Nocą, gdy powierzchnia Ziemi oddaje ciepło w kierunku otwartej przestrzeni kosmicznej, naukowcy z University of California w Davis przedstawili wyjątkowy eksperyment – urządzenie typu silnika Stirlinga, które potrafi przekształcić różnicę temperatur między ciepłą Ziemią a chłodem kosmosu w użyteczną moc mechaniczną. Wynalazek opisany w czasopiśmie Science Advances wynalazek może zrewolucjonizować myślenie o wentylacji budynków i szklarni. Szczególnie że działa właśnie wtedy, gdy tradycyjne rozwiązania oparte na energii słonecznej stają się bezużyteczne.
Czytaj też: Rewolucja w silnikach odrzutowych nadchodzi. Ta nowa stal zmieni lotnictwo na zawsze
Sercem całego systemu jest silnik Stirlinga – maszyna cieplna znana z dobrej wydajności nawet przy niewielkich różnicach temperatur. Podczas gdy inne typy silników wymagają znacznych gradientów ciepła do efektywnej pracy, ten radzi sobie już przy kilkunastu stopniach różnicy. Warto przy tym zaznaczyć, że choć technologia wydaje się obiecująca, jej realne wdrożenie w różnych warunkach klimatycznych może stanowić wyzwanie.
Nowy silnik Stirlinga produkuje energię z kosmosu
Kluczowym elementem jest specjalny panel radiacyjny pełniący funkcję anteny, która kieruje ciepło w stronę kosmosu. Nie chodzi tu o fizyczny kontakt z przestrzenią kosmiczną, ale o oddziaływanie radiacyjne wykorzystujące tak zwane okno przezroczystości atmosferycznej. Ziemia stanowi ciepłą stronę układu, podczas gdy promieniowanie w kierunku nieba tworzy stronę zimną. Ta elegancka w swojej prostocie zasada umożliwia ciągłą produkcję energii przez całą noc.
Czytaj też: Silnik 10 razy lżejszy od tradycyjnego. 50 lat badań przynosi przełom w napędzie samolotów
Przeprowadzone przez cały rok eksperymenty nocne pokazały realne możliwości technologii. Niewielkie urządzenie generowało co najmniej 400 mW mocy mechanicznej na metr kwadratowy. Choć liczby te nie robią może oszałamiającego wrażenia, potencjał systemu sięga ponad 6 W/m2, a przy bezchmurnym niebie nawet ponad 8 W. Przez większość miesięcy system utrzymywał różnice temperatur przekraczające 10oC, osiągając 13 proc. wydajności Carnota – teoretycznego maksimum dla silników cieplnych. Dla porównania, większość rzeczywistych silników osiąga zaledwie kilka procent tej wartości.
Naukowcy przetestowali urządzenie w dwóch konfiguracjach. W pierwszej bezpośrednio napędzało wentylator, w drugiej było sprzężone z małym silnikiem elektrycznym do generowania prądu. Obie sprawdziły się w praktyce. Wentylator osiągał prędkości powietrza przekraczające 0,3 m/s, co wystarcza do cyrkulacji dwutlenku węgla w szklarniach i wspierania wzrostu roślin. Przy większych różnicach temperatur, powyżej 30oC, objętościowa prędkość przepływu sięgała ok. 142 l/min – minimalnej wartości wymaganej przez standardy ASHRAE dla wentylacji w budynkach publicznych.
Dla komfortu cieplnego w budynkach mieszkalnych wystarczają już prędkości od 0,15 do 0,2 m/s, które silnik Stirlinga bez problemu osiąga, działając przy tym całkowicie pasywnie. Niestety, nie każde miejsce na Ziemi nadaje się równie dobrze do wykorzystania tej technologii. Największy potencjał mają regiony suche i górskie, gdzie promieniowanie zstępujące jest najniższe. Bezchmurne niebo nocne i niska wilgotność tworzą warunki wręcz idealne.
Wilgotność atmosferyczna stanowi główny problem dla systemu. Wysokie stężenie wody w powietrzu zmniejsza moc chłodzenia radiacyjnego, ograniczając skuteczny odpływ ciepła w kierunku nieba. W silnie zalesionych regionach o wysokiej wilgotności moc generowana przez urządzenie spada niemal do zera. Globalne modelowanie wyraźnie pokazuje, że im bardziej suchy klimat, tym większa efektywność całego systemu.
Co ciekawe, urządzenie może pomóc w łagodzeniu zmian klimatu w dość nieoczywisty sposób. Ziemia obecnie pochłania ok. 1 W/m2 więcej energii, niż emituje, co powoduje efekt ocieplenia netto. Systemy chłodzenia radiacyjnego równoważą tę nierównowagę, zwiększając emisję Ziemi przez okno przezroczystości atmosferycznej. Silnik Stirlinga idzie o krok dalej – zamiast po prostu odprowadzać ciepło, przekształca je w użyteczną energię mechaniczną. W porównaniu do półprzewodnikowych metod konwersji emisji radiacyjnej oferuje komplementarne podejście, szczególnie przydatne tam, gdzie bezpośrednio potrzebna jest praca mechaniczna lub przepływ powietrza.
University of California w Davis złożyło już tymczasowy wniosek patentowy związany z wynalazkiem, co sugeruje, że uniwersytet dostrzega komercyjny potencjał technologii. Choć pomysł wykorzystania zimna kosmosu do generowania energii wydaje się genialny w swojej prostocie, jego praktyczna implementacja na szerszą skalę wciąż wymaga rozwiązania kilku kluczowych wyzwań. Czas pokaże, czy silniki Stirlinga napędzane kosmicznym chłodem znajdą swoje miejsce w realnych instalacjach, czy pozostaną ciekawostką laboratoryjną.