Generera kraft med jordens omgivande termiska strålning

Utnyttja temperaturgradienter

De flesta av våra kraftgenereringsmetoder bygger på en temperaturdifferens. Den skapas ofta genom att värma upp en del via förbränning av fossila bränslen (kol, olja, gas), kärnklyvning, borrning djupt under jord (geotermisk), eller genom att koncentrera solljus (koncentrerad sol).

Denna termiska skillnad används sedan för att värma vatten eller en annan vätska (t.ex. smält salt) för att driva en turbin som genererar elektricitet.

Så även om direkt fångst av solljus (fotovoltaik) eller naturliga rörelser (vindkraft, vattenkraft, tidvattenkraft) är möjliga, är temperaturgradienter den vanligaste formen av kraftgenerering, från ångmaskinens dagar till idag.

En annan termisk gradient som teoretiskt kan utnyttjas är temperaturdifferensen mellan jorden och rymden.

Jordens genomsnittliga yttemperatur är ungefär 15 °C (59 °F), medan rymden ligger på −270 °C (−454 °F). Denna enorma teoretiska termiska skillnad har länge fascinerat forskare, men att utnyttja den är långt ifrån enkelt.

Utsläpp av värme till rymden

För termisk strålning vid våglängder mellan 8 och 13 μm är atmosfären helt genomskinlig och tillåter jordens värme att fly från rymden. Detta är den huvudsakliga mekanismen som gör att vår planet kan svalna efter att ha mottagit energi från solen.

I teorin skulle en motor som kan avge strålning vid denna våglängd, eller en tillräckligt nära frekvens som avger energi till den kallare himlen (jämfört med marken), kunna generera elektricitet från den omgivande temperaturen.

Faktum är att denna metod redan har demonstrerats, med antingen låggapsemikonduktorer eller termoelektriska generatorer. Men dessa metoder är inte praktiska för ekonomisk kraftgenerering på grund av deras låga effektutbyte och behovet av sällsynta jordartsmetaller.

Men forskarna Tristan J. Deppe och Jeremy N. Munday, som arbetar vid University of California, kan ha hittat ett alternativ med Stirlingmotorer. De publicerade sitt arbete i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Science¹, under titeln “Mechanical power generation using Earth’s ambient radiation”.

Stirlingmotorer förklarade

Medan de flesta temperaturdifferenser används för att generera kraft med turbiner som drivs av ånga, är ett alternativ Stirlingmotorn.

Dessa motorer skapar en mekanisk rörelse när ena sidan av motorn är varmare eller kallare än den andra. Till skillnad från förbränningsmotorer eller turbiner kräver den ingen förbränning av material.

Den mekaniska rörelsen kan sedan omvandlas till elektricitet med en enkel växelriktare.

Stirlingmotorer är anmärkningsvärt hållbara, men relativt tunga, vilket begränsar deras användning för transport.

Deras verkningsgrad är också något lägre än turbiner, vilket förklarar varför de inte är vanliga i termiska eller kärnkraftverk. Däremot kan de fungera med även en liten temperaturgradient, medan turbiner kräver hundratals grader skillnad mellan varmt och kallt.

Hur Stirlingmotorer fångar omgivande termisk energi

Det grundläggande konceptet för den omgivande termiska kraftgenereringen som används här har två komponenter:

• Motorns bottenplatta är i direkt termisk kontakt med jordens yta.
• Topplådan är optiskt kopplad till himlen.

För att hantera utsläppet av värme till luften för motorns övre del används en infraröd‑emitterande färg.

Källa: Science Advances

Denna metod utnyttjar den lilla temperaturdifferensen mellan marken och luften, särskilt på natten, som endast en Stirlingmotor kan omvandla till rörelse/energi.

Vår proof‑of‑concept‑demonstration kopplar radiativt motorn till himlen och levererar >400 mW/m² kontinuerlig kraft på jorden under hela natten.

Testning i verkliga förhållanden

Metoden testades i Davis, Kalifornien, med temperaturdifferenser på 10 °C (18 °F) och en 1 Hz-rotation av motorns svänghjul. Testning utfördes året runt, och den fungerade under större delen av perioden, även om vintern med regn och moln var mindre effektiv. Mer än den absoluta temperaturen är luftfuktigheten den faktor som påverkar systemets verkningsgrad mest.

Källa: Science Advances

Under högfuktiga förhållanden minskar skillnaden mellan dag‑ och natt‑temperaturer på grund av höga vattenkoncentrationer i atmosfären, vilket minskar den radiativa kylkraften och påverkar den totala energipotentialen.

Kartläggning av omgivande energipotential

Med hjälp av sina experimentella resultat modellerade forskarna områdena med bäst potential för sin uppfinning.

De drog några slutsatser:

• Energitätheten är högst i torra regioner och bergskedjor, där den nedåtriktade strålningen är lägst.
• Områden med hög luftfuktighet har lägre energipotential.
• Kraftgenerering är nära noll i kraftigt skogbevuxna regioner, där ökad luftfuktighet hindrar kylsystemet från att effektivt avge värme till himlen.

Med dessa data skapade de en karta som visar jordens områden med bäst potential för att placera omgivande radiativa Stirlingmotorer.

Källa: Science Advances

Regionerna med bäst potential är:

• Sahara‑afrika.
• Eurasiatiska stäppen.
• Antarktis under sommaren.
• Inlandsområden på USA:s västkust.
• Anderna.
• Tibetiska platån.

Framtida förbättringar

Svep för att rulla →

Detta arbete var i huvudsak ett proof‑of‑concept, så flera designelement kan förbättras.

Det första elementet skulle vara att förbättra den radiativa kylkraften. Detta kan uppnås genom att använda ett skräddarsytt radiativt kylmaterial istället för kommersiell färg.

Det andra elementet skulle vara att öka den ledande kopplingen till jorden, till exempel genom att använda en större kontaktyta och material med högre värmeledningsförmåga som koppar.

En större motor kan också öka den totala effektutgången och verkningsgraden. Att använda helium eller väte istället för luft i Stirlingmotorns kolv kan dessutom minska friktion och öka avkastningen.

Slutligen genererar vårt industriella samhälle betydande spillvärme från växthus, fabriker, HVAC‑system och uppvärmda bostadsbyggnader på vintern, bland andra källor. Detta kan kraftigt öka temperaturdifferensen mellan mark och himmel, vilket ökar energiproduktionen.

I praktiken kan en temperaturdifferens på 35–40 °C (72 °F) generera nästan fyra gånger så mycket kraft jämfört med en differens på 15 °C.

Källa: Science Advances

Mot “omvända solpaneler”

Eftersom denna design fungerar bäst på natten (även om den också kan fungera på dagen med designändringar) verkar den vara ett bra komplement till fotovoltaiska solpaneler.

Den kan också vara ett utmärkt sätt att maximera användningen av spillvärme, oavsett om den kommer från andra former av kraftgenerering, industriella processer, varma byggnader (kontor, lägenheter, hus) eller växthus.

Slutligen kan den utformas som en extra kylmetod för installation på byggnader, där systemet absorberar värme och strålar tillbaka den till rymden.

Om den implementeras i tillräckligt stor skala kan den till och med generera kraft samtidigt som den minskar jordens totala uppsamlade värme, vilket är ganska unikt jämfört med alla andra kraftgenereringsmetoder.

Stirlingmotorföretag

Aerojet Rocketdyne och L3 Harris: Ledande innovatörer inom Stirlingmotorer

Stirlingmotorer är en nischapplikation inom energigenerering, men är fortfarande en marknad på 1,17  miljarder dollar år 2025, förväntas växa med 8,5 % CAGR till 2029 och nå 1,62  miljarder dollar. Dock är få företag verksamma i sektorn börsnoterade.

Aerojet Rocketdyne , en gren av rymd‑ och försvarskoncernen L3 Harris, samarbetar med partners som NASA och SunPower Inc för att utveckla Stirlingmotorer för rymdapplikationer.

Aerojet Rocketdyne förvärvades av L3 Harris i juli 2023 för $4.7B, lägger till en 4^th avdelning till företaget.

Sunpower Inc (för att inte förväxla med Sunpower, solpanelföretaget (SPWR )) är uppfinnaren av en avancerad design av Stirlingmotor: Free‑Piston Stirling Engine (FPSE). FPSE kan användas både för att producera kraft från värme och för att kyla med hjälp av kraft.

Denna teknik är särskilt tillämplig på Radioisotope Power Systems (RPS), som använder den naturliga sönderfallet av radioaktivt material för att generera värme, som Stirlingmotorn omvandlar till användbar elektrisk kraft. Ett stort projekt för en sådan motor skulle vara att driva utrustning på månen, eller till och med en liten månbas.

Källa: NASA

NASA har länge varit intresserade av Stirlingmotorer, tack vare deras pålitlighet, underhållsfria drift och långa livslängd, särskilt med Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG).

Förutom månstyrda Stirlingmotorer är L3 Harris ett stort militärt och rymdföretag. Det genererade 60 % av sina intäkter från USA:s försvarsdepartement (DoD), 20 % från internationella försvarsorder och 20 % från civila industrier.

Noterbart kontrollerar Harris 45 % av den globala marknaden för taktiska radioapparater, flera gånger större än nästa konkurrent.

När det gäller obemannade system har L3Harris en vertikal startdrönare, FVR-90, den marina autonoma båten Shadowfox (13 m lång), familjen av undervattensdrönare Iver, och är huvudleverantör för den amerikanska flottans första stora kontrakt för Medium Unmanned Surface Vehicle (MUSV).

Aerojet är också en utvecklare av hypersoniska missiler och andra missilsystem.

Sammanfattningsvis är L3 Harris ett ledande teknikföretag när det gäller autonoma system, raketteknik och rymdenergissystem, med gedigen teknisk expertis för både civila och militära kontrakt.

Senaste L3 Harris (LHX) aktienyheter och utvecklingar

Studie refererad

^{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}