توليد الطاقة باستخدام الإشعاع الحراري المحيط للأرض

استغلال تدرجات الحرارة

معظم طرق توليد الطاقة لدينا تعتمد على فرق درجة الحرارة. غالبًا ما يتم إنشاء هذا الفرق عن طريق تسخين جزء ما من خلال احتراق الوقود الأحفوري (الفحم، النفط، الغاز)، الانشطار النووي، الحفر عميقًا تحت الأرض (الطاقة الحرارية الأرضية)، أو تركيز ضوء الشمس (الطاقة الشمسية المركزة).

ثم يُستَخدم هذا الفرق الحراري لتسخين الماء أو سائل آخر (مثل الملح المنصهر) لتشغيل توربين يولد الكهرباء.

لذلك، بينما يُعَدّ التقاط ضوء الشمس مباشرة (الخلايا الفوتوفولطية) أو الحركات الطبيعية (طاقة الرياح، الطاقة الكهرومائية، المدية) خيارًا ممكنًا، فإن تدرجات الحرارة هي الشكل الأكثر شيوعًا لتوليد الطاقة، منذ أيام محرك البخار وحتى اليوم.

تدرج حراري آخر يمكن استغلاله نظريًا هو الفرق في درجة الحرارة بين الأرض والفضاء الخارجي.

متوسط درجة حرارة سطح الأرض حوالي 15°C (59°F)، بينما الفضاء الخارجي يظل عند −270°C (−454°F). هذا الفرق الحراري النظري الهائل أثار اهتمام الباحثين لفترة طويلة، لكن استغلاله ليس بالأمر السهل.

إطلاق الحرارة إلى الفضاء

بالنسبة للإشعاع الحراري عند أطوال موجية بين 8 و13 ميكرومتر، تكون الغلاف الجوي شفافًا تمامًا ويسمح لحرارة الأرض بالهروب إلى الفضاء. هذه هي الآلية الرئيسية التي تمكّن كوكبنا من التبريد بعد استلام الطاقة من الشمس.

نظريًا، يمكن لمحرك قادر على الانبعاث عند هذا الطول الموجي، أو تردد قريب منه يُصدر طاقة إلى السماء الأبرد (مقارنة بالأرض)، أن يولد كهرباء من درجة الحرارة المحيطة.

في الواقع، تم بالفعل إثبات هذه الطريقة باستخدام إما أجهزة شبه موصل ذات فجوة منخفضة أو مولدات حرارية كهربائية. لكن هذه الأساليب غير عملية لتوليد الطاقة اقتصاديًا بسبب انخفاض إنتاجها للطاقة والحاجة إلى عناصر الأرض النادرة.

لكن العلماء ترستان ج. ديبي وجيريمي ن. مونداي، العاملين في جامعة كاليفورنيا، قد يكونان قد وجدا بديلاً باستخدام محركات ستيرلينغ. نشروا عملهم في المراجعة العلمية المرموقة Science¹، تحت عنوان “توليد الطاقة الميكانيكية باستخدام إشعاع الأرض المحيطي”.

شرح محركات ستيرلينغ

هذه المحركات تُحدث حركة ميكانيكية عندما يكون أحد جانبي المحرك أكثر حرارة أو برودة من الآخر. على عكس محركات الاحتراق الداخلي أو التوربينات، لا تحتاج إلى حرق أي مادة.

يمكن بعد ذلك تحويل الحركة الميكانيكية إلى كهرباء باستخدام مولد بسيط.

محركات ستيرلينغ متينة بشكل ملحوظ، رغم أنها ثقيلة نسبيًا، مما يحد من تطبيقاتها في النقل.

كفاءتها أيضًا أقل قليلاً من كفاءة التوربينات، مما يفسر لماذا لا تُستخدم عادةً في محطات الطاقة الحرارية أو النووية. ومع ذلك، يمكنها العمل حتى مع فرق حرارة صغير، بينما تتطلب التوربينات مئات الدرجات من الفرق بين الساخن والبارد.

كيف يلتقط محرك ستيرلينغ الطاقة الحرارية المحيطة

المفهوم الأساسي لتوليد الطاقة الحرارية المحيطة المستخدم هنا يتضمن عنصرين:

• الصفيحة السفلية للمحرك على اتصال حراري مباشر بسطح الأرض.
• الصفيحة العلوية مرتبطة بصريًا بالسماء.

لإدارة انبعاث الحرارة إلى الهواء للجزء العلوي من المحرك، يُستخدم طلاء مشع بالأشعة تحت الحمراء.

