Как получить энергию из ночного неба: разработан двигатель, работающий на холоде космоса

Привычно энергия ассоциируется с теплом. Горение топлива, солнечные лучи, геотермальные источники — все это о нагреве. А может ли ее источником стать холод?

Именно этот вопрос лег в основу недавнего исследования, авторы которого создали устройство, генерирующее механическую энергию ночью.

Принцип работы: тепло, уходящее в космос

Работает это благодаря одному факту из физики: любой объект, температура которого выше абсолютного нуля, излучает тепло в виде инфракрасных волн. Прямо сейчас это делаете вы, ваш телефон и сама планета Земля. Днем это излучение компенсируется мощным потоком энергии от Солнца, но ночью все меняется. Земля продолжает отдавать тепло.

Куда оно уходит? Прямиком в космос.

Атмосфера задерживает часть этого тепла, но для определенных длин волн — в диапазоне от 8 до 13 микрометров — она почти прозрачна. Это явление называют атмосферным окном прозрачности. Любая поверхность, настроенная на излучение именно в этом окне, будет эффективно сбрасывать тепло в космос, температура которого составляет около -270°C. В результате эта поверхность может охладиться на несколько градусов ниже температуры окружающего воздуха.

Этот процесс называется радиационным охлаждением. В целом, ничего сложного, но как заставить этот перепад температур работать?

От идеи к механизму: как это устроено?

Исследователи взяли за основу двигатель Стирлинга. Это тепловая машина, работающая от внешнего источника тепла. Ее главная фишка — способность функционировать от очень небольшой разницы температур.

Конструкция была доработана для новой цели:

• «Холодная» сторона двигателя — это верхняя пластина, покрытая специальной краской, которая интенсивно излучает тепло в инфракрасном диапазоне. Она направлена в небо и благодаря радиационному охлаждению становится холоднее воздуха.
• «Горячая» сторона — это нижняя пластина. Она находится в тепловом контакте с землей, которая ночью сохраняет накопленное за день тепло и остается относительно теплой.

В итоге возникает стабильная разница температур между верхней и нижней пластинами. Этого достаточно, чтобы газ внутри герметичных цилиндров двигателя начал циклически расширяться и сжиматься, толкая поршни. Поршни, в свою очередь, вращают маховик. Так холод ночного неба преобразуется в чистое механическое движение.

Что показали эксперименты?

Прототип устройства тестировали в полевых условиях в Калифорнии. Результаты оказались весьма показательными.

В ясные ночи система стабильно поддерживала разницу температур между пластинами более 10°C. Этого было достаточно для непрерывной работы двигателя. Измеренная механическая мощность составила более 400 милливатт на квадратный метр излучающей поверхности. По расчетам, при оптимизации материалов и конструкции этот показатель можно поднять до 6 ватт на квадратный метр.

Самое главное — двигатель работал всю ночь, как раз в то время, когда солнечные панели бездействуют. Это доказывает, что технология может служить дополнением к солнечной энергетике.

Зачем нужна механическая энергия ночью?

Генерация электричества — не единственная цель. Во многих случаях прямое механическое действие гораздо эффективнее. Исследователи продемонстрировали это, заменив маховик двигателя на небольшой пропеллер. Устройство превратилось в автономный вентилятор.

Где это может быть полезно?

1. В теплицах. Ночью растениям необходима циркуляция воздуха для равномерного распределения углекислого газа. Такой автономный вентилятор справляется с этой задачей без затрат электроэнергии. Эксперименты показали, что он создает поток воздуха скоростью 0,3 м/с — достаточно для эффективного воздухообмена.
2. В жилых зданиях. В жарком климате ночная вентиляция помогает охлаждать помещения. Устройство способно генерировать воздушный поток, достаточный для поддержания теплового комфорта по стандартам ASHRAE (Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха).

При необходимости к двигателю можно подключить небольшой генератор постоянного тока и получать скромное количество электроэнергии — например, для зарядки датчиков или маломощной электроники.

Где это будет работать и что дальше?

Потенциал технологии напрямую зависит от климата. Наибольшую эффективность двигатель покажет в регионах с сухим воздухом и ясным небом — в пустынях, степях и на высокогорьях. Водяной пар в атмосфере частично блокирует окно прозрачности, поэтому во влажных и облачных тропических регионах его производительность будет ниже.

Пока работа демонстрирует лишь работоспособность концепции. Есть множество путей для улучшения: применение более эффективных радиационных покрытий, вакуумная изоляция для уменьшения тепловых потерь, увеличение рабочего объема самого двигателя.

Конечно, эта технология не претендует на замену электростанций. Она предлагает децентрализованный и полностью пассивный источник энергии для конкретных задач.

Источник: Science