지구의 주변 열복사를 이용한 전력 생성

온도 구배 활용

Most of our power generation methods rely on a temperature differential. This is often created by heating one part through the combustion of fossil fuels (coal, oil, gas), nuclear fission, drilling deep underground (geothermal), or concentrating sunlight (concentrated solar).

이 열 차이는 물이나 다른 액체(예: 용융 염)를 가열하여 터빈을 작동시키고 전기를 생산하는 데 사용됩니다.

따라서 직접 햇빛을 포착하는 태양광 발전이나 자연 움직임(풍력, 수력, 조력)도 가능하지만, 열 구배는 증기 기관 시대부터 오늘날까지 가장 일반적인 전력 생산 형태입니다.

이론적으로 활용될 수 있는 또 다른 열 구배는 지구와 외부 우주 사이의 온도 차이입니다.

Earth’s average surface temperature is roughly 15°C (59°F), while outer space sits at −270°C (−454°F). This enormous theoretical thermal differential has long intrigued researchers, but tapping it is far from trivial.

우주로 열 방출

For thermal radiation at wavelengths between 8 and 13 μm, the atmosphere is fully transparent and allows Earth’s heat to escape into space. This is the principal mechanism that allows our planet to cool down after receiving energy from the Sun.

이론적으로, 이 파장대에서 방출할 수 있는 엔진이나, 지면보다 차가운 하늘로 에너지를 방출하는 충분히 가까운 주파수의 엔진은 주변 온도만으로 전기를 생성할 수 있습니다.

실제로, 저밴드 반도체 소자나 열전 발전기를 이용한 방법이 이미 시연되었습니다. 그러나 출력이 낮고 희귀 금속이 필요하기 때문에 경제적인 전력 생산에는 실용적이지 않습니다.

But scientists Tristan J. Deppe and Jeremy N. Munday, working at the  University of California, might have found an alternative using Stirling engines. They published their work in the prestigious scientific review Science¹, under the title “Mechanical power generation using Earth’s ambient radiation”.

스털링 엔진 설명

While most temperature differentials are used to generate power with turbines moved by steam, an alternative is the Stirling engine.

이 엔진은 한쪽이 다른쪽보다 뜨겁거나 차가울 때 기계적 움직임을 생성합니다. 내부 연소 엔진이나 터빈과 달리 연료를 태울 필요가 없습니다.

The mechanical motion can then be converted into electricity with a simple alternator.

Stirling engines are remarkably durable, although relatively heavy, limiting their applications for transportation.

Their yield is also slightly lower than that of turbines, which explains why they are not commonly used in thermal or nuclear power plants. However, they can function with even a small temperature gradient, while turbines require hundreds of degrees of difference between hot and cold.

스털링 엔진이 주변 열에너지를 포착하는 방법

The basic concept of the ambient thermal power generation used here has 2 components:

• The engine’s bottom plate is in direct thermal contact with Earth’s surface.
• The top plate is optically coupled to the sky.

To manage the emission of heat into the air for the top part of the engine, an infrared-emissive paint is used.

출처: Science Advances

This method leverages the small temperature difference between the ground and the air, especially at night, which only a Stirling engine is able to capture into motion/energy.

우리의 개념 증명 시연은 엔진을 하늘에 복사적으로 결합하고 밤 동안 지구에서 연속적으로 400 mW/m² 이상의 전력을 제공합니다.

실제 조건에서 테스트

The method was tested in Davis, California, with temperature differences of 10°C (18°F) and a 1-Hz rotation of the engine’s flywheel. Testing was performed throughout the year, with most of the period working, although winter with rain and clouds was less efficient. More than the absolute temperature, it is the air moisture content that affects the efficiency of this system the most.

출처: Science Advances

In high-humidity conditions, the difference between day and night temperatures is reduced due to high concentrations of water in the atmosphere, which reduces radiative cooling power, impacting the overall energy potential.

주변 에너지 잠재력 매핑

Using their experimental results, the scientists went on to model the areas with the best potential for their invention.

They drew a few conclusions:

• The power density is highest in arid regions and mountain ranges, where downward radiation is lowest.
• Higher-humidity areas are lower in energy potential.
• Power generation is close to zero in heavily forested regions, where increased humidity prevents the cooler from effectively exhausting heat to the sky.

Using these data, they created a map showing the areas of Earth with the best potential to deploy ambient radiative Stirling engines.

출처: Science Advances

The regions with the best potential are:

• Saharan Africa.
• The Eurasian Steppe.
• Antarctica during the summer.
• Inland regions of the US West Coast.
• The Andes mountains
• The Tibetan plateau.