المصدر: Science Advances

تستفيد هذه الطريقة من الفرق الصغير في درجة الحرارة بين الأرض والهواء، خاصةً في الليل، حيث يستطيع محرك ستيرلينغ فقط تحويله إلى حركة/طاقة.

تُظهر تجربة إثبات المفهوم لدينا أن المحرك مرتبط إشعاعياً بالسماء ويُوفر أكثر من 400 ميتاواط/م² من الطاقة المستمرة على الأرض طوال الليل.

اختبار في ظروف الحياة الواقعية

تم اختبار الطريقة في ديفيس، كاليفورنيا، مع فروق حرارة قدرها 10°C (18°F) ودوران عجل محرك بسرعة 1 هرتز. أُجري الاختبار على مدار السنة، حيث عملت معظم الفترات، رغم أن الشتاء مع الأمطار والغيوم كان أقل كفاءة. أكثر من درجة الحرارة المطلقة، فإن محتوى رطوبة الهواء هو ما يؤثر على كفاءة هذا النظام بشكل أكبر.

المصدر: Science Advances

في ظروف الرطوبة العالية، يقل الفرق بين درجات حرارة النهار والليل بسبب تركيزات الماء العالية في الغلاف الجوي، مما يقلل من قدرة التبريد الإشعاعي، ويؤثر على الإمكانات الطاقية الإجمالية.

رسم خريطة إمكانات الطاقة المحيطة

باستخدام نتائجهم التجريبية، قام العلماء بنمذجة المناطق التي تتمتع بأفضل إمكانات لاختراعهم.

توصلوا إلى بعض الاستنتاجات:

• كثافة الطاقة تكون أعلى في المناطق الجافة والسلاسل الجبلية، حيث يكون الإشعاع الهابط أقل.
• المناطق ذات الرطوبة العالية تكون أقل في إمكانات الطاقة.
• توليد الطاقة يكون قريبًا من الصفر في المناطق الغابية الكثيفة، حيث تمنع الرطوبة المتزايدة المبرد من تفريغ الحرارة بفعالية إلى السماء.

باستخدام هذه البيانات، أنشأوا خريطة تُظهر مناطق الأرض التي تتمتع بأفضل إمكانات لنشر محركات ستيرلينغ الإشعاعية المحيطية.

المصدر: Science Advances

المناطق التي تتمتع بأفضل إمكانات:

• أفريقيا الصحرواية.
• السهوب الأوراسية.
• أنتاركتيكا خلال الصيف.
• المناطق الداخلية لساحل غرب الولايات المتحدة.
• جبال الأنديز
• الهضبة التبتية.

تحسينات مستقبلية

اسحب للتمرير →

كان هذا العمل في الأساس إثبات مفهوم، لذا يمكن تحسين عدة عناصر تصميمية.

العنصر الأول سيكون تحسين قدرة التبريد الإشعاعي. يمكن تحقيق ذلك باستخدام مادة تبريد إشعاعية مخصصة بدلاً من الطلاء التجاري.

العنصر الثاني سيكون زيادة التوصيل الحراري إلى الأرض، على سبيل المثال، باستخدام مساحة سطح اتصال أكبر ومواد ذات توصيل حراري أعلى مثل النحاس.

يمكن لمحرك أكبر أيضًا زيادة إجمالي إنتاج الطاقة والكفاءة. استخدام الهيليوم أو الهيدروجين بدلاً من الهواء في مكبس محرك ستيرلينغ قد يقلل الاحتكاك ويزيد العائد.

أخيرًا، تولد حضارتنا الصناعية حرارة نفايات كبيرة من الصوبات، المصانع، أنظمة التكييف، والمباني السكنية المدفأة في الشتاء، وغيرها من المصادر. يمكن لهذا أن يزيد فرق الحرارة بين الأرض والسماء بشكل كبير، مما يعزز إنتاج الطاقة.

عمليًا، يمكن لفارق حرارة يتراوح بين 35-40°C (72°F) أن يولد طاقة تقارب 4 أضعاف مقارنة بفارق 15°C.

المصدر: Science Advances

نحو “ألواح شمسية عكسية”

نظرًا لأن هذا التصميم يعمل بأفضل شكل في الليل (على الرغم من أنه يمكن أن يعمل أيضًا خلال النهار مع تعديلات في التصميم)، يبدو أنه يكمل جيدًا الألواح الشمسية الفوتوفولطية.

