Stromerzeugung mittels der Umgebungswärmestrahlung der Erde

Temperaturgradienten nutzen

Die meisten unserer Stromerzeugungsmethoden basieren auf einem Temperaturunterschied. Dieser wird häufig erzeugt, indem ein Teil durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kohle, Öl, Gas), Kernspaltung, das Bohren tief unter der Erde (Geothermie) oder die Konzentration von Sonnenlicht (konzentrierte Solarenergie) erwärmt wird.

Dieser thermische Unterschied wird dann genutzt, um Wasser oder eine andere Flüssigkeit (wie geschmolzenes Salz) zu erhitzen, wodurch eine Turbine angetrieben wird, die Strom erzeugt.

Während das direkte Einfangen von Sonnenlicht (Photovoltaik) oder natürlichen Bewegungen (Windenergie, Wasserkraft, Gezeitenkraft) ebenfalls möglich ist, sind thermische Gradienten die häufigste Form der Stromerzeugung, von den Tagen der Dampfmaschine bis heute.

Ein weiterer thermischer Gradient, der theoretisch nutzbar wäre, ist der Temperaturunterschied zwischen Erde und dem Weltraum.

Die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde liegt bei etwa 15 °C (59 °F), während der Weltraum bei −270 °C (−454 °F) liegt. Dieser enorme theoretische thermische Unterschied fasziniert Forscher seit langem, doch ihn zu nutzen ist alles andere als trivial.

Wärme in den Weltraum abgeben

Bei thermischer Strahlung mit Wellenlängen zwischen 8 und 13 μm ist die Atmosphäre vollständig transparent und lässt die Erdwärme in den Weltraum entweichen. Dies ist der Hauptmechanismus, der es unserem Planeten ermöglicht, nach der Aufnahme von Sonnenenergie abzukühlen.

Theoretisch könnte ein Motor, der bei dieser Wellenlänge abstrahlt, oder eine nahe genug liegende Frequenz, die Energie in den kühleren Himmel (im Vergleich zum Boden) abgibt, Strom aus der Umgebungstemperatur erzeugen.

Tatsächlich wurde diese Methode bereits demonstriert, indem entweder Halbleiterbauelemente mit kleiner Bandlücke oder thermoelektrische Generatoren verwendet wurden. Diese Verfahren sind jedoch für eine wirtschaftliche Stromerzeugung nicht praktikabel, da sie eine geringe Leistungsabgabe haben und seltene Erden benötigen.

Aber die Wissenschaftler Tristan J. Deppe und Jeremy N. Munday, die an der University of California arbeiten, könnten eine Alternative mit Stirling‑Motoren gefunden haben. Sie veröffentlichten ihre Arbeit in der renommierten Fachzeitschrift Science¹ unter dem Titel „Mechanical power generation using Earth’s ambient radiation“.

Stirling‑Motoren erklärt

Während die meisten Temperaturunterschiede zur Stromerzeugung mit dampangebetriebenen Turbinen genutzt werden, stellt der Stirling‑Motor eine Alternative dar.

Diese Motoren erzeugen eine mechanische Bewegung, wenn eine Seite des Motors wärmer oder kühler ist als die andere. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren oder Turbinen erfordert er keine Verbrennung von Material.

Die mechanische Bewegung kann dann mit einem einfachen Wechselstromgenerator in Strom umgewandelt werden.

Stirling‑Motoren sind bemerkenswert langlebig, obwohl sie relativ schwer sind, was ihre Anwendung im Transportwesen einschränkt.

Ihre Effizienz ist zudem etwas niedriger als die von Turbinen, was erklärt, warum sie in thermischen oder nuklearen Kraftwerken nicht häufig eingesetzt werden. Sie können jedoch bereits mit einem kleinen Temperaturgradienten arbeiten, während Turbinen Hunderte Grad Unterschied zwischen heiß und kalt benötigen.

Wie Stirling‑Motoren Umgebungswärme erfassen

Das Grundkonzept der hier verwendeten Umgebungs‑Thermalkraftgenerierung besteht aus 2 Komponenten:

• Die Unterseite des Motors steht in direktem thermischen Kontakt mit der Erdoberfläche.
• Die Oberseite ist optisch an den Himmel gekoppelt.

Um die Wärmeabgabe in die Luft für den oberen Teil des Motors zu steuern, wird eine infrarot‑emittierende Beschichtung verwendet.

Quelle: Science Advances

Diese Methode nutzt den kleinen Temperaturunterschied zwischen Boden und Luft, besonders nachts, den nur ein Stirling‑Motor in Bewegung/Energie umwandeln kann.

Unser Machbarkeitsnachweis koppelt den Motor strahlungsseitig an den Himmel und liefert >400 mW/m² kontinuierliche Leistung auf der Erde während der gesamten Nacht.

Tests unter realen Bedingungen

Die Methode wurde in Davis, Kalifornien, mit Temperaturunterschieden von 10 °C (18 °F) und einer 1‑Hz‑Drehung des Schwungrads des Motors getestet. Die Tests wurden das ganze Jahr über durchgeführt, wobei die meisten Zeiträume funktionierten, jedoch war der Winter mit Regen und Wolken weniger effizient. Mehr als die absolute Temperatur ist der Feuchtigkeitsgehalt der Luft, der die Effizienz dieses Systems am stärksten beeinflusst.

Quelle: Science Advances

Bei hoher Luftfeuchtigkeit wird der Unterschied zwischen Tag‑ und Nachttemperaturen durch die hohen Wasserkonzentrationen in der Atmosphäre verringert, was die strahlungsbasierte Kühlleistung reduziert und das gesamte Energieniveau beeinträchtigt.

Kartierung des Potenzials von Umgebungsenergie

Auf Basis ihrer experimentellen Ergebnisse modellierten die Wissenschaftler die Gebiete mit dem größten Potenzial für ihre Erfindung.

Sie zogen einige Schlussfolgerungen:

• Die Leistungsdichte ist in trockenen Regionen und Gebirgszügen am höchsten, wo die Abstrahlung nach unten am geringsten ist.
• Gebiete mit höherer Luftfeuchtigkeit haben ein geringeres Energiepotenzial.
• Die Stromerzeugung ist in stark bewaldeten Regionen nahezu null, da die erhöhte Luftfeuchtigkeit das effektive Abführen von Wärme in den Himmel verhindert.

Mit diesen Daten erstellten sie eine Karte, die die Gebiete der Erde mit dem größten Potenzial für den Einsatz von strahlungsbasierten Stirling‑Motoren zeigt.

Quelle: Science Advances

Die Regionen mit dem größten Potenzial sind:

• Sahara‑Afrika.
• die eurasische Steppe.
• Antarktika im Sommer.
• Inlandregionen der US‑Westküste.
• die Anden.
• das tibetische Plateau.

Zukünftige Verbesserungen

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Diese Arbeit war vor allem ein Machbarkeitsnachweis, sodass mehrere Designelemente verbessert werden könnten.

Das erste Element wäre, die strahlungsbasierte Kühlleistung zu verbessern. Dies könnte durch die Verwendung eines speziell abgestimmten Kühlmaterials anstelle von handelsüblicher Farbe erreicht werden.

Das zweite Element wäre, die leitende Kopplung an die Erde zu erhöhen, zum Beispiel durch eine größere Kontaktfläche und Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer.

Ein größerer Motor könnte ebenfalls die Gesamtleistung und Effizienz steigern. Der Einsatz von Helium oder Wasserstoff anstelle von Luft im Stirling‑Motor‑Kolben könnte zudem Reibung reduzieren und den Ertrag erhöhen.

Schließlich erzeugt unsere Industriegesellschaft erhebliche Abwärme aus Gewächshäusern, Fabriken, HLK‑Systemen und beheizten Wohngebäuden im Winter, neben anderen Quellen. Dies könnte den Temperaturunterschied zwischen Boden und Himmel stark erhöhen und die Energieproduktion steigern.

In der Praxis kann ein Temperaturunterschied von 35‑40 °C (72 °F) fast das Vierfache an Leistung erzeugen im Vergleich zu einem Unterschied von 15 °C.

Quelle: Science Advances

Hin zu „umgekehrten Solarpaneelen“

Da dieses Design nachts am besten funktioniert (obwohl es mit Designänderungen auch tagsüber laufen könnte), scheint es eine gute Ergänzung zu photovoltaischen Solarpaneelen zu sein.