향후 개선점

스크롤하려면 스와이프 →

This work was very much a proof-of-concept, so several design elements could be improved.

첫 번째 요소는 복사 냉각 능력을 향상시키는 것입니다. 상업용 페인트 대신 맞춤형 복사 냉각 재료를 사용하면 달성할 수 있습니다.

두 번째 요소는 지구와의 전도 결합을 늘리는 것으로, 예를 들어 접촉 면적을 확대하고 구리와 같은 높은 열전도성을 가진 재료를 사용하는 것이 있습니다.

더 큰 엔진은 전체 전력 출력과 효율성을 높일 수 있습니다. 스털링 엔진 피스톤에 공기 대신 헬륨이나 수소를 사용하면 마찰을 줄이고 수율을 증가시킬 수 있습니다.

마지막으로, 우리 산업 문명은 온실, 공장, HVAC 시스템, 겨울 난방 주택 등에서 상당한 폐열을 발생시킵니다. 이는 지면과 하늘 사이의 온도 차이를 크게 증가시켜 에너지 생산을 촉진할 수 있습니다.

실제로, 35‑40°C(72°F)의 온도 차이는 15°C 차이에 비해 거의 4배의 전력을 생성할 수 있습니다.

출처: Science Advances

“역태양광 패널”을 향하여

Because this design works best at night (although it could also run during the day with design changes), it seems to make a good complement to photovoltaic solar panels.

또한 다른 형태의 전력 생산, 산업 공정, 따뜻한 건물(사무실, 아파트, 주택) 또는 온실에서 발생하는 폐열을 최대한 활용하는 좋은 방법이 될 수 있습니다.

마지막으로, 건물에 설치하여 시스템이 열을 흡수하고 다시 우주로 복사하는 추가 냉각 방식으로 설계될 수도 있습니다.

If deployed at a large enough scale, it could even generate power while reducing the Earth’s overall captured heat, which is rather unique compared to all other power generation methods.

스털링 엔진 기업

Aerojet Rocketdyne와 L3 Harris: 선도적인 스털링 엔진 혁신가

스털링 엔진은 에너지 생산 분야에서 틈새 적용이지만, 2025년 11억 7천만 달러 시장, 2029년까지 연평균 8.5% 성장해 16억 2천만 달러에 이를 것으로 예상합니다. 그러나 이 분야에서 활동하는 기업 중 공개 상장된 기업은 거의 없습니다.

Aerojet Rocketdyne 은 항공우주 및 방위 계약업체 L3 Harris의 계열사로, NASA와 SunPower Inc와 같은 파트너와 협력해 우주용 스털링 엔진을 개발하고 있습니다.

Aerojet Rocketdyne은 2023년 7월에 47억 달러에 인수되어 회사에 4^th 부서를 추가했습니다.

Sunpower Inc (to not mismatch for Sunpower, the solar panel company (SPWR )) is the inventor of an advanced design of Stirling engine: Free-Piston Stirling Engine (FPSE). FPSE can be used to both produce power from heat and to cool using power.

This technology is especially applicable to Radioisotope Power Systems (RPS), which uses the natural decay of radioactive material to generate heat, which the Stirling engine converts into usable electrical power. One major project for such an engine would be to power equipment on the Moon, or even a small lunar base.

출처: NASA

NASA는 오랜 기간 동안 스털링 엔진에 관심을 가져왔으며, 특히 Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG)의 신뢰성, 무정비 운용, 긴 수명 때문에 주목하고 있습니다.

L3 Harris는 주요 군사 및 항공우주 기업으로, 매출의 60%를 미국 국방부(DoD)에서, 20%를 국제 방위 주문에서, 나머지 20%를 민간 산업에서 얻고 있습니다.

특히 Harris는 전 세계 전술 라디오 시장의 45%를 차지하고 있어, 다음 경쟁자를 크게 앞서고 있습니다.

무인 시스템에 관해서는, L3 Harris가 무인 시스템을 보유하고 있으며, 수직 이착륙 드론 FVR-90, 해양 무인 보트 Shadowfox(길이 13 m), Iver 시리즈 수중 드론 등을 제공하고 있으며, 미국 해군의 첫 주요 계약인 중형 무인 수상 차량 (MUSV)의 주요 계약자를 맡고 있습니다.

Aerojet은 또한 극초음속 미사일 및 기타 미사일 시스템을 개발하고 있습니다.

Overall, L3 Harris is a leading technology company when it comes to autonomous systems, rocketry, and aerospace energy systems, with a solid technical expertise for both civilian and military contracts.

최신 L3 Harris (LHX) 주식 뉴스 및 개발 현황

참조 연구

^{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}