Οι ηλιακοί συλλέκτες κάνουν εντυπωσιακή δουλειά κατά τη διάρκεια της ημέρας, ωστόσο οι ώρες που η ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια είναι μεγαλύτερη σπάνια συμπίπτουν με τις ώρες που η ηλιακή ακτινοβολία είναι ισχυρότερη. Αυτή η ασυμφωνία αποτελεί πάντα έναν σημαντικό περιορισμό για ένα μέλλον καθαρής ενέργειας. Οι μπαταρίες βοηθούν, αλλά παραμένουν ακριβές και πολύπλοκες.
Μια ομάδα μηχανικών στην Καλιφόρνια ακολούθησε διαφορετική πορεία και έδειξε ότι ο ίδιος ο νυχτερινός ουρανός μπορεί να τροφοδοτήσει μια μηχανή. Ο μικρός τους κινητήρας μετατρέπει το φυσικό ψύχος του διαστήματος σε σταθερή κίνηση, ακόμη και μετά τη δύση του ηλίου. Το έργο, υπό την ηγεσία ερευνητών του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, Davis, προσφέρει ένα απροσδόκητο εργαλείο για έναν κόσμο που αναζητά αξιόπιστη και βιώσιμη ενέργεια.
Πώς το σύστημα αντλεί ενέργεια από τον ουρανό
Η ιδέα γεννήθηκε από μια απλή ερώτηση: θα μπορούσε το ψύχος του διαστήματος να λειτουργήσει ως η «ψυχρή πλευρά» μιας θερμικής μηχανής, όπως ο ήλιος θερμαίνει την «καυτή πλευρά» ενός ηλιακού συλλέκτη; Ο Jeremy Munday, καθηγητής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο UC Davis, και ο μεταπτυχιακός ερευνητής Tristan Deppe αποφάσισαν να το δοκιμάσουν.
Κατασκεύασαν έναν ελαφρύ κινητήρα Stirling, μια συσκευή γνωστή για την ικανότητά της να λειτουργεί με μικρές διαφορές θερμοκρασίας. Πολλοί κινητήρες χρειάζονται αρχικά υψηλή θερμοκρασία για να ξεκινήσουν, ενώ ένας κινητήρας Stirling μπορεί να λειτουργήσει ακόμη και με μικρή θερμική αντίθεση και να παράγει ενέργεια με μικρή διαφορά θερμοκρασίας.
Οι ερευνητές τοποθέτησαν τη βάση του κινητήρα στο έδαφος, το οποίο παραμένει σχετικά ζεστό μετά τη δύση του ηλίου, και επικαλύπτηκαν την επάνω πλάκα με ειδική βαφή υπερύθρων, αφήνοντάς την εκτεθειμένη στον νυχτερινό ουρανό. Σε καθαρές νύχτες, η επάνω πλάκα ψύχθηκε γρήγορα, με τις μετρήσεις να δείχνουν πτώσεις θερμοκρασίας έως 10 °C.
Αυτή η ψύξη επέτρεπε τη διάχυση θερμότητας προς το διάστημα μέσω ενός φυσικού «ατμοσφαιρικού παραθύρου» λίγο πάνω από την επιφάνεια της Γης, με μήκη κύματος μεταξύ 8 και 13 μικρομέτρων. Οι μετρήσεις από πεδία δοκιμών στο Davis και την Utah έδειξαν ότι η επάνω πλάκα ψύχθηκε περισσότερο σε νύχτες με χαμηλή υγρασία και σχετικά ζεστό νυχτερινό αέρα.
Μετατροπή των θερμοκρασιακών διαφορών σε χρήσιμη ενέργεια
Η έρευνα διαπίστωσε ότι τα σύννεφα τη νύχτα, η υγρασία και ο ζεστός αέρας μειώνουν την απόδοση ψύξης της επάνω πλάκας. Ακόμα και τις θερμότερες νύχτες, η πλάκα κατάφερε να μειώσει τη θερμοκρασία της κατά περίπου 10 °C πριν από το επόμενο πρωί. Ο μηχανισμός απέδιδε αποτελεσματικά καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους, με την καλοκαιρινή περίοδο να προσφέρει ακόμη πιο αποδοτικούς τρόπους διάχυσης της θερμότητας μέσω της περιστροφής ενός τροχού αδράνειας, δημιουργώντας τελικά ηλεκτρική ενέργεια.
Σε εργαστηριακές δοκιμές, η ομάδα μιμήθηκε τις θερμαινόμενες και ψυχόμενες πλάκες σε ελεγχόμενο περιβάλλον και μέτρησε την ταχύτητα περιστροφής του τροχού και την παραγόμενη μηχανική ισχύ. Οι μετρήσεις έδειξαν ότι η παραγωγή ενέργειας αυξανόταν ανάλογα με τη θερμοκρασιακή διαφορά.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι από μια επιφάνεια 1,58 εκατοστών μπορούσε να παραχθεί περίπου 0,1 milliwatt, ενώ σε μεγαλύτερη κλίμακα η μηχανή θα μπορούσε να αποδώσει 400 milliwatts μηχανικής ισχύος ανά τετραγωνικό μέτρο εκτεθειμένο στον ουρανό. Παρόλο που η ισχύς αυτή φαίνεται μικρή σε σύγκριση με άλλες ενεργειακές λύσεις, είναι αρκετή για τη λειτουργία αισθητήρων ή τη φόρτιση μικρών μπαταριών.
