Generare Energia Utilizzando la Radiazione Termica Ambientale della Terra

Sfruttare i Gradienti di Temperatura

La maggior parte dei nostri metodi di generazione di energia si basa su una differenza di temperatura. Questa è spesso creata riscaldando una parte mediante la combustione di combustibili fossili (carbone, petrolio, gas), fissione nucleare, perforazione in profondità sotterranea (geotermia) o concentrazione della luce solare (solare concentrato).

Questa differenza termica viene quindi utilizzata per riscaldare acqua o un altro liquido (come il sale fuso) per attivare una turbina che genera elettricità.

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

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

La temperatura media della superficie terrestre è circa 15 °C (59 °F), mentre lo spazio esterno è a −270 °C (−454 °F). Questo enorme differenziale termico teorico ha da tempo affascinato i ricercatori, ma sfruttarlo è tutt’altro che banale.

Emettere Calore nello Spazio

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

In teoria, un motore capace di emettere a questa lunghezza d’onda, o a una frequenza sufficientemente vicina, emettendo energia verso il cielo più freddo (rispetto al suolo), potrebbe generare elettricità dalla temperatura ambientale.

In effetti, questo metodo è già stato dimostrato, utilizzando dispositivi semiconduttori a bassa banda o generatori termoelettrici. Tuttavia, questi metodi non sono pratici per una generazione di energia economica a causa della loro bassa potenza erogata e della necessità di elementi delle terre rare.

Ma gli scienziati Tristan J. Deppe e Jeremy N. Munday, che lavorano presso l’Università della California, potrebbero aver trovato un’alternativa usando motori Stirling. Hanno pubblicato il loro lavoro nella prestigiosa rivista scientifica Science¹, con il titolo “Mechanical power generation using Earth’s ambient radiation”.

Motori Stirling Spiegati

Mentre la maggior parte dei differenziali di temperatura viene utilizzata per generare energia con 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’altro. In contrasto con i motori a combustione interna o le turbine, non richiede la combustione di materiale.

Il movimento meccanico può quindi essere convertito in elettricità con un semplice alternatore.

I motori Stirling sono notevolmente durevoli, sebbene relativamente pesanti, il che limita le loro applicazioni per il trasporto.

Il loro rendimento è anche leggermente inferiore a quello delle turbine, il che spiega perché non sono comunemente usati nelle centrali termiche 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 utilizzata qui ha 2 componenti:

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

Per gestire l’emissione di calore nell’aria per la parte superiore del motore, viene utilizzata una vernice emisiva infrarossa.

Fonte: Science Advances

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 catturare in movimento/energia.

La nostra dimostrazione di prova di concetto 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, California, con differenze di temperatura di 10 °C (18 °F) e una rotazione a 1 Hz del volano del motore. I test sono stati eseguiti durante tutto l’anno, con la maggior parte del periodo funzionante, sebbene l’inverno con pioggia e nuvole fosse meno efficiente. Più che la temperatura assoluta, è il contenuto di umidità dell’aria a influenzare maggiormente l’efficienza di questo sistema.

Fonte: Science Advances

In condizioni di alta umidità, la differenza tra le temperature di giorno e notte è ridotta a causa dell’alta concentrazione di acqua nell’atmosfera, il che diminuisce la potenza di raffreddamento radiativo, influenzando il potenziale energetico complessivo.

Mappare il Potenziale Energetico Ambientale

Utilizzando i risultati sperimentali, gli scienziati hanno modellato le aree con il miglior potenziale per la loro invenzione.

Hanno tratto alcune conclusioni:

• La densità di potenza è più alta nelle regioni aride e nelle catene montuose, dove la radiazione verso il basso è minima.
• Le aree ad alta umidità hanno un potenziale energetico più basso.
• La generazione di energia è quasi nulla nelle regioni fortemente forestali, dove l’aumento dell’umidità impedisce al refrigeratore di espellere efficacemente il calore verso il cielo.

Utilizzando questi dati, hanno creato una mappa che mostra le aree della Terra con il miglior potenziale per installare motori Stirling radiativi ambientali.

