Generazione di energia utilizzando la radiazione termica ambientale terrestre

Sfruttamento dei gradienti di temperatura

La maggior parte dei nostri metodi di produzione di energia si basa su una differenza di temperatura. Questa si crea spesso riscaldando una parte del terreno attraverso la combustione di combustibili fossili (carbone, petrolio, gas), la fissione nucleare, la perforazione in profondità nel sottosuolo (energia geotermica) o la concentrazione della luce solare (energia solare a concentrazione).

Questa differenza termica viene poi utilizzata per riscaldare l'acqua o un altro liquido (ad esempio il sale fuso) per attivare una turbina che genera elettricità.

Quindi, sebbene sia possibile catturare direttamente la luce solare (fotovoltaico) o i movimenti naturali (energia eolica, idroelettrica, maree), i gradienti termici sono la forma più comune di generazione di energia, dai tempi della macchina a vapore a oggi.

Un altro gradiente termico che potrebbe essere sfruttato teoricamente è la differenza di temperatura tra la Terra e lo spazio.

La temperatura media della superficie terrestre è di circa 15 °C (59 °F), mentre nello spazio si attesta a -270 °C (-454 °F). Questa enorme differenza termica teorica ha da tempo affascinato i ricercatori, ma sfruttarla è tutt'altro che banale.

Emissione di calore nello spazio

Per la radiazione termica a lunghezze d'onda comprese tra 8 e 13 μm, l'atmosfera è completamente trasparente e consente al calore terrestre di disperdersi nello spazio. Questo è il meccanismo principale che consente al nostro pianeta di raffreddarsi dopo aver ricevuto energia dal Sole.

In teoria, un motore in grado di emettere a questa lunghezza d'onda, o a una frequenza sufficientemente vicina da emettere energia verso il cielo più freddo (rispetto al suolo), potrebbe generare elettricità dalla temperatura ambiente.

In effetti, questo metodo è già stato dimostrato, utilizzando dispositivi a semiconduttore a bassa gap o generatori termoelettrici. Tuttavia, questi metodi non sono pratici per la generazione di energia a basso costo a causa della loro bassa potenza in uscita e della necessità di utilizzare elementi delle terre rare.

Ma gli scienziati Tristan J. Deppe e Jeremy N. Munday, dell'Università della California, potrebbero aver trovato un'alternativa utilizzando i motori Stirling. Hanno pubblicato il loro lavoro sulla prestigiosa rivista scientifica Science.¹, sotto il titolo “Generazione di energia meccanica utilizzando la radiazione ambientale terrestre".

Spiegazione dei motori Stirling

Sebbene la maggior parte delle differenze di temperatura vengano sfruttate per generare energia tramite turbine azionate dal vapore, un'alternativa è il motore Stirling.

Questi motori creano un movimento meccanico quando un lato del motore è più caldo o più freddo dell'altroA differenza dei motori a combustione interna o delle turbine, non richiede la combustione di materiali.

Il movimento meccanico può poi essere convertito in elettricità tramite un semplice alternatore.

I motori Stirling sono straordinariamente durevoli, sebbene relativamente pesanti, il che ne limita l'impiego nel trasporto.

Il loro rendimento è anche leggermente inferiore a quello delle turbine, il che spiega perché non siano comunemente utilizzate nelle centrali termoelettriche o nucleari. Tuttavia, possono funzionare anche con un piccolo gradiente di temperatura, mentre le turbine richiedono centinaia di gradi di differenza tra caldo e freddo.

Come i motori Stirling catturano l'energia termica ambientale

Il concetto di base della generazione di energia termica ambientale qui utilizzato ha 2 componenti:

• La piastra inferiore del motore è in contatto termico diretto con la superficie terrestre.
• La piastra superiore è accoppiata otticamente al cielo.

Per gestire l'emissione di calore nell'aria della parte superiore del motore viene utilizzata una vernice che emette raggi infrarossi.

Fonte: Anticipi Scienza

Questo metodo sfrutta la piccola differenza di temperatura tra il suolo e l'aria, soprattutto di notte, che solo un motore Stirling è in grado di trasformare in movimento/energia.

La nostra dimostrazione di fattibilità accoppia radiativamente il motore al cielo e fornisce >400 mW/m2 di potenza continua sulla Terra per tutta la notte.

Test in condizioni reali

Il metodo è stato testato a Davis, in California, con differenze di temperatura di 10 °C (18 °F) e una rotazione del volano del motore di 1 Hz. I test sono stati eseguiti durante tutto l'anno, con la maggior parte del periodo di funzionamento, sebbene l'inverno, con pioggia e nuvole, sia risultato meno efficiente. Più della temperatura assoluta, è il contenuto di umidità dell'aria a influenzare maggiormente l'efficienza di questo sistema.

Fonte: Anticipi Scienza

In condizioni di elevata umidità, la differenza tra le temperature diurne e notturne si riduce a causa delle elevate concentrazioni di acqua nell'atmosfera, il che riduce il potere di raffreddamento radiativo, incidendo sul potenziale energetico complessivo.

Mappatura del potenziale energetico ambientale

Utilizzando i risultati sperimentali, gli scienziati hanno continuato a modellare le aree con il potenziale migliore per la loro invenzione.

Hanno tratto alcune conclusioni:

• La densità di potenza è più elevata nelle regioni aride e nelle catene montuose, dove la radiazione verso il basso è più bassa.
• Le aree con maggiore umidità hanno un potenziale energetico inferiore.
• La produzione di energia è prossima allo zero nelle regioni densamente boscose, dove l'elevata umidità impedisce al refrigeratore di disperdere efficacemente il calore verso l'alto.

