Geração de energia utilizando a radiação térmica ambiente da Terra

Aproveitando os gradientes de temperatura

A maioria dos nossos métodos de geração de energia depende de uma diferença de temperatura. Essa diferença é frequentemente criada pelo aquecimento de uma parte do corpo através da combustão de combustíveis fósseis (carvão, petróleo, gás), fissão nuclear, perfuração em grandes profundidades (energia geotérmica) ou concentração da luz solar (energia solar concentrada).

Essa diferença térmica é então usada para aquecer água ou outro líquido (como sal fundido) para ativar uma turbina que gera eletricidade.

Assim, embora a captação direta da luz solar (energia fotovoltaica) ou de movimentos naturais (energia eólica, hidroelétrica, das marés) também seja uma possibilidade, os gradientes térmicos são a forma mais comum de geração de energia, desde os tempos da máquina a vapor até hoje.

Outro gradiente térmico que poderia ser explorado teoricamente é a diferença de temperatura entre a Terra e o espaço sideral.

A temperatura média da superfície da Terra é de aproximadamente 15°C (59°F), enquanto o espaço sideral está a −270°C (−454°F). Essa enorme diferença térmica teórica intriga os pesquisadores há muito tempo, mas explorá-la está longe de ser trivial.

Emitindo calor para o espaço

Para a radiação térmica em comprimentos de onda entre 8 e 13 μm, a atmosfera é totalmente transparente e permite que o calor da Terra escape para o espaço. Este é o principal mecanismo que permite que nosso planeta esfrie após receber energia do Sol.

Em teoria, um motor capaz de emitir nesse comprimento de onda, ou em uma frequência suficientemente próxima que emita energia para a atmosfera mais fria (em comparação com o solo), poderia gerar eletricidade a partir da temperatura ambiente.

Na verdade, esse método já foi demonstrado, utilizando dispositivos semicondutores de baixo gap ou geradores termoelétricos. Mas esses métodos não são práticos para a geração de energia econômica devido à sua baixa potência de saída e à necessidade de elementos de terras raras.

Mas os cientistas Tristan J. Deppe e Jeremy N. Munday, da Universidade da Califórnia, podem ter encontrado uma alternativa usando motores Stirling. Eles publicaram seu trabalho na prestigiada revista científica Science.¹, Sob o título "Geração de energia mecânica utilizando a radiação ambiente da Terra.".

Motores Stirling: Uma Explicação

Embora a maioria das diferenças de temperatura seja usada para gerar energia com turbinas movidas a vapor, uma alternativa é o motor Stirling.

Esses motores criam um movimento mecânico quando um lado do motor está mais quente ou mais frio que o outro.Ao contrário dos motores de combustão interna ou das turbinas, não requer a queima de nenhum material.

O movimento mecânico pode então ser convertido em eletricidade com um alternador simples.

Os motores Stirling são notavelmente duráveis, embora relativamente pesados, o que limita suas aplicações no setor de transportes.

Seu rendimento também é ligeiramente inferior ao das turbinas, o que explica por que não são comumente usadas em usinas termelétricas ou nucleares. No entanto, elas podem funcionar mesmo com um pequeno gradiente de temperatura, enquanto as turbinas exigem centenas de graus de diferença entre o quente e o frio.

Como os motores Stirling capturam a energia térmica ambiente

O conceito básico de geração de energia térmica ambiente utilizado aqui possui 2 componentes:

• A placa inferior do motor está em contato térmico direto com a superfície da Terra.
• A placa superior está acoplada opticamente ao céu.

Para controlar a emissão de calor para o ar na parte superior do motor, utiliza-se uma tinta emissora de infravermelho.

Fonte: Os avanços da ciência

Este método aproveita a pequena diferença de temperatura entre o solo e o ar, especialmente à noite, que apenas um motor Stirling é capaz de converter em movimento/energia.

Nossa demonstração de prova de conceito acopla radiativamente o motor ao céu e fornece >400 mW/m2 de potência contínua na Terra durante toda a noite.

Testes em condições reais

O método foi testado em Davis, Califórnia, com diferenças de temperatura de 10°C (18°F) e uma rotação de 1 Hz do volante do motor. Os testes foram realizados ao longo do ano, com a maior parte do período em funcionamento, embora o inverno com chuva e céu nublado tenha apresentado menor eficiência. Mais do que a temperatura absoluta, é o teor de umidade do ar que mais afeta a eficiência deste sistema.

Fonte: Os avanços da ciência

Em condições de alta umidade, a diferença entre as temperaturas diurnas e noturnas é reduzida devido às altas concentrações de água na atmosfera, o que diminui a capacidade de resfriamento radiativo, impactando o potencial energético geral.

Mapeamento do Potencial de Energia Ambiente

Utilizando os resultados experimentais, os cientistas passaram a modelar as áreas com maior potencial para sua invenção.

Eles chegaram a algumas conclusões:

• A densidade de potência é maior em regiões áridas e cadeias montanhosas, onde a radiação descendente é menor.
• Áreas com maior umidade apresentam menor potencial energético.
• A geração de energia é próxima de zero em regiões densamente florestadas, onde o aumento da umidade impede que o resfriador dissipe o calor para a atmosfera de forma eficaz.

Utilizando esses dados, eles criaram um mapa mostrando as áreas da Terra com o melhor potencial para implantar motores Stirling de radiação ambiente.

