Генерація енергії з використанням теплового випромінювання навколишнього середовища Землі

Градієнти температури постукування

Більшість наших методів виробництва енергії базуються на різниці температур. Вона часто створюється нагріванням однієї частини шляхом спалювання викопного палива (вугілля, нафти, газу), ядерного поділу, буріння глибоко під землею (геотермальна енергія) або концентрування сонячного світла (концентрована сонячна енергія).

Ця теплова різниця потім використовується для нагрівання води або іншої рідини (наприклад, розплавленої солі) для активації турбіни, яка виробляє електроенергію.

Тож, хоча пряме захоплення сонячного світла (фотоелектрика) або природних рухів (енергія вітру, гідроелектрика, припливи) також є можливим, теплові градієнти є найпоширенішою формою виробництва енергії, від часів парового двигуна до сьогодні.

Ще один тепловий градієнт, який теоретично можна було б використати, — це різниця температур між Землею та космічним простором.

Середня температура поверхні Землі становить приблизно 15°C (59°F), тоді як у космосі вона становить −270°C (−454°F). Цей величезний теоретичний температурний перепад давно цікавить дослідників, але його використання — справа непростая.

Випромінювання тепла в космос

Для теплового випромінювання на довжинах хвиль від 8 до 13 мкм атмосфера повністю прозора та дозволяє теплу Землі виходити в космос. Це основний механізм, який дозволяє нашій планеті охолоджуватися після отримання енергії від Сонця.

Теоретично, двигун, здатний випромінювати на цій довжині хвилі або на досить близькій частоті, випромінюючи енергію в холодніше небо (порівняно із землею), міг би генерувати електроенергію з температури навколишнього середовища.

Фактично, цей метод вже був продемонстрований з використанням напівпровідникових приладів з низькою забороненою зоною або термоелектричних генераторів. Але ці методи не є практичними для економічного виробництва електроенергії через низьку вихідну потужність та потребу в рідкоземельних елементах.

Але вчені Трістан Дж. Деппе та Джеремі Н. Мандей, які працюють в Каліфорнійському університеті, можливо, знайшли альтернативу, використовуючи двигуни Стірлінга. Вони опублікували свою роботу в престижному науковому журналі Science.¹, під назвою «Генерація механічної енергії з використанням навколишнього випромінювання Землі".

Пояснення двигунів Стірлінга

Хоча більшість температурних перепадів використовуються для вироблення енергії за допомогою турбін, що рухаються парою, альтернативою є двигун Стірлінга.

Ці двигуни створюють механічний рух, коли одна сторона двигуна гарячіша або холодніша за іншу.На відміну від двигунів внутрішнього згоряння або турбін, він не потребує спалювання матеріалу.

Механічний рух потім можна перетворити на електрику за допомогою простого генератора змінного струму.

Двигуни Стірлінга надзвичайно довговічні, хоча й відносно важкі, що обмежує їх застосування для транспортування.

Їхня продуктивність також дещо нижча, ніж у турбін, що пояснює, чому вони не часто використовуються на теплових або атомних електростанціях. Однак вони можуть працювати навіть з невеликим градієнтом температур, тоді як турбіни потребують різниці в сотні градусів між гарячим і холодним.

Як двигуни Стірлінга захоплюють теплову енергію навколишнього середовища

Основна концепція виробництва теплової енергії навколишнього середовища, що використовується тут, має 2 компоненти:

• Нижня плита двигуна знаходиться в безпосередньому тепловому контакті з поверхнею Землі.
• Верхня пластина оптично пов'язана з небом.

Для контролю виділення тепла в повітря для верхньої частини двигуна використовується фарба, що випромінює інфрачервоне випромінювання.

джерело: Наука розвивається

Цей метод використовує невелику різницю температур між землею та повітрям, особливо вночі, яку лише двигун Стірлінга здатний перетворити на рух/енергію.

Наша демонстраційна робота, що підтверджує концепцію, радіаційно з'єднує двигун з небом і забезпечує >400 мВт/м2 безперервної потужності на Землі протягом всієї ночі.

Тестування в реальних умовах

Метод було випробувано в Девісі, Каліфорнія, за різниці температур 10°C (18°F) та частоти обертання маховика двигуна 1 Гц. Випробування проводилися протягом року, більшу частину періоду працювали, хоча зима з дощем та хмарами була менш ефективною. Найбільше на ефективність цієї системи впливає вологість повітря, ніж абсолютна температура.

джерело: Наука розвивається

В умовах високої вологості різниця між денною та нічною температурами зменшується через високу концентрацію води в атмосфері, що знижує радіаційну охолоджувальну силу, впливаючи на загальний енергетичний потенціал.

Картування потенціалу навколишньої енергії

Використовуючи результати своїх експериментів, вчені продовжили моделювати області з найкращим потенціалом для свого винаходу.

Вони зробили кілька висновків:

• Щільність потужності найвища в посушливих регіонах і гірських хребтах, де низхідне випромінювання найнижче.
• Райони з вищою вологістю мають нижчий енергетичний потенціал.
• Виробництво електроенергії близьке до нуля в густо заліснених регіонах, де підвищена вологість перешкоджає охолоджувальним пристроям ефективно відводити тепло в небо.

Використовуючи ці дані, вони створили карту, на якій зображено області Землі з найкращим потенціалом для розгортання радіаційних двигунів Стірлінга на навколишньому середовищі.

