Generering av kraft ved hjelp av jordens omgivende termiske stråling

Utnyttelse av temperaturgradienter

De fleste av våre kraftgenereringsmetoder er avhengige av en temperaturforskjell. Dette skapes ofte ved å varme opp en del gjennom forbrenning av fossile brensler (kull, olje, gass), kjernefysisk fisjon, boring dypt under jordoverflaten (geotermisk), eller konsentrering av sollys (koncentrert solenergi).

Denne termiske forskjellen brukes deretter til å varme opp vann eller en annen væske (som smeltet salt) for å aktivere en turbin som genererer elektrisitet.

Så selv om direkte innfangning av sollys (fotovoltaikk) eller naturlige bevegelser (vindkraft, vannkraft, tidevann) også er en mulighet, er temperaturgradienter den mest vanlige formen for kraftproduksjon, fra dampmaskinens dager til i dag.

En annen termisk gradient som teoretisk kan utnyttes er temperaturforskjellen mellom jorden og verdensrommet.

Jordens gjennomsnittlige overflatetemperatur er omtrent 15 °C (59 °F), mens verdensrommet ligger på −270 °C (−454 °F). Denne enorme teoretiske termiske differansen har lenge fascinert forskere, men å utnytte den er langt fra trivielt.

Utslipp av varme til verdensrommet

For termisk stråling ved bølgelengder mellom 8 og 13 μm er atmosfæren helt gjennomsiktig og lar jordens varme slippe ut i verdensrommet. Dette er den viktigste mekanismen som gjør at planeten vår kan kjøle seg ned etter å ha mottatt energi fra solen.

Teoretisk sett kan en motor som kan sende ut stråling ved denne bølgelengden, eller en tilstrekkelig nær frekvens som sender energi inn i den kjøligere himmelen (sammenlignet med bakken), generere elektrisitet fra den omgivende temperaturen.

Faktisk har denne metoden allerede blitt demonstrert, ved bruk av enten lavbånds halvleder‑enheter eller termoelektriske generatorer. Men disse metodene er ikke praktiske for økonomisk kraftproduksjon på grunn av lav effekt og behovet for sjeldne jordarter.

Men forskerne Tristan J. Deppe og Jeremy N. Munday, som arbeider ved University of California, kan ha funnet et alternativ ved bruk av Stirling‑motorer. De publiserte arbeidet i den prestisjetunge vitenskapelige tidsskriftet Science¹, under tittelen “Mechanical power generation using Earth’s ambient radiation”.

Stirling‑motorer forklart

Mens de fleste temperaturforskjeller brukes til å generere kraft med turbiner drevet av damp, er et alternativ Stirling‑motoren.

Disse motorene skaper en mekanisk bevegelse når den ene siden av motoren er varmere eller kaldere enn den andre. I motsetning til forbrenningsmotorer eller turbiner krever den ingen forbrenning av materiale.

Den mekaniske bevegelsen kan deretter omdannes til elektrisitet med en enkel alternator.

Stirling‑motorer er bemerkelsesverdig holdbare, selv om de er relativt tunge, noe som begrenser deres bruk i transport.

Deres virkningsgrad er også litt lavere enn turbiner, noe som forklarer hvorfor de ikke er vanlig i termiske eller kjernekraftverk. De kan imidlertid fungere med selv en liten temperaturgradient, mens turbiner krever hundrevis av grader forskjell mellom varmt og kaldt.

Hvordan Stirling‑motorer fanger omgivende termisk energi

Det grunnleggende konseptet for den omgivende termiske kraftgenereringen som brukes her har 2 komponenter:

• Motorens bunnplate er i direkte termisk kontakt med jordens overflate.
• Topplaten er optisk koblet til himmelen.

For å håndtere utslipp av varme inn i luften for den øvre delen av motoren, brukes en infrarød‑utstrålende maling.

Kilde: Science Advances

Denne metoden utnytter den lille temperaturforskjellen mellom bakken og luften, spesielt om natten, som kun en Stirling‑motor er i stand til å fange inn i bevegelse/energi.

Vår proof‑of‑concept‑demonstrasjon kobler motoren radiativt til himmelen og leverer >400 mW/m² kontinuerlig kraft på jorden gjennom natten.

Testing i virkelige forhold

Metoden ble testet i Davis, California, med temperaturforskjeller på 10 °C (18 °F) og en 1‑Hz rotasjon av motorens svinghjul. Testing ble utført gjennom hele året, med mesteparten av perioden i drift, selv om vinteren med regn og skyer var mindre effektiv. Mer enn den absolutte temperaturen er det luftens fuktighetsinnhold som påvirker systemets effektivitet mest.

Kilde: Science Advances

I høy‑fuktighetsforhold reduseres forskjellen mellom dag‑ og nattemperatur på grunn av høye konsentrasjoner av vann i atmosfæren, noe som reduserer den radiative kjølekraften og påvirker det samlede energipotensialet.

Kartlegging av omgivende energipotensial

Ved å bruke sine eksperimentelle resultater, modellerte forskerne områdene med best potensial for oppfinnelsen.

De kom til noen konklusjoner:

• Energitettheten er høyest i tørre regioner og fjellkjeder, hvor nedadgående stråling er lavest.
• Områder med høyere fuktighet har lavere energipotensial.
• Kraftproduksjon er nær null i tett skogkledde regioner, hvor økt fuktighet hindrer kjøleren i å slippe varme effektivt til himmelen.

