Stroom opwekken met behulp van de omgevingswarmtestraling van de aarde

Temperatuurgraadverschillen benutten

De meeste van onze stroomopwekkingsmethoden zijn afhankelijk van een temperatuurverschil. Dit wordt vaak gecreëerd door één deel te verwarmen via de verbranding van fossiele brandstoffen (kolen, olie, gas), kernsplijting, diep ondergronds boren (geothermie), of door zonlicht te concentreren (geconcentreerde zonne‑energie).

Dit thermische verschil wordt vervolgens gebruikt om water of een andere vloeistof (zoals gesmolten zout) te verwarmen om een turbine aan te drijven die elektriciteit genereert.

Dus hoewel het direct opvangen van zonlicht (fotovoltaïsche cellen) of natuurlijke bewegingen (windenergie, waterkracht, getijde‑energie) ook mogelijk is, zijn thermische gradiënten de meest voorkomende vorm van stroomopwekking, van de dagen van de stoommachine tot nu.

Een ander thermisch gradient dat theoretisch benut kan worden, is het temperatuurverschil tussen de aarde en de ruimte.

De gemiddelde oppervlaktetemperatuur van de aarde is ongeveer 15 °C (59 °F), terwijl de ruimte −270 °C (−454 °F) is. Dit enorme theoretische thermische verschil heeft onderzoekers al lange tijd gefascineerd, maar het benutten ervan is verre van eenvoudig.

Warmte uitstralen naar de ruimte

Voor thermische straling met golflengten tussen 8 en 13 μm is de atmosfeer volledig transparant en laat het de warmte van de aarde ontsnappen naar de ruimte. Dit is het belangrijkste mechanisme waardoor onze planeet afkoelt na het ontvangen van energie van de zon.

In theorie zou een motor die op deze golflengte kan uitstralen, of een voldoende nabije frequentie die energie uitstraalt naar de koelere lucht (vergeleken met de grond), elektriciteit kunnen genereren uit de omgevingswarmte.

In feite is deze methode al gedemonstreerd, met behulp van lage‑bandgap halfgeleiderapparaten of thermoelectrische generatoren. Maar deze methoden zijn niet praktisch voor economische stroomopwekking vanwege hun lage vermogensoutput en de noodzaak van zeldzame aardmetalen.

Maar wetenschappers Tristan J. Deppe en Jeremy N. Munday, werkzaam aan de University of California, hebben mogelijk een alternatief gevonden met Stirling‑motoren. Ze publiceerden hun werk in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Science¹, onder de titel “Mechanical power generation using Earth’s ambient radiation”.

Stirling‑motoren uitgelegd

Hoewel de meeste temperatuurverschillen worden gebruikt om stroom te genereren met turbines aangedreven door stoom, is een alternatief de Stirling‑motor.

Deze motoren creëren een mechanische beweging wanneer één kant van de motor heter of koeler is dan de andere. In tegenstelling tot verbrandingsmotoren of turbines vereist hij geen verbranding van materiaal.

De mechanische beweging kan vervolgens worden omgezet in elektriciteit met een eenvoudige alternator.

Stirling‑motoren zijn opmerkelijk duurzaam, hoewel relatief zwaar, wat hun toepassingen voor transport beperkt.

Hun rendement is ook iets lager dan dat van turbines, wat verklaart waarom ze niet vaak worden gebruikt in thermische of nucleaire krachtcentrales. Ze kunnen echter functioneren met zelfs een klein temperatuurverschil, terwijl turbines honderden graden verschil tussen heet en koud nodig hebben.

Hoe Stirling‑motoren omgevingswarmteenergie opvangen

Het basisconcept van de hier gebruikte omgevingswarmte‑stroomopwekking heeft 2 componenten:

• De onderplaat van de motor staat in direct thermisch contact met het aardoppervlak.
• De bovenplaat is optisch gekoppeld aan de lucht.

Om de emissie van warmte naar de lucht voor het bovenste deel van de motor te regelen, wordt een infrarood‑emissieve verf gebruikt.

Bron: Science Advances

Deze methode maakt gebruik van het kleine temperatuurverschil tussen de grond en de lucht, vooral ‘s nachts, dat alleen een Stirling‑motor kan omzetten in beweging/energie.

Onze proof‑of‑concept demonstratie koppelt de motor radiatief aan de lucht en levert >400 mW/m² continue stroom op aarde gedurende de nacht.

Testen onder realistische omstandigheden

De methode werd getest in Davis, Californië, met temperatuurverschillen van 10 °C (18 °F) en een rotatie van 1 Hz van het vliegwiel van de motor. De tests werden het hele jaar door uitgevoerd, waarbij het grootste deel van de periode werkte, hoewel de winter met regen en wolken minder efficiënt was. Meer dan de absolute temperatuur is het vochtgehalte in de lucht dat de efficiëntie van dit systeem het meest beïnvloedt.

Bron: Science Advances

Bij hoge luchtvochtigheid wordt het verschil tussen dag‑ en nachttemperaturen verkleind door de hoge waterconcentraties in de atmosfeer, waardoor de radiatieve koelcapaciteit afneemt en de totale energiemogelijkheid wordt beïnvloed.

Kaart van omgevingsenergiemogelijkheden

Op basis van hun experimentele resultaten modelleerden de wetenschappers de gebieden met het grootste potentieel voor hun uitvinding.

Ze trokken enkele conclusies:

• De energiedichtheid is het hoogst in droge gebieden en bergketens, waar de neerwaartse straling het laagst is.
• Gebieden met hogere luchtvochtigheid hebben een lager energiepunt.
• Stroomopwekking is bijna nul in sterk beboste gebieden, waar de verhoogde vochtigheid de koeler verhindert effectief warmte naar de lucht af te voeren.

