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

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

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.

Двигатель Стирлинга, работающий на холоде, абстрактная интерпретация
Двигатель Стирлинга, работающий на холоде, абстрактная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
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.

Двигатель Стирлинга, работающий на тепле, для понимания концепции
Двигатель Стирлинга, работающий на тепле, для понимания концепции
Автор: By Paul U. Ehmer — Own work, CC BY-SA 4.0 Источник: commons.wikimedia.org
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

3 комментария

Добавить комментарий

D
Зачем городить огород, если можно энергию высасывать из планеты с глубины?
1
Температура космоса, серьезно?

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему формат DAT не стал массовым, хотя звучал идеально

В 1987 году Sony представила компактный цифровой формат записи звука на магнитную ленту Digital Audio Tape. Кассета размером примерно вдвое меньше обычной компакт-кассеты (около 73 x 54 x 10,5 мм)...

Мультиметр для автодиагностики FNIRSI TMP-610S: обзор осциллографа, цифрового генератора и тестера сигналов в одном корпусе

В одном корпусе осциллограф, цифровой генератор и тестер сигналов — такое устройство позволяет не только видеть статические значения амплитуды, но и анализировать форму сигналов,...

Обзор и тест мини-ПК Ninkear L20: Core Ultra 5 226V, Intel Arc 130V и локальный ИИ

Когда-то компактный компьютер приходилось выбирать по принципу «лишь бы хватило мощности для браузера и документов». Сейчас ситуация изменилась. В корпусе объёмом меньше литра уже можно...

Эта птица глотает кости целиком: как бородач умудряется их переваривать

Когда от погибшего животного остаются почти одни кости, для большинства падальщиков еда уже закончилась. Но бородач всё ещё может здесь пообедать. Эта крупная горная птица подбирает кости и глотает...

Зачем NASA отправило на орбиту серебристый шар размером с дом

В начале 1960-х спутниковая связь ещё была экспериментом. Инженерам предстояло выяснить, можно ли передавать через космос обычный телефонный разговор и какое оборудование для этого...

Зачем крекеру дырки: история и немного морской романтики

Крекеры — это лаконичный, но невероятно практичный продукт, который давно занял своё место в рационе многих людей. Их ценят за нейтральный вкус и приятную текстуру: они отлично оттеняют...