Ved hjelp av disse dataene laget de et kart som viser jordens områder med best potensial for å distribuere omgivende strålende Stirling‑motorer.

Kilde: Science Advances

Regionene med best potensial er:

• Sahara‑Afrika.
• Den eurasiske steppen.
• Antarktis om sommeren.
• Innlandsområder på USAs vestkyst.
• Andesfjellene
• Det tibetanske platået.

Fremtidige forbedringer

Sveip for å bla →

Dette arbeidet var i stor grad en proof‑of‑concept, så flere designelementer kan forbedres.

Det første elementet ville være å forbedre den radiative kjølekraften. Dette kan oppnås ved å bruke et skreddersydd radiativt kjølematerial i stedet for kommersiell maling.

Det andre elementet ville være å øke den ledende koblingen til jorden, for eksempel ved å bruke en større kontaktflate og materialer med høyere termisk ledningsevne som kobber.

En større motor kunne også øke total effekt og effektivitet. Å bruke helium eller hydrogen i stedet for luft i Stirling‑motorens stempel kunne også redusere friksjon og øke avkastningen.

Til slutt genererer vår industrielle sivilisasjon betydelig avfallsvarme fra drivhus, fabrikker, HVAC‑systemer og oppvarmede boliger om vinteren, blant andre kilder. Dette kunne øke temperaturforskjellen mellom bakken og himmelen kraftig, og dermed øke energiproduksjonen.

I praksis kan en temperaturforskjell på 35‑40 °C (72 °F) generere nesten fire ganger så mye kraft sammenlignet med en differanse på 15 °C.

Kilde: Science Advances

Mot «omvendte solcellepaneler»

Fordi dette designet fungerer best om natten (selv om det også kunne fungere om dagen med designendringer), ser det ut til å være et godt supplement til fotovoltaiske solcellepaneler.

Det kan også være en utmerket måte å maksimere bruken av avfallsvarme, enten den kommer fra andre former for kraftproduksjon, industrielle prosesser, varme bygninger (kontorer, leiligheter, hus) eller drivhus.

Til slutt kunne det designes som en ekstra kjølemetode som installeres på bygninger, hvor systemet absorberer varme og stråler den tilbake ut i verdensrommet.

Hvis det distribueres i tilstrekkelig stor skala, kan det til og med generere kraft samtidig som det reduserer jordens totale innfangede varme, noe som er ganske unikt sammenlignet med alle andre kraftgenereringsmetoder.

Stirling‑motorselskaper

Aerojet Rocketdyne og L3 Harris: Ledende innovatører innen Stirling‑motorer

Stirling‑motorer er en nisjeapplikasjon innen energigenerering, men utgjør fortsatt et marked på $1,17 mrd i 2025, forventet å vokse med 8,5 % CAGR frem til 2029, og nå $1,62 mrd. Få selskaper i sektoren er imidlertid børsnotert.

Aerojet Rocketdyne , en avdeling av romfarts‑ og forsvarsentreprenøren L3 Harris, samarbeider med partnere som NASA og SunPower Inc for å utvikle Stirling‑motorer for romapplikasjoner.

Aerojet Rocketdyne ble kjøpt opp av L3 Harris i juli 2023 for $4,7 mrd, og la til en 4^th avdeling i selskapet.

Sunpower Inc (for å unngå forveksling med solcelle‑selskapet (SPWR )) er oppfinneren av et avansert Stirling‑motor‑design: Free‑Piston Stirling Engine (FPSE). FPSE kan både produsere kraft fra varme og kjøle ved hjelp av kraft.

Denne teknologien er spesielt anvendelig for Radioisotope Power Systems (RPS), som bruker naturlig nedbrytning av radioaktivt materiale for å generere varme, som Stirling‑motoren konverterer til brukbar elektrisk kraft. Et stort prosjekt for en slik motor ville være å drive utstyr på Månen, eller til og med en liten månbas.

Kilde: NASA

NASA har vært interessert i Stirling‑motorer i lang tid, takket være deres pålitelighet, vedlikeholdsfrie drift og lange levetid, spesielt med den avanserte Stirling Radioisotope Generator (ASRG).

I tillegg til månelignende Stirling‑motorer, er L3 Harris et stort militært og romfartsfirma. De genererte 60 % av inntektene fra USAs forsvarsdepartement (DoD), 20 % fra internasjonale forsvarsordrer, og 20 % fra sivile industrier.

Merkbart kontrollerer Harris 45 % av det globale markedet for taktiske radioer, flere ganger større enn neste konkurrent.

Når det gjelder ubemannede systemer, har L3Harris en vertikal start‑drone, FVR‑90, den marine autonome båten Shadowfox (13 m lang), familien av undervannsdroner Iver, og er hovedentreprenør for US Navy sitt første store kontraktstildeling for Medium Unmanned Surface Vehicle (MUSV).

Aerojet er også utvikler av hypersoniske missiler og andre missilsystemer.

Alt i alt er L3 Harris en ledende teknologibedrift når det gjelder autonome systemer, rakettfart og romfarts‑energissystemer, med solid teknisk ekspertise for både sivile og militære kontrakter.

Siste L3 Harris (LHX) aksjenyheter og utviklinger

Studie referert

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