Générer de l’énergie à partir du rayonnement thermique ambiant de la Terre

Exploiter les gradients de température

La plupart de nos méthodes de production d’énergie reposent sur un différentiel de température. Celui‑ci est souvent créé en chauffant une partie grâce à la combustion de combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz), à la fission nucléaire, au forage en profondeur (géothermie), ou à la concentration de la lumière solaire (solaire concentré).

Cette différence thermique est ensuite utilisée pour chauffer de l’eau ou un autre liquide (comme le sel fondu) afin d’activer une turbine qui génère de l’électricité.

Ainsi, bien que la capture directe de la lumière solaire (photovoltaïque) ou des mouvements naturels (énergie éolienne, hydroélectrique, marémotrice) soit également possible, les gradients thermiques restent la forme la plus courante de production d’énergie, depuis l’époque de la machine à vapeur jusqu’à aujourd’hui.

Un autre gradient thermique qui pourrait être exploité théoriquement est la différence de température entre la Terre et l’espace.

La température moyenne de la surface de la Terre est d’environ 15 °C (59 °F), tandis que l’espace se situe à −270 °C (−454 °F). Ce différentiel thermique théorique énorme intrigue les chercheurs depuis longtemps, mais l’exploiter n’est pas une tâche triviale.

Émettre de la chaleur dans l’espace

Pour le rayonnement thermique à des longueurs d’onde comprises entre 8 et 13 μm, l’atmosphère est totalement transparente et permet à la chaleur de la Terre de s’échapper dans l’espace. C’est le mécanisme principal qui permet à notre planète de se refroidir après avoir reçu l’énergie du Soleil.

En théorie, un moteur capable d’émettre à cette longueur d’onde, ou à une fréquence suffisamment proche, en diffusant de l’énergie vers le ciel plus frais (par rapport au sol), pourrait générer de l’électricité à partir de la température ambiante.

En fait, cette méthode a déjà été démontrée, en utilisant soit des dispositifs semi‑conducteurs à faible bande interdite, soit des générateurs thermoélectriques. Mais ces approches ne sont pas pratiques pour une production d’énergie économique en raison de leur faible puissance et de la nécessité d’éléments de terres rares.

Mais les scientifiques Tristan J. Deppe et Jeremy N. Munday, travaillant à l’Université de Californie, ont peut‑être trouvé une alternative en utilisant des moteurs Stirling. Ils ont publié leurs travaux dans la prestigieuse revue scientifique Science¹, sous le titre « Mechanical power generation using Earth’s ambient radiation ».

Moteurs Stirling expliqués

Alors que la plupart des différentiels de température sont utilisés pour produire de l’énergie avec des turbines entraînées par la vapeur, une alternative est le moteur Stirling.

Ces moteurs créent un mouvement mécanique lorsqu’un côté du moteur est plus chaud ou plus froid que l’autre. Contrairement aux moteurs à combustion interne ou aux turbines, ils ne nécessitent aucune combustion de matière.

Le mouvement mécanique peut ensuite être converti en électricité à l’aide d’un alternateur simple.

Les moteurs Stirling sont remarquablement durables, bien qu’ils soient relativement lourds, ce qui limite leurs applications pour le transport.

Leur rendement est également légèrement inférieur à celui des turbines, ce qui explique pourquoi ils ne sont pas couramment utilisés dans les centrales thermiques ou nucléaires. Cependant, ils peuvent fonctionner même avec un petit gradient de température, alors que les turbines nécessitent des différences de plusieurs centaines de degrés entre le chaud et le froid.

Comment les moteurs Stirling capturent l’énergie thermique ambiante

Le concept de base de la génération d’énergie thermique ambiante utilisé ici comporte 2 éléments :

• La plaque inférieure du moteur est en contact thermique direct avec la surface de la Terre.
• La plaque supérieure est couplée optiquement au ciel.

Pour gérer l’émission de chaleur dans l’air pour la partie supérieure du moteur, une peinture à émission infrarouge est utilisée.

Source: Science Advances

Cette méthode exploite la petite différence de température entre le sol et l’air, surtout la nuit, que seul un moteur Stirling peut convertir en mouvement/énergie.

Notre démonstration de preuve de concept couple radiativement le moteur au ciel et délivre >400 mW/m² de puissance continue sur Terre tout au long de la nuit.

Tests en conditions réelles

La méthode a été testée à Davis, Californie, avec des différences de température de 10 °C (18 °F) et une rotation du volant d’inertie du moteur à 1 Hz. Les tests ont été réalisés tout au long de l’année, la plupart du temps fonctionnant, bien que l’hiver, avec la pluie et les nuages, soit moins efficace. Plus que la température absolue, c’est l’humidité de l’air qui influence le plus l’efficacité de ce système.

Source: Science Advances

Dans des conditions de forte humidité, la différence entre les températures du jour et de la nuit est réduite en raison des fortes concentrations d’eau dans l’atmosphère, ce qui diminue la puissance de refroidissement radiatif, affectant le potentiel énergétique global.

Cartographie du potentiel énergétique ambiant

En s’appuyant sur leurs résultats expérimentaux, les scientifiques ont modélisé les zones présentant le meilleur potentiel pour leur invention.

Ils ont tiré quelques conclusions :

• La densité de puissance est la plus élevée dans les régions arides et les chaînes de montagnes, où le rayonnement descendant est le plus faible.
• Les zones à forte humidité ont un potentiel énergétique plus faible.
• La production d’énergie est proche de zéro dans les régions fortement forestières, où l’humidité accrue empêche le refroidisseur d’évacuer efficacement la chaleur vers le ciel.

