Generering af strøm ved hjælp af Jordens omgivende termiske stråling

Temperaturgradienter ved tapping

De fleste af vores elproduktionsmetoder er afhængige af en temperaturforskel. Denne skabes ofte ved at opvarme en del gennem forbrænding af fossile brændstoffer (kul, olie, gas), nuklear fission, boring dybt under jorden (geotermisk) eller koncentreret sollys (koncentreret solenergi).

Denne termiske forskel bruges derefter til at opvarme vand eller en anden væske (såsom smeltet salt) for at aktivere en turbine, der genererer elektricitet.

Så selvom det også er muligt at indfange sollys (solceller) eller naturlige bevægelser (vindkraft, vandkraft, tidevand), er termiske gradienter den mest almindelige form for kraftproduktion, fra dampmaskinens dage til i dag.

En anden termisk gradient, der teoretisk set kunne udnyttes, er temperaturforskellen mellem Jorden og det ydre rum.

Jordens gennemsnitlige overfladetemperatur er cirka 15°C, mens det ydre rum ligger på -270°C. Denne enorme teoretiske termiske forskel har længe fascineret forskere, men at finde den er langt fra triviel.

Udsendelse af varme til rummet

For termisk stråling ved bølgelængder mellem 8 og 13 μm er atmosfæren fuldstændig gennemsigtig og tillader Jordens varme at undslippe ud i rummet. Dette er den primære mekanisme, der tillader vores planet at køle ned efter at have modtaget energi fra Solen.

I teorien kunne en motor, der er i stand til at udsende ved denne bølgelængde, eller en tæt nok frekvens, der udsender energi til den køligere himmel (sammenlignet med jorden), generere elektricitet fra den omgivende temperatur.

Faktisk er denne metode allerede blevet demonstreret ved hjælp af enten halvlederkomponenter med lavt gap eller termoelektriske generatorer. Men disse metoder er ikke praktiske til økonomisk strømproduktion på grund af deres lave effekt og behovet for sjældne jordarter.

Men forskerne Tristan J. Deppe og Jeremy N. Munday, der arbejder ved University of California, har muligvis fundet et alternativ ved hjælp af Stirling-motorer. De har offentliggjort deres arbejde i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Science.¹, under titlen "Mekanisk kraftproduktion ved hjælp af Jordens omgivende stråling".

Stirlingmotorer forklaret

Mens de fleste temperaturforskelle bruges til at generere strøm med turbiner, der drives af damp, er et alternativ Stirling-motoren.

Disse motorer skaber en mekanisk bevægelse, når den ene side af motoren er varmere eller koldere end den anden.I modsætning til forbrændingsmotorer eller turbiner kræver den ingen afbrænding af materiale.

Den mekaniske bevægelse kan derefter omdannes til elektricitet med en simpel generator.

Stirlingmotorer er bemærkelsesværdigt holdbare, omend relativt tunge, hvilket begrænser deres anvendelse til transport.

Deres udbytte er også en smule lavere end turbiners, hvilket forklarer, hvorfor de ikke almindeligvis anvendes i termiske eller atomkraftværker. De kan dog fungere selv med en lille temperaturgradient, mens turbiner kræver hundredvis af graders forskel mellem varmt og koldt.

Hvordan Stirling-motorer opfanger omgivende termisk energi

Det grundlæggende koncept for den omgivende termiske kraftproduktion, der anvendes her, har to komponenter:

• Motorens bundplade er i direkte termisk kontakt med jordens overflade.
• Toppladen er optisk koblet til himlen.

For at styre varmeafgivelsen til luften fra den øverste del af motoren anvendes en infrarød-emitterende maling.

Kilde: Science Forskud

Denne metode udnytter den lille temperaturforskel mellem jorden og luften, især om natten, som kun en Stirling-motor er i stand til at omdanne til bevægelse/energi.

Vores proof-of-concept demonstration kobler motoren radiativt til himlen og leverer >400 mW/m2 kontinuerlig effekt på Jorden hele natten.

Testning under virkelige forhold

Metoden blev testet i Davis, Californien, med temperaturforskelle på 10°C (18°F) og en 1 Hz rotation af motorens svinghjul. Testningen blev udført hele året rundt, og det meste af perioden var i drift, selvom vinteren med regn og skyer var mindre effektiv. Mere end den absolutte temperatur er det luftfugtighedsindholdet, der påvirker systemets effektivitet mest.

Kilde: Science Forskud

Under forhold med høj luftfugtighed reduceres forskellen mellem dag- og nattemperaturer på grund af høje vandkoncentrationer i atmosfæren, hvilket reducerer strålingens køleeffekt og påvirker det samlede energipotentiale.

Kortlægning af omgivende energipotentiale

Ved hjælp af deres eksperimentelle resultater modellerede forskerne de områder med det bedste potentiale for deres opfindelse.

De drog et par konklusioner:

• Effekttætheden er højest i tørre områder og bjergkæder, hvor nedadgående stråling er lavest.
• Områder med højere luftfugtighed har lavere energipotentiale.
• Elproduktionen er tæt på nul i tæt skovklædte områder, hvor øget luftfugtighed forhindrer køleren i effektivt at udlede varme til himlen.

Ved hjælp af disse data skabte de et kort, der viser de områder af Jorden med det bedste potentiale til at anvende Stirling-motorer, der bruger omgivende radiation.