джерело: Наука розвивається

Регіони з найкращим потенціалом:

• Сахарська Африка.
• Євразійський степ.
• Антарктида влітку.
• Внутрішні регіони Західного узбережжя США.
• Анди
• Тибетське плато.

Майбутні удосконалення

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Ця робота була значною мірою перевіркою концепції, тому кілька елементів дизайну можна було покращити.

Першим елементом було б покращення потужності радіаційного охолодження. Цього можна досягти, використовуючи спеціалізований матеріал для радіаційного охолодження замість комерційної фарби.

Другим елементом було б збільшення провідного зв'язку із Землею, наприклад, шляхом використання більшої площі контактуючої поверхні та матеріалів з вищою теплопровідністю, таких як мідь.

Більший двигун також міг би збільшити загальну вихідну потужність та ефективність. Використання гелію або водню замість повітря в поршні двигуна Стірлінга також могло б зменшити тертя та збільшити продуктивність.

Зрештою, наша промислова цивілізація генерує значні відхідні теплові баки з теплиць, заводів, систем опалення, вентиляції та кондиціонування повітря, опалення житлових будівель взимку та інших джерел. Це може значно збільшити різницю температур між землею та небом, що сприятиме виробництву енергії.

На практиці, різниця температур 35-40°C (72°F) може генерувати майже в 4 рази більше енергії порівняно з різницею 15°C.

джерело: Наука розвивається

До «Зворотних сонячних панелей»

Оскільки ця конструкція найкраще працює вночі (хоча вона також може працювати вдень зі змінами в конструкції), вона, здається, є гарним доповненням до фотоелектричних сонячних панелей.

Це також може бути чудовим способом максимально використати відпрацьоване тепло, будь то від інших форм виробництва енергії, промислових процесів, теплих будівель (офісів, квартир, будинків) чи теплиць.

Зрештою, його можна було б розробити як додатковий метод охолодження для встановлення на будівлях, при цьому система поглинала б тепло та випромінювала його назад у космос.

Якщо його розгорнути у достатньо великих масштабах, він навіть зможе генерувати електроенергію, одночасно зменшуючи загальне поглинання тепла Землею, що є досить унікальним порівняно з усіма іншими методами виробництва енергії.

Компанії з виробництва двигунів Стірлінга

Aerojet Rocketdyne та L3 Harris: провідні новатори двигунів Стірлінга

Двигуни Стірлінга є нішевим застосуванням у виробництві енергії, але все ще ринок у 2025 році склав 1.17 млрд доларів США, очікується зростання на 8.5% у середньому до 2029 року, досягнувши 1.62 млрд доларів США.Однак, лише кілька компаній, що працюють у цьому секторі, котируються на біржі.

Аероджет Рокетдайн, філія аерокосмічної та оборонної компанії-підрядника L3 Harris, співпрацює з такими партнерами, як NASA та SunPower Inc.розробляти двигуни Стірлінга для космічного застосування.

Компанію Aerojet Rocketdyne придбала L3 Harris у Липень 2023 року за 4.7 млрд доларів США, додавши 4^th відділ до компанії.

Sunpower Inc (щоб не суперечити Sunpower, компанії-виробника сонячних панелей) (SPWR )) є винахідником удосконаленої конструкції двигуна Стірлінга: Вільнопоршневий двигун Стірлінга (FPSE)FPSE може використовуватися як для виробництва енергії з тепла, так і для охолодження за допомогою енергії.

Ця технологія особливо застосовується для Радіоізотопні енергетичні системи (РЕС), який використовує природний розпад радіоактивного матеріалу для вироблення тепла, яке двигун Стірлінга перетворює на корисну електричну енергію. Одним з великих проектів такого двигуна було б живлення обладнання на Місяці або навіть невеликої місячної бази.

джерело: NASA

NASA вже давно цікавиться двигунами Стірлінга завдяки їхній надійності, роботі без потреби в обслуговуванні та тривалому терміну служби, особливо з удосконаленим радіоізотопним генератором Стірлінга (ASRG).

Окрім місячних двигунів Стірлінга, L3 Harris є великою військовою та аерокосмічною компанією. 60% своїх доходів вона отримує від Міністерства оборони США (DoD), 20% – від міжнародних оборонних замовлень та 20% – від цивільної промисловості.

Примітно, що Harris контролює 45% світового ринку тактичних радіостанцій, що в кілька разів більше, ніж у наступного конкурента.

Що стосується безпілотні системи, L3Harris має дрон вертикального зльоту FVR-90, морський автономний човен Shadowfox (13 м завдовжки), сімейство підводних дронів Івер, і є головним підрядником першого великого контракту ВМС США на середній безпілотний наземний апарат (MUSV).

Aerojet також є розробником гіперзвукових ракет та інших ракетних систем.

Загалом, L3 Harris є провідною технологічною компанією, коли йдеться про автономні системи, ракетну техніку та аерокосмічні енергетичні системи, з ґрунтовним технічним досвідом як для цивільних, так і для військових контрактів.

Останні новини та події щодо акцій L3 Harris (LHX)

Посилання на дослідження

^{1. Трістан Дж. Деппе та Джеремі Н. Мандей. Генерація механічної енергії з використанням навколишнього випромінювання ЗемліДосягнення науки. 12 листопада 2025 р. Том 11, випуск 46. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833}