يمكن أن يكون أيضًا طريقة رائعة لتعظيم استخدام حرارة النفايات، سواء كانت من أشكال أخرى لتوليد الطاقة، العمليات الصناعية، المباني الدافئة (مكاتب، شقق، منازل)، أو الصوبات.

أخيرًا، يمكن تصميمه كطريقة تبريد إضافية لتثبيتها على المباني، حيث يمتص النظام الحرارة ويعيد إشعاعها إلى الفضاء.

إذا تم نشره على نطاق واسع بما يكفي، قد يولد طاقة حتى وهو يقلل من إجمالي حرارة الأرض الملتقطة، وهو أمر فريد مقارنة بجميع طرق توليد الطاقة الأخرى.

شركات محركات ستيرلينغ

أيرو جيت روكيتدين وإل 3 هاريس: رواد الابتكار في محركات ستيرلينغ

محركات ستيرلينغ هي تطبيق متخصص في توليد الطاقة، لكنها لا تزال سوقًا بقيمة 1.17 مليار دولار في 2025، من المتوقع أن ينمو بنسبة 8.5٪ CAGR حتى 2029، ليصل إلى 1.62 مليار دولار. ومع ذلك، القليل من الشركات النشطة في هذا القطاع مدرجة في البورصة.

Aerojet Rocketdyne ، فرع من مقاول الفضاء والدفاع L3 Harris، يتعاون مع شركاء مثل NASA وSunPower Inc لتطوير محركات ستيرلينغ لتطبيقات الفضاء.

تم الاستحواذ على Aerojet Rocketdyne من قبل L3 Harris في يوليو 2023 مقابل 4.7 مليار دولار، مضيفة قسمًا ^رابع إلى الشركة.

Sunpower Inc (لتجنب الخلط مع Sunpower، شركة الألواح الشمسية (SPWR )) هي مخترعة تصميم متقدم لمحرك ستيرلينغ: محرك ستيرلينغ المكبس الحر (FPSE). يمكن استخدام FPSE لإنتاج الطاقة من الحرارة وكذلك للتبريد باستخدام الطاقة.

هذه التقنية تنطبق بشكل خاص على أنظمة الطاقة المشعة (RPS)، التي تستخدم التحلل الطبيعي للمواد المشعة لتوليد حرارة، حيث يحول محرك ستيرلينغ هذه الحرارة إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام. أحد المشاريع الكبرى لهذا المحرك سيكون تزويد المعدات على القمر بالطاقة، أو حتى قاعدة قمرية صغيرة.

المصدر: NASA

لطالما اهتمت NASA بمحركات ستيرلينغ منذ فترة طويلة، بفضل موثوقيتها، عملياتها الخالية من الصيانة، وعمرها الطويل، خاصةً مع مولد ستيرلينغ المشع المتقدم (ASRG).

إلى جانب محركات ستيرلينغ القمرية، تُعد L3 Harris شركة عسكرية وفضائية كبرى. تولد 60٪ من إيراداتها من وزارة الدفاع الأمريكية (DoD)، و20٪ من أوامر الدفاع الدولية، و20٪ من الصناعات المدنية.

ومن الجدير بالذكر أن Harris تسيطر على 45٪ من سوق الراديوهات التكتيكية العالمية، وهو ما يفوق المنافس التالي بعدة مرات.

فيما يتعلق بـالأنظمة غير المأهولة، تمتلك L3Harris طائرة بدون طيار إقلاع عمودي، FVR-90، وقارب بحري ذاتي القيادة Shadowfox (طوله 13 م)، عائلة الطائرات تحت الماء Iver، وتُعد المتعهد الرئيسي لأول عقد كبير للبحرية الأمريكية بخصوص المركبة السطحية غير المأهولة المتوسطة (MUSV).

Aerojet هي أيضًا مطورة لصواريخ فائقة السرعة وأنظمة صواريخ أخرى.

بشكل عام، تُعد L3 Harris شركة تكنولوجيا رائدة عندما يتعلق الأمر بالأنظمة الذاتية، الصواريخ، وأنظمة الطاقة الفضائية، مع خبرة تقنية قوية لكل من العقود المدنية والعسكرية.

أحدث أخبار وتطورات سهم إل 3 هاريس (LHX)

الدراسة المشار إليها

^{1. Tristan J. Deppe and Jeremy N. Munday. توليد الطاقة الميكانيكية باستخدام إشعاع الأرض المحيطي. Science Advances. 12 نوفمبر 2025. المجلد 11، العدد 46. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833}