À partir de ces données, ils ont créé une carte montrant les zones de la Terre présentant le meilleur potentiel pour déployer des moteurs Stirling radiatifs ambiants.

Source: Science Advances

Les régions présentant le meilleur potentiel sont :

• Afrique saharienne.
• Steppe eurasienne.
• Antarctique pendant l’été.
• Régions intérieures de la côte ouest des États‑Unis.
• Les montagnes des Andes
• Le plateau tibétain.

Améliorations futures

Faites glisser pour faire défiler →

Ce travail était essentiellement une preuve de concept, de sorte que plusieurs éléments de conception pourraient être améliorés.

Le premier élément serait d’améliorer la puissance de refroidissement radiatif. Cela pourrait être réalisé en utilisant un matériau de refroidissement radiatif sur mesure au lieu d’une peinture commerciale.

Le deuxième élément consisterait à augmenter le couplage conductif avec la Terre, par exemple en utilisant une surface de contact plus grande et des matériaux à conductivité thermique élevée comme le cuivre.

Un moteur plus grand pourrait également augmenter la puissance totale et le rendement. Utiliser de l’hélium ou de l’hydrogène à la place de l’air dans le piston du moteur Stirling pourrait aussi réduire les frottements et augmenter le rendement.

Enfin, notre civilisation industrielle génère une chaleur résiduelle importante provenant des serres, des usines, des systèmes CVC et des bâtiments résidentiels chauffés en hiver, entre autres sources. Cela pourrait augmenter considérablement la différence de température entre le sol et le ciel, augmentant ainsi la production d’énergie.

En pratique, un différentiel de température de 35‑40 °C (72 °F) peut générer près de 4 fois plus de puissance qu’un différentiel de 15 °C.

Source: Science Advances

Vers des « panneaux solaires inversés »

Parce que cette conception fonctionne mieux la nuit (bien qu’elle puisse également fonctionner le jour avec des modifications de conception), elle constitue un bon complément aux panneaux solaires photovoltaïques.

Elle pourrait également être un excellent moyen de maximiser l’utilisation de la chaleur résiduelle, qu’elle provienne d’autres formes de production d’énergie, de processus industriels, de bâtiments chauds (bureaux, appartements, maisons) ou de serres.

Enfin, elle pourrait être conçue comme une méthode de refroidissement supplémentaire à installer sur les bâtiments, le système absorbant la chaleur et la rayonnant de nouveau dans l’espace.

Si déployée à une échelle suffisante, elle pourrait même générer de l’énergie tout en réduisant la chaleur globale capturée par la Terre, ce qui est plutôt unique comparé à toutes les autres méthodes de production d’énergie.

Entreprises de moteurs Stirling

Aerojet Rocketdyne et L3 Harris : leaders de l’innovation des moteurs Stirling

Les moteurs Stirling sont une application de niche dans la production d’énergie, mais représentent tout de même un marché de 1,17 milliard de dollars en 2025, avec une croissance prévue de 8,5 % CAGR jusqu’en 2029, atteignant 1,62 milliard de dollars. Cependant, peu d’entreprises actives dans le secteur sont cotées en bourse.

Aerojet Rocketdyne , une branche du contractant aérospatial et de défense L3 Harris, collabore avec des partenaires tels que NASA et SunPower Inc pour développer des moteurs Stirling destinés aux applications spatiales.

juillet 2023 pour 4,7 milliards de dollars, ajoutant un 4^e département à l’entreprise.

Sunpower Inc (pour éviter toute confusion avec Sunpower, la société de panneaux solaires (SPWR )) est l’inventeur d’une conception avancée de moteur Stirling : Free‑Piston Stirling Engine (FPSE). Le FPSE peut être utilisé à la fois pour produire de l’énergie à partir de la chaleur et pour refroidir en utilisant de l’énergie.

Cette technologie s’applique particulièrement aux Radioisotope Power Systems (RPS), qui utilisent la désintégration naturelle de matériaux radioactifs pour générer de la chaleur, que le moteur Stirling convertit en énergie électrique utilisable. Un projet majeur pour un tel moteur serait d’alimenter des équipements sur la Lune, voire une petite base lunaire.

Source: NASA

NASA s’intéresse aux moteurs Stirling depuis longtemps, grâce à leur fiabilité, leurs opérations sans entretien et leur longue durée de vie, notamment avec le générateur radioisotope Stirling avancé (ASRG).

En plus des moteurs Stirling lunaires, L3 Harris est une grande entreprise militaire et aérospatiale. Elle a généré 60 % de ses revenus du Département de la Défense des États‑Unis (DoD), 20 % des commandes de défense internationales, et 20 % des industries civiles.

Notamment, Harris contrôle 45 % du marché mondial des radios tactiques, plusieurs fois plus que le concurrent suivant.

Concernant les systèmes sans pilote, L3Harris possède un drone à décollage vertical, le FVR‑90, le bateau autonome marin Shadowfox (13 m de long), la famille de drones sous-marins Iver, et est le contractant principal pour le premier important contrat de la marine américaine pour le véhicule de surface sans pilote moyen (MUSV).

Aerojet développe également des missiles hypersoniques et d’autres systèmes de missiles.

Dans l’ensemble, L3 Harris est une entreprise technologique de premier plan en matière de systèmes autonomes, de fusées et de systèmes énergétiques aérospatiaux, avec une solide expertise technique tant pour les contrats civils que militaires.

Dernières actualités et développements boursiers de L3 Harris (LHX)

Étude référencée

^{1. Tristan J. Deppe and Jeremy N. Munday. Mechanical power generation using Earth’s ambient radiation. Science Advances. 12 Nov 2025. Vol 11, Issue 46. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833}