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

Обзор Snowsky Retro Nano: недорогой беспроводной ЦАП от FiiO

Как многим известно, компания FiiO, дабы избежать путаницы в своем модельном ряду, породила ещё один бренд: Snowsky. Делает он ровно тоже самое, с таким же железом и софтом, но в более простом...

Обход ГОСТа на ВЭФ Спидола-232: как советские радиолюбители открывали 100-метровый диапазон

ВЭФ Спидола-232 выпускал Рижский государственный электротехнический завод ВЭФ, с первого квартала 1979 года. Переносной приёмник второго класса сложности, вес 3,4 килограмма, габариты 260х360х110...

Двести лет без солнца: что скрывает легенда о Фимбульвинтере

Весна должна была прийти. Люди ждали, когда земля прогреется, взойдут посевы и скот снова можно будет выгнать на пастбища. Но солнце оставалось тусклым, лето не приносило привычного тепла, а запасы...

Клэм-чаудер: как один американский суп разделился на белую и красную версии

Клэм-чаудер кажется блюдом, которое должно пахнуть морем сильнее, чем спором. Но на северо-востоке США одна миска супа способна выдать региональную принадлежность. В Новой Англии ждут светлую...

Песок рисует звук: опыты Хладни с вибрирующими металлическими пластинами

В конце XVIII века звук можно было услышать, измерить высотой тона или описать движением струны, но почти невозможно увидеть. Эрнст Хладни нашёл способ заставить колебание оставить рисунок. Он брал...

От первого ветропарка России до завода лопастей: как Ульяновск стал столицей российской ветроэнергетики

Ульяновская область занимает особое место в истории российской ветроэнергетики. Именно здесь в 2018 году заработала первая промышленная ветроэлектростанция страны, а спустя годы регион превратился...