Fonte: Science Advances

Le regioni con il miglior potenziale sono:

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

Miglioramenti Futuri

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Questo lavoro era principalmente una prova di concetto, quindi diversi elementi di progettazione potrebbero essere migliorati.

Il primo elemento sarebbe migliorare la potenza di raffreddamento radiativo. Ciò potrebbe essere ottenuto utilizzando un materiale di raffreddamento radiativo su misura invece di una vernice commerciale.

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

Un motore più grande potrebbe anche aumentare la potenza totale erogata e l’efficienza. L’uso di elio o idrogeno invece dell’aria nel pistone del motore Stirling potrebbe inoltre ridurre l’attrito e aumentare il rendimento.

Infine, la nostra civiltà industriale genera notevoli calori di scarto da serre, fabbriche, sistemi HVAC e edifici residenziali riscaldati in inverno, tra le altre fonti. Questo potrebbe aumentare notevolmente la differenza di temperatura tra suolo e cielo, incrementando la produzione di energia.

In pratica, un differenziale di temperatura di 35‑40 °C (72 °F) può generare quasi 4 volte più potenza rispetto a un differenziale di 15 °C.

Fonte: Science Advances

Verso i “Pannelli Solari Inversi”

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

Potrebbe anche essere un ottimo modo per massimizzare l’uso del calore di scarto, sia esso proveniente da altre forme di generazione 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 calore e lo irradia nuovamente nello spazio.

Se implementato su scala sufficientemente ampia, potrebbe persino generare energia riducendo 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: Innovatori Leader nei Motori Stirling

I motori Stirling sono un’applicazione di nicchia nella generazione di energia, ma rappresentano comunque un mercato da 1,17 Mrd nel 2025, con una crescita prevista dell’8,5 % CAGR fino al 2029, raggiungendo 1,62 Mrd. Tuttavia, poche aziende attive nel settore sono quotate in borsa.

Aerojet Rocketdyne, una filiale del contraente aerospaziale e difesa L3 Harris, sta collaborando con partner come NASA e SunPower Inc per sviluppare motori Stirling per applicazioni spaziali.

Aerojet Rocketdyne è stata acquisita da L3 Harris nel luglio 2023 per 4,7 Mrd, aggiungendo un 4^° dipartimento all’azienda.

Sunpower Inc (per non confondere con Sunpower, l’azienda di pannelli solari (SPWR )) è l’inventore di un design avanzato di motore Stirling: Free-Piston Stirling Engine (FPSE). FPSE può essere usato sia per produrre energia dal calore sia per raffreddare usando energia.

Questa tecnologia è particolarmente applicabile ai Sistemi di Energia Radioisotopica (RPS), che utilizzano il decadimento naturale di materiale radioattivo per generare calore, che il motore Stirling converte in energia elettrica utilizzabile. Un progetto importante per tale motore sarebbe alimentare apparecchiature sulla Luna, o anche una piccola base lunare.

Fonte: NASA

La NASA è interessata ai motori Stirling da molto tempo, grazie alla loro affidabilità, operatività senza manutenzione e lunga durata, soprattutto con l’Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG).

Oltre ai motori Stirling lunari, L3 Harris è una grande azienda militare e aerospaziale. Genera il 60 % dei suoi ricavi dal Dipartimento della Difesa degli USA (DoD), il 20 % da ordini di difesa internazionali e il 20 % dall’industria civile.

In particolare, Harris controlla il 45 % del mercato globale delle radio tattiche, diverse volte più grande del concorrente successivo.

Per quanto riguarda i sistemi senza pilota, L3Harris ha un drone a decollo verticale, il FVR-90, il imbarcazione autonoma marittima Shadowfox (lunghezza 13 m), la famiglia di droni subacquei Iver, e è il contraente principale per il primo grande contratto della Marina degli USA 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 per quanto riguarda i sistemi autonomi, la missilistica e i sistemi energetici aerospaziali, con una solida competenza tecnica sia per contratti civili che militari.

Ultime Notizie e Sviluppi sulle Azioni L3 Harris (LHX)

Studio di Riferimento

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