Что, если бы можно было получать энергию из ночного неба без усилий? На этот вопрос пытаются ответить исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе, создав новый двигатель, который генерирует энергию, просто находясь под ясным звёздным небом.
Если поискать в интернете информацию о двигателях Стирлинга, то сразу же найдётся множество игрушек и наборов для сборки устройства, работающего, казалось бы, по волшебству. Это удивительно простая машина, обычно состоящая из поршня и маховика, которая не сжигает топливо, самодостаточна и может быть приведена в движение, просто нагрев её кружкой горячей воды или, как ни парадоксально, охладив её куском льда и слегка подтолкнув колесо. Пока есть источник тепла или холода, она будет работать.
Он был изобретен в 1816 году преподобным доктором Робертом Стирлингом, шотландским священником и инженером, как альтернатива паровым двигателям, которые в те времена часто взрывались. Его двигатель Стирлинга был гораздо безопаснее, поскольку работал по иному принципу, чем пар. Вместо того, чтобы полагаться на расширение пара высокого давления, двигатель Стирлинга представляет собой замкнутую систему с рабочим газом, обычно воздухом, который вырабатывает энергию за счет того, что одна часть рабочего цикла двигателя относительно горячее другой. Перемещаясь между горячим и холодным пространствами, газ перемещает поршень, который, в свою очередь, вращает рабочее колесо.
Стерлинг
Самое интересное — это разница температур. Паровым двигателям и двигателям внутреннего сгорания (а точнее, большинству тепловых двигателей) для выработки энергии требуется очень большая разница температур между горячим двигателем и более холодным внешним миром. Представьте себе водопад. Чем выше водопад, тем ниже падает вода и тем сильнее она ударяет по дну. Вот почему не стоит принимать душ под Ниагарским водопадом, если не хотите получить смертельную травму.
Для работы двигателя Стирлинга также необходим температурный градиент, но его конструкция позволяет достичь гораздо более низкого температурного градиента, поэтому его можно запустить, поставив на чашку чая. Это связано с тем, что он может эффективно использовать даже очень небольшую разницу температур. Он также очень тихий, автономный и состоит из небольшого количества компонентов. Именно поэтому, хотя эта технология не смогла конкурировать с более поздними паровыми двигателями и двигателями внутреннего сгорания, в наши дни она используется в системах криоохлаждения, вспомогательных двигателях подводных лодок, системах утилизации тепла и радиоизотопных энергетических установках для космических аппаратов.
Теперь Калифорнийский университет в Дэвисе выводит двигатель Стирлинга на новый уровень, используя его для выработки электроэнергии, устанавливая его на улице после наступления темноты.
Если вы когда-либо отправлялись на прогулку после захода солнца в сухом регионе с ясным небом, например, в высокогорной пустыне, вы, вероятно, обнаружите, что вам следовало взять с собой куртку, поскольку, хотя земля теплая на ощупь, воздух ледяной.
Это связано с тем, что без водяного пара в воздухе между землёй и космосом не так много пространства, чтобы препятствовать излучению накопленного за день тепла, особенно в диапазоне длин волн от 8 до 13 мкм. А поскольку температура в космосе составляет около -270 °C (-454 °F), там определённо может быть холодно.
Это также означает, что существует тепловой градиент, на котором может работать двигатель Стирлинга.
Команда инженеров оснастила двигатель листом специально разработанного материала для изоляции тёплой земли от холодного воздуха. Используя краску неизвестного состава, они заставили лист излучать тепло в космос, что привело к образованию горячего резервуара внизу и холодного резервуара наверху, температура которого в большинстве месяцев превышала 10 °C (18 °F).
В результате такая компоновка позволяла двигателю вырабатывать 400 милливатт мощности на квадратный метр, что было достаточно для работы небольшого вентилятора, способного перемещать достаточное количество воздуха для циркуляции углекислого газа в теплице.
Действительно, группа утверждает, что одним из применений временно запатентованной маломощной системы является работа вентиляторов воздуха, хотя ее можно использовать и для других задач с низким энергопотреблением, которые лучше всего работают без внешнего источника питания и при минимальном контроле.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances .
