Sähkön Tuottaminen Maan Ympäröivästä Lämpösäteilystä

Lämpötila‑gradienttien hyödyntäminen

Useimmat sähköntuotantomenetelmät perustuvat lämpötilaeroon. Se luodaan usein kuumentamalla järjestelmän yhtä osaa fossiilisten polttoaineiden — hiilen, öljyn tai kaasun — poltolla, ydinfissiolla, syväporauksella (geoterminen energia) tai keskittämällä auringonvaloa (keskittävä aurinkovoima).

Tällä lämpöerolla kuumennetaan vettä tai muuta nestettä, kuten sulaa suolaa, joka pyörittää sähköä tuottavaa turbiinia.

Vaikka auringonvaloa voidaan hyödyntää suoraan aurinkosähköllä ja luonnollista liikettä tuuli-, vesi- tai vuorovesivoimalla, lämpötilagradientit ovat olleet yleisin sähköntuotannon muoto höyrykoneen ajoista nykypäivään.

Toinen teoriassa hyödynnettävä lämpötilagradientti on Maan ja ulkoavaruuden välinen lämpötilaero.

Maan pinnan keskilämpötila on noin 15 °C (59 °F), kun taas ulkoavaruuden lämpötila on noin −270 °C (−454 °F). Tämä valtava teoreettinen lämpöero on pitkään kiehtonut tutkijoita, mutta sen hyödyntäminen on kaikkea muuta kuin yksinkertaista.

Lämmön säteily avaruuteen

Ilmakehä on täysin läpinäkyvä 8–13 mikrometrin lämpösäteilylle, joten Maan lämpö pääsee karkaamaan avaruuteen. Tämä on tärkein mekanismi, jonka avulla planeettamme jäähtyy saatuaan energiaa Auringosta.

Teoriassa moottori, joka pystyy säteilemään tällä aallonpituudella tai riittävän lähellä sitä kohti maanpintaa kylmempää taivasta, voisi tuottaa sähköä ympäristön lämpötilasta.

Menetelmä on jo osoitettu toimivaksi matalan energiaraon puolijohdelaitteilla ja lämpösähkögeneraattoreilla. Niiden pieni teho ja harvinaisten metallien tarve tekevät niistä kuitenkin epäkäytännöllisiä taloudelliseen sähköntuotantoon.

Kalifornian yliopistossa työskentelevät tutkijat Tristan J. Deppe ja Jeremy N. Munday saattoivat löytää vaihtoehdon Stirling-moottoreista. He julkaisivat työnsä arvostetussa Science Advances -julkaisussa¹ nimellä ”Mekaaninen sähköntuotanto Maan ympäristösäteilyn avulla”.

Stirling‑moottorit selitettynä

Useimmat lämpötilaerot muunnetaan sähköksi höyryn pyörittämillä turbiineilla, mutta vaihtoehtona on Stirling-moottori.

Stirling-moottori tuottaa mekaanista liikettä, kun sen toinen puoli on toista kuumempi tai kylmempi. Polttomoottorista tai turbiinista poiketen se ei tarvitse poltettavaa materiaalia.

Mekaaninen liike voidaan muuntaa sähköksi yksinkertaisella vaihtovirtageneraattorilla.

Stirling-moottorit ovat erittäin kestäviä mutta suhteellisen raskaita, mikä rajoittaa niiden käyttöä liikenteessä.

Niiden hyötysuhde on myös hieman turbiineja pienempi, minkä vuoksi niitä ei yleensä käytetä lämpö- tai ydinvoimaloissa. Ne voivat kuitenkin toimia pienelläkin lämpötilagradientilla, kun taas turbiinit edellyttävät satojen asteiden eroa kuuman ja kylmän välillä.

Kuinka Stirling‑moottorit Kaappaavat Ympäröivän Lämpöenergian

Tässä käytetty ympäristön lämpöenergiaan perustuva sähköntuotanto koostuu kahdesta perusosasta:

• Moottorin pohjalevy on suorassa lämpökosketuksessa Maan pintaan.
• Ylälevy on optisesti kytketty taivaaseen.

Moottorin yläosan lämmön säteilemiseksi ilmaan käytetään infrapunasäteilyä lähettävää maalia.

Lähde: Science Advances

Menetelmä hyödyntää etenkin öisin maanpinnan ja ilman välistä pientä lämpötilaeroa, jonka vain Stirling-moottori pystyy muuttamaan liikkeeksi ja energiaksi.

Konseptitodistuksemme kytkee moottorin säteilyteitse taivaaseen ja tuottaa Maan pinnalla jatkuvasti yli 400 mW/m² tehoa koko yön ajan.

Testaus Todellisissa Olokohteissa

Menetelmää testattiin Kalifornian Davisissa 10 °C:n (18 °F) lämpötilaerolla ja moottorin vauhtipyörän 1 hertsin pyörimisnopeudella. Testejä tehtiin ympäri vuoden, ja järjestelmä toimi suurimman osan ajasta, mutta sateinen ja pilvinen talvi heikensi tehokkuutta. Absoluuttista lämpötilaa enemmän järjestelmän tehokkuuteen vaikuttaa ilman kosteuspitoisuus.

Lähde: Science Advances

Kosteissa olosuhteissa ilmakehän suuri vesipitoisuus pienentää päivän ja yön lämpötilaeroa. Tämä vähentää säteilyjäähdytyksen tehoa ja heikentää kokonaisenergiapotentiaalia.

Ympäröivän Energian Potentiaalin Kartoitus

Tutkijat mallinsivat kokeellisten tulostensa avulla alueet, joilla heidän keksinnöllään olisi paras potentiaali.

He tekivät seuraavat johtopäätökset:

• Tehotiheys on suurin kuivilla alueilla ja vuoristoissa, joissa alaspäin suuntautuva säteily on vähäisintä.
• Kosteampien alueiden energiapotentiaali on pienempi.
• Tiheissä metsissä sähköntuotanto on lähes olematonta, koska suuri kosteus estää jäähdytintä poistamasta lämpöä tehokkaasti taivaalle.

Näiden tietojen avulla tutkijat laativat kartan alueista, joilla ympäristösäteilyä hyödyntävät Stirling-moottorit kannattaisi ottaa käyttöön.

Lähde: Science Advances

Parhaan potentiaalin alueita ovat:

• Saharan Afrikka
• Euraasian aroalue
• Etelämanner kesäaikaan
• Yhdysvaltain länsirannikon sisämaa
• Andit
• Tiibetin ylänkö

Tulevaisuuden Parannukset

Pyyhkäise vierittääksesi →

Työ oli ennen kaikkea konseptitodistus, joten useita suunnitteluelementtejä voidaan vielä parantaa.

Ensimmäinen parannuskohde on säteilyjäähdytyksen teho. Sitä voidaan kasvattaa käyttämällä kaupallisen maalin sijasta räätälöityä säteilyjäähdytysmateriaalia.

Toinen parannus on lämpöä johtavan kytkennän vahvistaminen Maahan esimerkiksi kasvattamalla kosketuspinta-alaa ja käyttämällä kuparin kaltaisia hyvin lämpöä johtavia materiaaleja.

Suurempi moottori voisi kasvattaa kokonaistehoa ja hyötysuhdetta. Ilman korvaaminen heliumilla tai vedyllä Stirling-moottorin männässä voisi myös vähentää kitkaa ja parantaa hyötysuhdetta.

Teollinen yhteiskuntamme tuottaa lisäksi runsaasti hukkalämpöä muun muassa kasvihuoneista, tehtaista, LVI-järjestelmistä ja talvella lämmitettävistä asuinrakennuksista. Tämä voisi kasvattaa maanpinnan ja taivaan lämpötilaeroa huomattavasti ja lisätä sähköntuotantoa.

Käytännössä 35–40 °C:n (95–104 °F) lämpötilaero voi tuottaa lähes nelinkertaisen tehon 15 °C:n eroon verrattuna.

Lähde: Science Advances

Kohti “Käänteisiä Aurinkopaneeleja”

Koska ratkaisu toimii parhaiten yöllä — vaikka se voisi suunnittelumuutoksilla toimia myös päivällä — se vaikuttaa hyvältä aurinkopaneelien täydentäjältä.

Se voisi myös maksimoida muun sähköntuotannon, teollisuusprosessien, lämpimien rakennusten tai kasvihuoneiden hukkalämmön hyödyntämisen.

Järjestelmä voitaisiin lisäksi suunnitella rakennuksiin asennettavaksi jäähdytysmenetelmäksi, joka imee lämpöä ja säteilee sen takaisin avaruuteen.

Riittävän suuressa mittakaavassa järjestelmä voisi tuottaa sähköä ja samalla vähentää Maan pidättämän lämmön kokonaismäärää, mikä erottaa sen muista sähköntuotantomenetelmistä.

Stirling‑moottoriyritykset

Aerojet Rocketdyne ja L3 Harris: Johtavat Stirling‑moottorin Innovoijat

Stirling-moottorit ovat energiantuotannon erikoissovellus, mutta markkinan arvoksi arvioidaan 1,17 miljardia dollaria vuonna 2025 ja 1,62 miljardia dollaria vuonna 2029, kun vuotuinen kasvu on 8,5 %. Harvat alan yritykset ovat kuitenkaan pörssilistattuja.

Aerojet Rocketdyne, ilmailu- ja puolustusalan L3 Harrisin yksikkö, kehittää avaruuskäyttöön tarkoitettuja Stirling-moottoreita yhteistyössä NASA:n ja Sunpower Inc:n kaltaisten kumppaneiden kanssa.

L3 Harris osti Aerojet Rocketdynen heinäkuussa 2023 4,7 miljardilla dollarilla, ja siitä tuli yhtiön neljäs liiketoimintasegmentti.

Sunpower Inc — jota ei pidä sekoittaa aurinkopaneeliyhtiö SunPoweriin (SPWR ) — kehitti edistyneen Stirling-moottorin, vapaamäntäisen Stirling-moottorin (FPSE). FPSE voi sekä tuottaa sähköä lämmöstä että jäähdyttää sähkön avulla.

Teknologia soveltuu erityisen hyvin radioisotooppivoimajärjestelmiin (RPS), joissa radioaktiivisen materiaalin luonnollinen hajoaminen tuottaa lämpöä ja Stirling-moottori muuntaa sen sähköksi. Tällainen moottori voisi tuottaa energiaa Kuun laitteille tai jopa pienelle kuutukikohdalle.

Lähde: NASA

NASA on ollut pitkään kiinnostunut Stirling-moottoreista niiden luotettavuuden, huoltovapaan toiminnan ja pitkän käyttöiän vuoksi, erityisesti Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG) -järjestelmässä.

Kuun Stirling-moottorien lisäksi L3 Harris on merkittävä sotilas- ja ilmailuyhtiö. Se sai 60 % liikevaihdostaan Yhdysvaltain puolustusministeriöltä, 20 % kansainvälisistä puolustustilauksista ja 20 % siviiliteollisuudelta.

Harris hallitsee peräti 45:tä prosenttia maailman taktisten radioiden markkinoista, moninkertaisesti seuraavaa kilpailijaa enemmän.

Miehittämättömissä järjestelmissä L3Harris tarjoaa FVR-90-pystysuoraan nousevan droonin, 13-metrisen Shadowfox-miehittämättömän pinta-aluksen ja Iver-sarjan vedenalaiset droonit. Yhtiö toimii myös Yhdysvaltain laivaston Medium Unmanned Surface Vehicle (MUSV) -ohjelman pääurakoitsijana.

Aerojet kehittää myös hypersonisia ohjuksia ja muita ohjusjärjestelmiä.

L3 Harris on kokonaisuutena johtava teknologia-alan yritys autonomisissa järjestelmissä, rakettitekniikassa ja ilmailun energiajärjestelmissä, ja sillä on vahvaa teknistä osaamista sekä siviili- että sotilassopimuksissa.

Viimeisimmät L3 Harris (LHX) Osakeuutiset ja Kehitykset

Viitattu Tutkimus

^{1. Tristan J. Deppe ja Jeremy N. Munday. Mekaaninen sähköntuotanto Maan ympäristösäteilyn avulla. Science Advances. 12. marraskuuta 2025. Vuosikerta 11, numero 46. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833}