Τοποθετώντας έναν μικρό DC κινητήρα, η μηχανή μετέτρεψε μέρος της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Η απόδοση ήταν χαμηλή, μόλις λίγα τοις εκατό, αλλά το σύστημα κατάφερνε να διατηρεί περίπου το μισό της μηχανικής ενέργειας και να παράγει ηλεκτρισμό. Σε πραγματικές συνθήκες, αυτό θα μπορούσε να τροφοδοτεί αισθητήρες ή να υποστηρίζει μικρές ηλεκτρικές συσκευές χωρίς πρόσθετη κατανάλωση ενέργειας.
Ένας ήσυχος ανεμιστήρας που κινείται από τη νύχτα
Η πιο εντυπωσιακή επίδειξη ήταν η αντικατάσταση του τροχού αδράνειας με ένα φτερωτό ανεμιστήρα 3D εκτυπωμένο. Σε συνθήκες θερμοκηπίου, η περιστροφή του ανεμιστήρα παρήγαγε ροή αέρα περίπου 0,3 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, βοηθώντας στην κυκλοφορία διοξειδίου του άνθρακα προς τα φυτά.
Με μικρότερες θερμοκρασιακές διαφορές, οι ταχύτητες αέρα κυμαίνονταν από 0,15 έως 0,2 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, ιδανικές για εσωτερική άνεση, ενώ με διαφορές άνω των 30 °C η ταχύτητα ανέβαινε σχεδόν σε 5 κυβικά πόδια ανά λεπτό, αρκετή για βασικούς ρυθμούς αερισμού σε μεγάλα δημόσια κτίρια. Η συνδυασμένη χρήση ενός θερμικά ενεργού δώματος με εσωτερικό ζεστό αέρα θα μπορούσε να παρέχει φυσικό αερισμό τη νύχτα χωρίς κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, προσφέροντας ανακούφιση σε θερμαινόμενους ή περιορισμένους πόρους χώρους.
Πού λειτουργεί καλύτερα η μηχανή
Με τη βοήθεια δορυφορικών δεδομένων της NASA, η ομάδα εκτίμησε τις περιοχές όπου η τεχνολογία αυτή αποδίδει καλύτερα. Οι ξηρές περιοχές και οι υψηλές υψομετρικές θέσεις παρουσίασαν την υψηλότερη απόδοση, καθώς ο καθαρός αέρας επιτρέπει την ανεμπόδιστη διάχυση της θερμότητας στο διάστημα.
Μέρη της Σαχάρας, της Ευρασιατικής Στέπας και ακόμη και καλοκαιρινές συνθήκες στην Ανταρκτική παρουσίασαν αξιοσημείωτη απόδοση. Αντιθέτως, οι υγρές, δασώδεις περιοχές είχαν χαμηλότερη απόδοση, καθώς η υγρασία παγιδεύει την υπέρυθρη θερμική ενέργεια.
Η τεχνολογία αυτή έχει και κλιματικές προεκτάσεις, καθώς η Γη αποκτά περίπου ένα watt ανά τετραγωνικό μέτρο περισσότερης ενέργειας από αυτή που εκπέμπει, οδηγώντας στην υπερθέρμανση. Οι θερμικοί κινητήρες με ακτινοβολιακή ψύξη μπορούν να ενισχύσουν την απώλεια θερμότητας προς το διάστημα, προσφέροντας μικρή αλλά χρήσιμη παραγωγή μηχανικής ενέργειας.
Τι ακολουθεί
Το πρωτότυπο δείχνει ότι υπάρχει περιθώριο για μεγαλύτερη απόδοση. Η χρήση καλύτερων υλικών με υψηλή εκπομπικότητα, η τοποθέτηση κενού γύρω από την επάνω πλάκα, και η βελτίωση της θερμικής σύνδεσης με το έδαφος θα μπορούσαν να αυξήσουν την αποτελεσματικότητα.
Αέρια όπως το ήλιο ή το υδρογόνο θα μπορούσαν να μειώσουν τις τριβές στο εσωτερικό της μηχανής, ενώ η χρήση θερμότητας από κτίρια ή βιομηχανικές διαδικασίες ως «θερμή πλευρά» του κινητήρα θα ενίσχυε περαιτέρω την απόδοση χωρίς πρόσθετη κατανάλωση ενέργειας.
Το βασικό πλεονέκτημα αυτής της μηχανής είναι ότι δεν χρειάζεται καύσιμα, μπαταρίες ή πολύπλοκα ηλεκτρονικά και διαθέτει ελάχιστα κινούμενα μέρη. Το μόνο που κάνει είναι να βρίσκεται έξω και να αντλεί ενέργεια από τη συνεχή νυχτερινή ψύξη του περιβάλλοντος.
