Теплая земля встречает ледяное небо: на этом контрасте открылась новая форма ночной энергии

Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе нашли инновационный способ получения механической энергии в ночное время, используя холод космоса. Их работа, опубликованная в журнале Science Advances, раскрывает возможности технологии, которая может работать без топлива, используя лишь перепады температуры между Землёй и небом. Это — пример нового подхода к энергетическим системам, способных работать круглосуточно, включая ночное время, когда солнечные панели уже не активны.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель, который преобразует разницу температур между горячей и холодной поверхностями в механическое движение. Процесс работы этого двигателя основывается на цикле, в котором газ внутри цилиндра нагревается на одной стороне и расширяется, что толкает поршень. Когда газ охлаждается на противоположной стороне, он сжимается, и цикл повторяется. В отличие от традиционных двигателей внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга может работать даже при малых перепадах температур.

"Эти двигатели очень эффективны, когда перепад температур невелик, в то время как другие типы лучше работают при больших градиентах и могут производить больше мощности", — объяснил Джереми Мандей, профессор Калифорнийского университета в Дэвисе.

Как холод космоса запускает двигатель

Уникальность предложенной технологии заключается в том, что двигатель Стирлинга использует холод ночного неба, а не физический контакт с космосом. Для работы достаточно радиационного охлаждения, когда верхняя пластина двигателя, "смотрящая" в небо, охлаждается, а нижняя, контактирующая с землёй, остаётся тёплой. Разница температур между пластинами создаёт энергию, которая приводит двигатель в движение.

"Не нужно касаться космоса физически, достаточно радиационного взаимодействия. Эффект можно сравнить с ощущением, когда человек выходит на свежий ясный воздух ночью и быстро теряет тепло", — объяснил Джереми Мандей.

В такой системе нет необходимости в физическом контакте с космосом, поскольку тепло просто излучается от панели в открытое пространство. В условиях ясной ночи, когда небо и воздух охлаждаются, этот процесс становится максимально эффективным.

Ночные испытания и результаты

Для проверки гипотезы был установлен прототип двигателя Стирлинга на панели радиационного охлаждения, направленной вверх, а земля использовалась как тёплая сторона. Эксперименты показали, что разница температур между ночным небом и землёй достаточна для того, чтобы поршень двигателя начал двигаться и вращать маховик. Результаты испытаний показали, что в течение года устройство стабильно вырабатывало не менее 400 милливатт механической энергии на квадратный метр. Этого достаточно для вращения небольшого вентилятора или подключения электрического мотора для генерации тока.

Условия эффективности технологии

Этот метод особенно эффективен в регионах с низкой влажностью и ясными ночами. В таких условиях система может быть использована для вентиляции теплиц, небольших хозяйственных построек или жилых помещений, когда солнечные панели уже не работают, но необходима циркуляция воздуха.

"Наши эксперименты показывают, что космос может стать практическим "холодным концом" для выработки энергии ночью", — подчеркнул Джереми Мандей.

Потенциал технологии и планы на будущее

Команда исследователей из Калифорнийского университета в Дэвисе подала заявку на патент на свою технологию и планирует расширить прототип для более крупных и мощных систем. В будущем учёные намерены оптимизировать устройство, чтобы оно могло использоваться в различных бытовых и промышленных сферах. Такие системы, по их мнению, могут стать частью гибридных энергоустановок, работающих круглосуточно: днём — на солнечных панелях, а ночью — за счёт охлаждения космосом.

Преимущества и недостатки технологии

FAQ

Как работает двигатель Стирлинга с использованием холода космоса?
Двигатель использует разницу температур между холодной верхней частью, направленной в небо, и тёплой нижней частью, которая контактирует с землёй, для создания механической энергии.

Какие условия необходимы для эффективной работы этой технологии?
Лучше всего технология работает в регионах с низкой влажностью и ясными ночами, где температура ночного неба существенно ниже, чем температура земли.

Можно ли использовать эту технологию для бытовых нужд?
Да, она может быть использована для вентиляции теплиц и помещений, где требуется циркуляция воздуха в тёмное время суток.

Мифы и Правда

• Миф: для работы устройства нужно физически контактировать с космосом.
  Правда: энергия извлекается через радиационное взаимодействие, без прямого контакта с космосом.

• Миф: это устройство может работать в любое время, независимо от погоды.
  Правда: эффективность устройства зависит от ясности ночного неба и перепада температуры между землёй и небом.

• Миф: энергия, вырабатываемая устройством, достаточна для крупных промышленных нужд.
  Правда: на данный момент устройство подходит для небольших потребностей, таких как вентиляция и генерация небольшого тока.

Исторический контекст

Двигатель Стирлинга был изобретён в начале XIX века, и с тех пор его основной принцип работы не изменился. Однако использование такого двигателя в сочетании с радиационным охлаждением было предложено сравнительно недавно, что открывает новые перспективы для использования таких технологий в современной энергетике.

Три интересных факта

1. Двигатель Стирлинга может работать даже при минимальных перепадах температуры, что делает его уникальным среди тепловых двигателей.

2. Эта технология не требует использования ископаемых ресурсов или топлива, что делает её экологически чистой.

3. Энергия, вырабатываемая в ночное время, может быть использована для зарядки аккумуляторов или питания небольших приборов.