У ясні ночі Земля тихо віддає тепло в космос. Інженери з Каліфорнійського університету в Девісі показали, що це природне охолодження може створювати стабільний потік енергії. Їхній невеликий зовнішній двигун використовував нічне небо як холодний резервуар, підтримував значну різницю температур упродовж ночі та виробляв достатньо потужності, щоб запускати маленький вентилятор. Дослідження демонструє новий спосіб добування нічної енергії за допомогою пасивних фізичних процесів.
Нічне небо генерує енергію
Роботу очолив доктор Джеремі Мандей з Каліфорнійського університету в Девісі (UC Davis). Його дослідження зосереджені на чистій енергетиці, фотоніці та радіаційних теплових пристроях. У ясні ночі небо діє як тепловий стік, який відводить енергію через радіаційне охолодження — втрату тепла в космос у вигляді інфрачервоного випромінювання.
Поверхня, спрямована в небо й здатна ефективно випромінювати, може охолоджуватися значно нижче температури повітря без насосів чи компресорів. Уночі радіатор охолоджується через певний діапазон довжин хвиль, де атмосфера особливо прозора. Цю ділянку називають атмосферним вікном — набором інфрачервоних хвиль, які найменше поглинаються повітрям.
Нижня пластина двигуна слідує за теплом ґрунту, яке змінюється повільніше, ніж температура повітря. Завдяки цьому двигун може працювати тривалий час, поки верхня пластина віддає тепло у космос.
Результати експериментів
У Девісі система підтримувала стабільну різницю температур приблизно 18°F (–7,8°C) між теплою та холодною пластинами протягом довгих періодів. Це дозволяло двигуну обертатися майже один раз на секунду та забезпечувати корисну механічну потужність. Команда зазначає, що за використання кращих компонентів можна досягти кількох ватів з квадратного метра. В одному з випробувань пристрій безпосередньо обертав вентилятор і, з під’єднаним малим електродвигуном, генерував невеликий електричний струм.
«Ці двигуни дуже ефективні при малих різницях температур. Якщо просто поставити його на стіл, він сам по собі енергії не вироблятиме», — сказав Мандей.
Як тепло впливає на роботу
Сухе повітря та ясне небо допомагають радіатору краще віддавати тепло. Вологі ночі зменшують ефект, оскільки водяна пара випромінює в тих самих інфрачервоних діапазонах, які потрібні радіатору. Глобальні карти, побудовані на основі даних NASA CERES, показують, де найнижчий потік інфрачервоного випромінювання з неба, а отже — де можливі більші температурні перепади.
Температури земної поверхні за даними інструменту MODIS дають картину «теплої» сторони. Найперспективнішими виявилися посушливі регіони та високогірні сухі райони, де повітря тонке й майже не містить вологи.
Що може живити нічне небо
Команда показала, що пристрій створює рух повітря зі швидкістю близько 1 фута за секунду, чого достатньо, щоб циркулювати CO₂ у теплиці. Це відповідає комфортним нормам ASAHE (США) — приблизно 0,5–0,7 фута за секунду.
Дослідники також зауважили, що швидкість повітря близька до 5 кубічних футів на хвилину на людину — показника, що часто зустрічається у рекомендаціях щодо вентиляції громадських просторів.
Основи роботи двигуна Стірлінга
Двигун Стірлінга — це зовнішній тепловий двигун, який перетворює різницю температур на рух за допомогою герметичного газу. Він добре працює за малих теплових перепадів. Двигун використовує два поршні та регенератор, які переміщують газ між теплою та холодною зонами, змушуючи його розширюватися й стискатися, що підтримує обертання маховика.
Реальні двигуни обмежені ефективністю Карно, але двигуни Стірлінга особливо вигідні при малих перепадах, коли вони оптимізовані під низькі тиски.
Створення систем, що працюють від нічного неба
Продуктивність можна підвищити, якщо радіатор краще взаємодіятиме з небом, а тепла пластина — із ґрунтом. Спеціальні покриття та тонкі плівки можуть підвищити випромінювальну здатність у межах атмосферного вікна та відбивати сонячне світло вдень. Вакуумна камера навколо радіатора зменшить конвекційні втрати тепла. Це покращення цілком реалізоване.
Майбутні системи можуть працювати навіть удень: відбиваючи сонячне світло й водночас випромінюючи тепло в потрібному інфрачервоному діапазоні. Кращий тепловий контакт із ґрунтом або водою також може збільшити температурну різницю. Зменшення тертя та оптимізація двигуна під потрібний обертовий момент підвищить електричну віддачу.
Нічна енергія для реальних потреб
Працюючий уночі вентилятор без підключення до мережі — це не просто дрібниця. Теплицям потрібна циркуляція повітря саме вночі, коли рослини поглинають CO₂ й підвищується вологість.
Будівлям також потрібен невеликий рух повітря для комфорту, навіть коли системи опалення чи кондиціювання вимкнені. Дахова установка, що рухає повітря без електрики, може покращити якість повітря та зменшити енергоспоживання після заходу сонця.
Глобальні карти базувалися на оцінках інфрачервоного випромінювання, що повертається з атмосфери до поверхні. Разом із місцевою температурою ґрунту це задає межу можливого температурного перепаду. Як і в будь-якій пасивній системі, продуктивність змінюється залежно від погоди, тіні, вітру та матеріалів довкола.
Дослідження опубліковане в журналі Science Advances.