Kilde: Science Forskud

De regioner med det bedste potentiale er:

• Sahara-Afrika.
• Den eurasiske steppe.
• Antarktis om sommeren.
• Indlandsregionerne på den amerikanske vestkyst.
• Andesbjergene
• Det tibetanske plateau.

Fremtidige forbedringer

Stryg for at scrolle →

Dette arbejde var i høj grad et proof-of-concept, så flere designelementer kunne forbedres.

Det første element ville være at forbedre den radiative køleeffekt. Dette kunne opnås ved at bruge et skræddersyet radiativt kølemateriale i stedet for kommerciel maling.

Det andet element ville være at øge den ledende kobling til Jorden, for eksempel ved at bruge et større kontaktoverfladeareal og materialer med højere varmeledningsevne som kobber.

En større motor kunne også øge den samlede effekt og effektivitet. Brug af helium eller brint i stedet for luft i Stirling-motorens stempel kunne også reducere friktion og øge udbyttet.

Endelig genererer vores industrielle civilisation betydelig spildvarme fra drivhuse, fabrikker, HVAC-systemer og opvarmede boligbygninger om vinteren, blandt andre kilder. Dette kan øge temperaturforskellen mellem jord og himmel betydeligt og dermed øge energiproduktionen.

I praksis kan en temperaturforskel på 35-40 °C (72 °F) generere næsten 4 gange så meget effekt sammenlignet med en forskel på 15 °C.

Kilde: Science Forskud

Mod "omvendte solpaneler"

Fordi dette design fungerer bedst om natten (selvom det også kan køre om dagen med designændringer), ser det ud til at være et godt supplement til solcellepaneler.

Det kunne også være en god måde at maksimere udnyttelsen af ​​spildvarme, hvad enten det kommer fra andre former for elproduktion, industrielle processer, varme bygninger (kontorer, lejligheder, huse) eller drivhuse.

Endelig kunne det designes som en ekstra kølemetode til installation på bygninger, hvor systemet absorberer varme og udstråler den tilbage i rummet.

Hvis det implementeres i tilstrækkelig stor skala, kan det endda generere strøm, samtidig med at det reducerer Jordens samlede opfangede varme, hvilket er ret unikt sammenlignet med alle andre kraftproduktionsmetoder.

Stirling-motorfirmaer

Aerojet Rocketdyne og L3 Harris: Førende innovatorer inden for Stirling-motorer

Stirlingmotorer er en nicheapplikation inden for energiproduktion, men er stadig et marked på 1.17 mia. dollars i 2025, der forventes at vokse med en årlig vækstrate på 8.5 % indtil 2029 og nå 1.62 mia. dollarsDer er dog få virksomheder, der er aktive i sektoren, som er børsnoterede.

Aerojet Rocketdyne, en afdeling af luftfarts- og forsvarsentreprenøren L3 Harris, samarbejder med partnere som NASA og SunPower Inc.at udvikle Stirling-motorer til rumfart.

Aerojet Rocketdyne blev opkøbt af L3 Harris i Juli 2023 for 4.7 mia. dollars, hvilket tilføjer en 4^th afdeling til virksomheden.

Sunpower Inc (for ikke at mismatche for Sunpower, solpanelvirksomheden) (SPWR -3.85%)) er opfinderen af ​​et avanceret design af Stirling-motor: Fristempelmotor (FPSE)FPSE kan bruges til både at producere strøm fra varme og til at køle ved hjælp af strøm.

Denne teknologi er især anvendelig til Radioisotopkraftsystemer (RPS), som bruger det naturlige henfald af radioaktivt materiale til at generere varme, som Stirling-motoren omdanner til brugbar elektrisk energi. Et større projekt for en sådan motor ville være at drive udstyr på Månen eller endda en lille månebase.

Kilde: NASA

NASA har længe været interesseret i Stirling-motorer takket være deres pålidelighed, vedligeholdelsesfri drift og lange levetid, især med den avancerede Stirling Radioisotope Generator (ASRG).

Udover Stirling-motorer til månebrug er L3 Harris en stor militær- og luftfartsvirksomhed. Virksomheden genererede 60% af sine indtægter fra det amerikanske forsvarsministerium (DoD), 20% fra internationale forsvarsordrer og 20% ​​fra den civile industri.

Harris kontrollerer især 45% af det globale marked for taktiske radioer, hvilket er flere gange større end den næste konkurrent.

Vedrørende ubemandede systemer, L3Harris har en lodret startdrone, FVR-90, marine autonom båd Shadowfox (13 m lang), familien af ​​undervandsdroner Iver, og er hovedentreprenør for den amerikanske flådes første store kontrakttildeling for Medium Unmanned Surface Vehicle (MUSV).

Aerojet er også en udvikler af hypersoniske missiler og andre missilsystemer.

Samlet set er L3 Harris en førende teknologivirksomhed inden for autonome systemer, raketteknologi og energisystemer til luftfart, med en solid teknisk ekspertise til både civile og militære kontrakter.

Seneste L3 Harris (LHX) aktienyheder og udvikling

Undersøgelse refereret

^{1. Tristan J. Deppe og Jeremy N. Munday. Mekanisk kraftproduktion ved hjælp af Jordens omgivende strålingVidenskabelige fremskridt. 12. november 2025. Bind 11, nummer 46. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833}