Когда минус важнее плюса: космический холод становится основой нового автономного источника энергии

Создан двигатель, получающий энергию от холода ночного неба – учёные

Холод, который обычно ассоциируется с отсутствием энергии, неожиданно оказался её новым источником. Исследователи разработали устройство, способное преобразовывать перепад температур между поверхностью Земли и ледяным космосом в механическое движение. Идея проста, но потенциально революционна. Об этом сообщает Science.

Энергия, которая уходит в космос

Когда Солнце заходит за горизонт, Земля продолжает излучать накопленное за день тепло в виде инфракрасных волн. Это излучение уходит в открытое небо, где температура космоса достигает минус 270 °C. Атмосфера частично удерживает тепло, но диапазон длин волн от 8 до 13 микрометров остаётся прозрачным – так называемое атмосферное окно. Если поверхность настроена излучать именно в этом диапазоне, она начинает охлаждаться ниже температуры воздуха вокруг.

Этот процесс известен как радиационное охлаждение. Он давно используется для пассивного охлаждения зданий, но впервые стал основой для получения энергии. Учёные решили использовать эту температурную разницу, чтобы заставить работать двигатель без топлива, солнечных лучей или ветра.

Как устроен двигатель ночного неба

За основу исследователи взяли двигатель Стирлинга – тепловую машину, которая преобразует разницу температур в механическое движение. Главное преимущество этой конструкции в том, что она способна работать даже при минимальных перепадах тепла.

Инженеры модернизировали двигатель под новые задачи:

Холодная пластина покрыта специальным излучающим материалом и направлена в небо. Она теряет тепло через атмосферное окно, охлаждаясь сильнее окружающего воздуха.
Тёплая пластина находится в контакте с землёй, сохраняющей дневное тепло.

Так возникает стабильная температурная разница. Газ внутри цилиндра двигателя циклически сжимается и расширяется, двигая поршни и вращая маховик. Таким образом, холод ночного неба превращается в движение – чистое, безвредное и бесплатное.

"Мы буквально заставили холод работать на нас", – отмечается в отчёте исследователей.

Экспериментальные результаты

Испытания проходили в Калифорнии, где ночи ясные и воздух сухой. Разница температур между пластинами достигала более 10 °C – этого хватало для стабильной работы устройства. Зафиксированная мощность составила около 400 мВт на квадратный метр поверхности излучателя. При улучшении конструкции, по расчётам, показатель можно увеличить до 6 Вт/м².

Двигатель работал всю ночь, в те часы, когда солнечные панели простаивают. Это открывает путь к энергетическим системам непрерывного цикла, где дневная энергия солнца дополняется ночной "энергией холода".

"Нам удалось показать, что даже ночное небо может быть источником полезной энергии", – говорится в публикации в Science.

Применение: от теплиц до домов

Исследователи проверили устройство на практике, заменив маховик на небольшой пропеллер. Так двигатель стал автономным вентилятором, работающим без электричества.

В теплицах такой вентилятор обеспечивает циркуляцию воздуха и распределение углекислого газа ночью, когда растения продолжают дышать. Воздушный поток 0,3 м/с оказался достаточным для поддержания микроклимата.

В жарких регионах двигатель можно использовать в системах ночной вентиляции домов. Он помогает снижать температуру без кондиционеров, обеспечивая естественный приток прохлады. Кроме того, двигатель способен вырабатывать немного электричества для питания сенсоров или маломощных устройств.

Где технология работает лучше всего

Эффективность установки зависит от климата. В сухих и ясных районах – пустынях, степях, горах – излучение в атмосферное окно происходит максимально. Там двигатель выдаёт наилучшие результаты. Влажность же мешает охлаждению: водяной пар частично перекрывает диапазон прозрачности, снижая производительность.

Тем не менее потенциал технологии огромен. Учёные рассматривают варианты усовершенствования – улучшение радиационных покрытий, использование вакуумной изоляции, увеличение объёма цилиндров. Даже при нынешней мощности устройство способно обеспечить энергией изолированные объекты, где недоступны традиционные источники.

"Это не замена электростанциям, а дополнение – локальное, устойчивое и полностью пассивное решение", – подчёркивается в публикации.

Сравнение с другими источниками ночной энергии

В ночное время существуют лишь несколько альтернативных способов генерации энергии. Каждый из них имеет свои ограничения.

Аккумуляторы солнечных систем - требуют дорогих литиевых батарей и сложной инфраструктуры.
Ветроустановки - зависят от погодных условий и требуют больших площадей.
Двигатель ночного неба - работает стабильно в ясные ночи, не нуждается в топливе и может быть миниатюрным.

Таким образом, новый подход выигрывает в простоте и автономности, хотя пока уступает в мощности. Однако для мелких задач – вентиляции, датчиков, малой автоматики – он идеален.