטירלינג עבור יישומי חלל.

אירוג'ט רוקטדיין נרכשה על ידי L3 האריס בשנת יולי 2023 תמורת 4.7 מיליארד דולר, הוספת 4^th מחלקה לחברה.

סאןפאוור בע"מ (כדי לא להתאים לסאןפאוור, חברת פאנלים סולאריים) (SPWR )) הוא ממציא מנוע סטירלינג מתקדם: מנוע סטירלינג חופשי-בוכנה (FPSE)ניתן להשתמש ב-FPSE הן לייצור חשמל מחום והן לקירור באמצעות חשמל.

טכנולוגיה זו רלוונטית במיוחד עבור מערכות חשמל רדיואיזוטופיות (RPS), המשתמש בדעיכה טבעית של חומר רדיואקטיבי כדי לייצר חום, אותו מנוע סטירלינג ממיר לאנרגיה חשמלית שמיש. פרויקט מרכזי אחד עבור מנוע כזה יהיה להפעיל ציוד על הירח, או אפילו בסיס ירחי קטן.

מקור: נאס"א

נאס"א מתעניינת במנועי סטירלינג מזה זמן רב, הודות לאמינותם, פעילותם נטולת התחזוקה וחיי היומיום שלהם, במיוחד בזכות מחולל הרדיואיזוטופים המתקדם של סטירלינג (ASRG).

מלבד מנועי סטירלינג ירחייים, L3 Harris היא חברה צבאית ותעופה גדולה. היא ייצרה 60% מהכנסותיה ממשרד ההגנה האמריקאי, 20% מהזמנות ביטחוניות בינלאומיות ו-20% מהתעשיות האזרחיות.

ראוי לציין כי האריס שולטת ב-45% משוק הרדיו הטקטי העולמי, פי כמה מהמתחרה הבא.

לגבי מערכות בלתי מאוישות, ל-L3Haris יש מזל"ט המראה אנכי, ה-FVR-90, ה סירה אוטונומית ימית Shadowfox (אורך 13 מטר), משפחת המל"טים התת ימיים אייבר, והוא הקבלן הראשי של החוזה הגדול הראשון של חיל הים האמריקאי עבור כלי השטח הבלתי מאויש הבינוני (MUSV).

אירוג'ט היא גם מפתחת של טילים היפרסוניים ומערכות טילים אחרות.

בסך הכל, L3 Harris היא חברת טכנולוגיה מובילה בכל הנוגע למערכות אוטונומיות, טילים ומערכות אנרגיה לתעופה וחלל, עם מומחיות טכנית מוצקה עבור חוזים אזרחיים וצבאיים כאחד.

חדשות והתפתחויות אחרונות על מניית L3 Harris (LHX)

מחקר שאליו התייחס

^{1. טריסטן ג'יי דפה וג'רמי נ. מאנדיי. ייצור חשמל מכני באמצעות קרינת הסביבה של כדור הארץהתקדמות מדעית. 12 בנובמבר 2025. כרך 11, גיליון 46. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833}