Fonte: Os avanços da ciência

As regiões com maior potencial são:

• África subsaariana.
• A estepe eurasiática.
• Antártica durante o verão.
• Regiões do interior da costa oeste dos EUA.
• Os Andes
• O planalto tibetano.

Melhorias futuras

Deslize para rolar →

Este trabalho foi essencialmente uma prova de conceito, portanto, vários elementos de design poderiam ser aprimorados.

O primeiro elemento seria melhorar a capacidade de resfriamento radiativo. Isso poderia ser alcançado utilizando um material de resfriamento radiativo específico em vez de tinta comercial.

O segundo elemento seria aumentar o acoplamento condutivo com a Terra, por exemplo, utilizando uma área de superfície de contato maior e materiais com maior condutividade térmica, como o cobre.

Um motor maior também poderia aumentar a potência total e a eficiência. O uso de hélio ou hidrogênio em vez de ar no pistão do motor Stirling também poderia reduzir o atrito e aumentar o rendimento.

Por fim, nossa civilização industrial gera uma quantidade significativa de calor residual proveniente de estufas, fábricas, sistemas de climatização e edifícios residenciais aquecidos no inverno, entre outras fontes. Isso pode aumentar consideravelmente a diferença de temperatura entre o solo e o céu, impulsionando a produção de energia.

Na prática, uma diferença de temperatura de 35-40°C (72°F) pode gerar quase 4 vezes mais energia em comparação com uma diferença de 15°C.

Fonte: Os avanços da ciência

Em direção aos “Painéis Solares Reversos”

Como esse projeto funciona melhor à noite (embora também possa funcionar durante o dia com algumas alterações), ele parece ser um bom complemento para painéis solares fotovoltaicos.

Também pode ser uma ótima maneira de maximizar o uso do calor residual, seja proveniente de outras formas de geração de energia, processos industriais, edifícios aquecidos (escritórios, apartamentos, casas) ou estufas.

Por fim, poderia ser projetado como um método de resfriamento adicional para instalação em edifícios, com o sistema absorvendo o calor e irradiando-o de volta para o espaço.

Se implantado em escala suficientemente grande, poderia até gerar energia e, ao mesmo tempo, reduzir o calor absorvido pela Terra, o que é bastante singular em comparação com todos os outros métodos de geração de energia.

Empresas de motores Stirling

Aerojet Rocketdyne e L3 Harris: empresas líderes em inovação de motores Stirling

Os motores Stirling são uma aplicação de nicho na geração de energia, mas ainda são um mercado de US$ 1.17 bilhão em 2025, com previsão de crescimento a uma taxa composta anual de 8.5% até 2029, atingindo US$ 1.62 bilhão.No entanto, poucas empresas atuantes no setor têm ações negociadas em bolsa.

Aerojet rocketdyne, uma divisão da empreiteira aeroespacial e de defesa L3 Harris, está colaborando com parceiros como a NASA e SunPower Inc...para desenvolver motores Stirling para aplicações espaciais.

A Aerojet Rocketdyne foi adquirida pela L3 Harris em Julho de 2023 por US$ 4.7 bilhões, adicionando um 4^th departamento para a empresa.

Sunpower Inc (para não haver discrepância com Sunpower, a empresa de painéis solares) (SPWR )) é o inventor de um projeto avançado de motor Stirling: Motor Stirling de Pistão Livre (FPSE)O FPSE pode ser usado tanto para gerar energia a partir do calor quanto para resfriar usando energia.

Essa tecnologia é especialmente aplicável a Sistemas de energia de radioisótopos (RPS)que utiliza o decaimento natural de material radioativo para gerar calor, o qual o motor Stirling converte em energia elétrica utilizável. Um projeto importante para esse motor seria alimentar equipamentos na Lua, ou mesmo uma pequena base lunar.

Fonte: NASA

A NASA demonstra interesse nos motores Stirling há muito tempo, devido à sua confiabilidade, operação sem necessidade de manutenção e longa vida útil, especialmente no caso do Gerador Avançado de Radioisótopos Stirling (ASRG).

Além dos motores Stirling lunares, a L3 Harris é uma importante empresa militar e aeroespacial. Ela gerou 60% de sua receita do Departamento de Defesa dos EUA (DoD), 20% de encomendas internacionais de defesa e 20% da indústria civil.

Notavelmente, a Harris controla 45% do mercado global de rádios táticos, uma participação várias vezes maior que a do seu concorrente mais próximo.

A respeito de sistemas não tripulados, L3Harris tem um drone de decolagem vertical, o FVR-90, barco autônomo marinho Shadowfox (13m de comprimento), a família de drones subaquáticos Iver, e é o principal contratante do primeiro grande contrato concedido pela Marinha dos EUA para o Veículo Médio de Superfície Não Tripulado (MUSV).

A Aerojet também desenvolve mísseis hipersônicos e outros sistemas de mísseis.

De forma geral, a L3 Harris é uma empresa líder em tecnologia quando se trata de sistemas autônomos, foguetes e sistemas de energia aeroespacial, com sólida experiência técnica tanto para contratos civis quanto militares.

Últimas notícias e desenvolvimentos sobre as ações da L3 Harris (LHX)

Estudo Referenciado

^{1. Tristan J. Deppe e Jeremy N. Munday. Geração de energia mecânica utilizando a radiação ambiente da Terra.Avanços Científicos. 12 de novembro de 2025. Vol. 11, Edição 46. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833}