Met behulp van deze gegevens maakten ze een kaart die de gebieden op aarde toont met het grootste potentieel voor het inzetten van omgevings‑radiatieve Stirling‑motoren.

Bron: Science Advances

De regio’s met het grootste potentieel zijn:

• Sahara‑Afrika.
• De Euraziatische steppe.
• Antarctica tijdens de zomer.
• Het binnenland van de westkust van de VS.
• De Andes‑bergen
• Het Tibetaanse plateau.

Toekomstige verbeteringen

Swipe to scroll →

Dit werk was vooral een proof‑of‑concept, dus verschillende ontwerpelementen kunnen worden verbeterd.

Het eerste element zou het verbeteren van de radiatieve koelcapaciteit zijn. Dit kan worden bereikt door een op maat gemaakt radiatief koelmateriaal te gebruiken in plaats van commerciële verf.

Het tweede element zou het vergroten van de conductieve koppeling met de aarde zijn, bijvoorbeeld door een groter contactoppervlak en materialen met een hogere thermische geleidbaarheid zoals koper te gebruiken.

Een grotere motor kan ook de totale vermogensoutput en efficiëntie verhogen. Het gebruik van helium of waterstof in plaats van lucht in de Stirling‑motorpiston kan bovendien wrijving verminderen en het rendement verhogen.

Ten slotte genereert onze industriële beschaving aanzienlijke afvalwarmte van kassen, fabrieken, HVAC‑systemen en verwarmde woongebouwen in de winter, naast andere bronnen. Dit zou het temperatuurverschil tussen grond en lucht sterk kunnen vergroten, waardoor de energieproductie toeneemt.

In de praktijk kan een temperatuurverschil van 35‑40 °C (72 °F) bijna 4 keer zoveel vermogen genereren vergeleken met een verschil van 15 °C.

Bron: Science Advances

Naar “omgekeerde zonnepanelen”

Omdat dit ontwerp het beste werkt ‘s nachts (hoewel het ook overdag kan functioneren met ontwerpaanpassingen), lijkt het een goede aanvulling op fotovoltaïsche zonnepanelen.

Het kan ook een uitstekende manier zijn om het gebruik van afvalwarmte te maximaliseren, of die nu afkomstig is van andere vormen van stroomopwekking, industriële processen, warme gebouwen (kantoren, appartementen, huizen) of kassen.

Ten slotte kan het worden ontworpen als een extra koelmethode voor gebouwen, waarbij het systeem warmte absorbeert en terug uitstraalt naar de ruimte.

Als het op voldoende grote schaal wordt ingezet, kan het zelfs stroom genereren terwijl het de totale opgevangen warmte van de aarde vermindert, wat vrij uniek is vergeleken met alle andere stroomopwekkingsmethoden.

Stirling‑motorbedrijven

Aerojet Rocketdyne en L3 Harris: toonaangevende Stirling‑motorinnovators

Stirling‑motoren zijn een niche‑toepassing in energieopwekking, maar vormen nog steeds een markt van $1,17 mrd in 2025, naar verwachting groeiend met 8,5 % CAGR tot 2029, en $1,62 mrd bereikend. Echter, weinig bedrijven die actief zijn in de sector zijn beursgenoteerd.

Aerojet Rocketdyne, een tak van de ruimtevaart‑ en defensiecontractant L3 Harris, werkt samen met partners zoals NASA en SunPower Inc. om Stirling‑motoren voor ruimte‑toepassingen te ontwikkelen.

Aerojet Rocketdyne werd in juli 2023 voor $4.7B, toevoegend een 4^de afdeling aan het bedrijf.

Sunpower Inc (om verwarring met Sunpower, het zonnepaneelbedrijf (SPWR )) is de uitvinder van een geavanceerd ontwerp van Stirling‑motor: Free‑Piston Stirling Engine (FPSE). FPSE kan zowel worden gebruikt om stroom uit warmte te produceren als om te koelen met behulp van stroom.

Deze technologie is vooral toepasbaar op Radioisotope Power Systems (RPS), die de natuurlijke verval van radioactief materiaal gebruiken om warmte te genereren, die de Stirling‑motor omzet in bruikbare elektrische stroom. Een belangrijk project voor zo’n motor zou het aandrijven van apparatuur op de maan zijn, of zelfs een kleine maanbasis.

Bron: NASA

NASA is al lange tijd geïnteresseerd in Stirling‑motoren, dankzij hun betrouwbaarheid, onderhoudsvrije werking en lange levensduur, vooral met de Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG).

Naast maan‑Stirling‑motoren is L3 Harris een groot militair en ruimtevaartbedrijf. Het genereerde 60 % van zijn omzet uit het Amerikaanse Ministerie van Defensie (DoD), 20 % uit internationale defensie‑opdrachten, en 20 % uit de civiele industrieën.

Opmerkelijk is dat Harris 45 % van de wereldwijde markt voor tactische radio’s controleert, vele malen groter dan de volgende concurrent.

Met betrekking tot onbemande systemen, heeft L3Harris een verticale startdrone, de FVR-90, de maritieme autonome boot Shadowfox (13 m lang), de familie van onderwaterdrones Iver, en is de hoofdaannemer voor de eerste grote contracttoekenning van de Amerikaanse marine voor het Medium Unmanned Surface Vehicle (MUSV).

Aerojet is ook een ontwikkelaar van hypersonische raketten en andere raketsystemen.

Over het geheel genomen is L3 Harris een toonaangevend technologiebedrijf op het gebied van autonome systemen, rakettechniek en ruimtevaart‑energiesystemen, met een solide technische expertise voor zowel civiele als militaire contracten.

Laatste L3 Harris (LHX) aandelen‑nieuws en ontwikkelingen

Bestudeerde Studie

^{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}