Utilizzando questi dati, hanno creato una mappa che mostra le aree della Terra con il potenziale migliore per l'impiego di motori Stirling a radiazione ambientale.

Fonte: Anticipi Scienza

Le regioni con il miglior potenziale sono:

• Africa sahariana.
• La steppa eurasiatica.
• Antartide durante l'estate.
• Regioni interne della costa occidentale degli Stati Uniti.
• Le montagne delle Ande
• L'altopiano tibetano.

Miglioramenti futuri

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Questo lavoro è stato in gran parte una prova di concetto, quindi diversi elementi di progettazione potevano essere migliorati.

Il primo elemento sarebbe quello di migliorare il potere di raffreddamento radiativo. Questo potrebbe essere ottenuto utilizzando un materiale di raffreddamento radiativo su misura al posto della vernice commerciale.

Il secondo elemento sarebbe quello di aumentare l'accoppiamento conduttivo con la Terra, ad esempio utilizzando una superficie di contatto più ampia e materiali con una maggiore conduttività termica, come il rame.

Un motore più grande potrebbe anche aumentare la potenza totale e l'efficienza. L'utilizzo di elio o idrogeno al posto dell'aria nel pistone del motore Stirling potrebbe anche ridurre l'attrito e aumentare la resa.

Infine, la nostra civiltà industriale genera ingenti quantità di calore di scarto provenienti da serre, fabbriche, impianti di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC) e da edifici residenziali riscaldati in inverno, tra le altre fonti. Ciò potrebbe aumentare notevolmente la differenza di temperatura tra il suolo e il cielo, incrementando la produzione di energia.

In pratica, una differenza di temperatura di 35-40°C (72°F) può generare quasi 4 volte la potenza rispetto a una differenza di 15°C.

Fonte: Anticipi Scienza

Verso i “pannelli solari inversi”

Poiché questo progetto funziona meglio di notte (anche se potrebbe funzionare anche di giorno con alcune modifiche al progetto), sembra essere un buon complemento ai pannelli solari fotovoltaici.

Potrebbe anche essere un ottimo modo per massimizzare l'utilizzo del calore di scarto, proveniente da altre forme di produzione di energia, processi industriali, edifici riscaldati (uffici, appartamenti, case) o serre.

Infine, potrebbe essere progettato come metodo di raffreddamento aggiuntivo da installare sugli edifici, con il sistema che assorbe il calore e lo irradia nello spazio.

Se implementato su larga scala, potrebbe addirittura generare energia riducendo al contempo il calore complessivo catturato dalla Terra, il che è piuttosto unico rispetto a tutti gli altri metodi di generazione di energia.

Aziende di motori Stirling

Aerojet Rocketdyne e L3 Harris: leader nell'innovazione dei motori Stirling

I motori Stirling sono un'applicazione di nicchia nella generazione di energia, ma sono ancora un mercato da 1.17 miliardi di dollari nel 2025, con una crescita prevista dell'8.5% CAGR fino al 2029, raggiungendo 1.62 miliardi di dollariTuttavia, sono poche le aziende attive nel settore quotate in borsa.

Aerojet Rocketdyne, una filiale dell'appaltatore aerospaziale e della difesa L3 Harris, sta collaborando con partner come la NASA e SunPower Incper sviluppare motori Stirling per applicazioni spaziali.

Aerojet Rocketdyne è stata acquisita da L3 Harris nel Luglio 2023 per 4.7 miliardi di dollari, aggiungendo un 4^th dipartimento all'azienda.

Sunpower Inc (per non sbagliare la corrispondenza con Sunpower, l'azienda di pannelli solari (SPWR -3.85%)) è l'inventore di un progetto avanzato di motore Stirling: Motore Stirling a pistoni liberi (FPSE)L'FPSE può essere utilizzato sia per produrre energia dal calore sia per raffreddare utilizzando l'energia.

Questa tecnologia è particolarmente applicabile a Sistemi di alimentazione a radioisotopi (RPS), che sfrutta il decadimento naturale del materiale radioattivo per generare calore, che il motore Stirling converte in energia elettrica utilizzabile. Un progetto importante per un motore del genere sarebbe quello di alimentare apparecchiature sulla Luna, o persino una piccola base lunare.

Fonte: NASA

La NASA è interessata ai motori Stirling da molto tempo, grazie alla loro affidabilità, al funzionamento senza manutenzione e alla lunga durata, in particolare con l'Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG).

Oltre ai motori Stirling lunari, L3 Harris è un'importante azienda militare e aerospaziale. Genera il 60% dei suoi ricavi dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti (DoD), il 20% da commesse internazionali per la difesa e il 20% dall'industria civile.

In particolare, Harris controlla il 45% del mercato mondiale delle radio tattiche, una percentuale notevolmente superiore a quella del suo concorrente principale.

Per quanto riguarda l’ sistemi senza equipaggio, L3Harris ha un drone a decollo verticale, l'FVR-90, l' barca marina autonoma Shadowfox (13 m di lunghezza), la famiglia di droni sottomarini Iver, ed è l'appaltatore principale per il primo importante contratto assegnato dalla Marina degli Stati Uniti per il veicolo di superficie senza pilota medio (MUSV).

Aerojet è anche uno sviluppatore di missili ipersonici e altri sistemi missilistici.

Nel complesso, L3 Harris è un'azienda tecnologica leader nel settore dei sistemi autonomi, della missilistica e dei sistemi energetici aerospaziali, con una solida competenza tecnica sia per contratti civili che militari.

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni L3 Harris (LHX)

Studio referenziato

^{1. Tristan J. Deppe e Jeremy N. Munday. Generazione di energia meccanica utilizzando la radiazione ambientale terrestre. Science Advances. 12 novembre 2025. Vol. 11, numero 46. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833}