Es könnte auch eine hervorragende Möglichkeit sein, die Nutzung von Abwärme zu maximieren, sei es aus anderen Formen der Stromerzeugung, industriellen Prozessen, warmen Gebäuden (Büros, Wohnungen, Häuser) oder Gewächshäusern.

Schließlich könnte es als zusätzliche Kühlmethode für Gebäude konzipiert werden, bei der das System Wärme absorbiert und sie zurück in den Weltraum abstrahlt.

Wenn es in ausreichendem Maßstab eingesetzt wird, könnte es sogar Strom erzeugen und gleichzeitig die insgesamt von der Erde aufgenommene Wärme reduzieren, was im Vergleich zu allen anderen Stromerzeugungsmethoden ziemlich einzigartig ist.

Stirling‑Motor Unternehmen

Aerojet Rocketdyne und L3 Harris: Führende Innovatoren im Bereich Stirling‑Motoren

Stirling‑Motoren sind eine Nischenanwendung in der Energieerzeugung, aber sie stellen immer noch einen Markt von 1,17 Mrd. $ im Jahr 2025 dar, der voraussichtlich bis 2029 mit einer CAGR von 8,5 % auf 1,62 Mrd. $ wachsen wird. Allerdings sind nur wenige Unternehmen in diesem Sektor börsennotiert.

Aerojet Rocketdyne, ein Zweig des Luft‑ und Raumfahrt‑ und Verteidigungsunternehmens L3 Harris, arbeitet mit Partnern wie NASA und SunPower Inc zusammen, um Stirling‑Motoren für Weltraumanwendungen zu entwickeln.

Aerojet Rocketdyne wurde von L3 Harris im Juli 2023 für 4,7 Mrd. $, wodurch ein 4^te Geschäftsbereich zum Unternehmen hinzukam.

Sunpower Inc (um Verwechslungen mit Sunpower, dem Solarpanel‑Unternehmen, zu vermeiden (SPWR )) ist Erfinder eines fortschrittlichen Designs eines Stirling‑Motors: Free‑Piston Stirling Engine (FPSE). Der FPSE kann sowohl zur Stromerzeugung aus Wärme als auch zur Kühlung mittels Strom verwendet werden.

Diese Technologie ist besonders anwendbar auf Radioisotope Power Systems (RPS), die den natürlichen Zerfall radioaktiven Materials zur Wärmeerzeugung nutzen, welche der Stirling‑Motor in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Ein wichtiges Projekt für einen solchen Motor wäre die Stromversorgung von Geräten auf dem Mond oder sogar einer kleinen Mondbasis.

Quelle: NASA

Die NASA ist seit langem an Stirling‑Motoren interessiert, dank ihrer Zuverlässigkeit, wartungsfreien Betriebes und langen Lebensdauer, insbesondere mit dem Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG).

Neben lunaren Stirling‑Motoren ist L3 Harris ein bedeutendes Militär‑ und Luft- und Raumfahrtunternehmen. Es erwirtschaftete 60 % seiner Einnahmen vom US-Verteidigungsministerium (DoD), 20 % aus internationalen Verteidigungsaufträgen und 20 % aus der zivilen Industrie.

Bemerkenswerterweise kontrolliert Harris 45 % des globalen Marktes für taktische Funkgeräte, mehrere Male größer als der nächstgrößere Konkurrent.

Bezüglich unbemannter Systeme verfügt L3Harris über eine senkrecht startende Drohne, die FVR-90, das marine autonome Boot Shadowfox (13 m lang), die Familie der Unterwasser‑Drohnen Iver, und ist Hauptauftragnehmer für den ersten großen Vertragsauftrag der US‑Marine für das Medium Unmanned Surface Vehicle (MUSV).

Aerojet ist zudem Entwickler von hyperschall‑Raketen und anderen Raketensystemen.

Insgesamt ist L3 Harris ein führendes Technologieunternehmen im Bereich autonomer Systeme, Raketentechnik und luft- und raumfahrtbezogener Energiesysteme, mit fundierter technischer Expertise für sowohl zivile als auch militärische Aufträge.

Neueste Aktiennachrichten und Entwicklungen von L3 Harris (LHX)

Referenzierte Studie

^{1. Tristan J. Deppe and Jeremy N. Munday. Mechanische Stromerzeugung mittels der Umgebungsstrahlung der Erde. Science Advances. 12 Nov 2025. Vol 11, Issue 46. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833}