دانشمندان در شب با پرتو حرارتی بهصورت منفعل به فضا انرژی تولید میکنند. این «مانند سلولهای خورشیدی بهصورت معکوس» است
مهندسان دانشگاه UC Davis موتور استرلینگی اختراع کردهاند که حرارت فرارکننده زمین را برای تولید انرژی از آسمان شب به کار میگیرد.
وقتی خورشید غروب میکند، پنلهای خورشیدی جهان تاریک میشوند. اما بالای آنها، آسمان شب نوع متفاوتی از انرژی را تابانده میکند. هر شب، همانطور که جهان خنک میشود، زمین بخشی عظیم از حرارت خود را به فضا انتشار میدهد. جریان نامرئی تابش مادونقرمز فرارکننده از سیارهمان تا کنون عمدتاً استفاده نشده بود. تا اینکه مهندسان دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، با ساختن دستگاه کوچکی که این جریان انرژی بیرونی را به دست میآورد و به حرکت — و در نهایت به برق — تبدیل میکند، وارد صحنه شدند.
این اختراع یک تغییر ساده و زیبا در تکنولوژی کلاسیک است: موتور استرلینگ. این یک سامانه بزرگ و پیچیده الکترونیک نیمهرسانا نیست. در عوض، از مکانیزمی استفاده میکند که «از نظر مکانیکی ساده است و نیازی به مواد عجیب ندارد». این دستگاه به طور اساسی با اختلاف دمایی بین سطح زمین و آسمان باز کار میکند.
ایده اصلی روایت جمعآوری انرژی را برعکس میکند. پروفسور جری ماندی، یکی از مؤلفان مقاله، میگوید دستگاههای ترمو‑تشعشقی «مانند سلولهای خورشیدی بهصورت معکوس» عمل میکنند. او افزوده است: «بهجای جهتگیری به جسم گرم مانند خورشید، آنها را به جسم سرد مانند آسمان نشان میدهید.»
موتوری که بهصورت معکوس کار میکند
در یک موتور استرلینگ، که اولین بار در اوایل قرن نوزدهم ابداع شد، محفظهٔ بستهای از گاز هنگام گرم شدن گسترش مییابد و هنگام خنک شدن منقبض میشود و پیستون را به جلو و عقب میدفعند. آقای ماندی توضیح داد: «این موتورها در صورتی که فقط اختلاف دمایی کمی وجود داشته باشد، بسیار کارآمد هستند؛ در حالی که سایر انواع موتورها با اختلاف دمایی بزرگتر بهتر عمل میکنند و میتوانند توان بیشتری تولید کنند.»
نسخهٔ دانشگاه UC Davis دارای سمت «سرد»ی است که با پوشش تابشگر حرارتی رنگآمیزی شده است تا انرژی مادونقرمز را به آسمان پرتاب کند. سمت «گرم» آن روی زمین قرار دارد و حرارت محیطی را جذب میکند. این اختلاف کوچک — که غالباً بیش از ۱۰ °C نیست — میتواند پیستون را در تمام طول شب به حرکت درآورد.
پلیت بالایی (سمت گرم) از رنگی استفاده میکند که در بازهٔ مادونقرمز بهخوبی تابش میکند. این به حرارت اجازه میدهد تا مستقیماً از یک نوار شفاف در جو — که «پنجره شفافیت جوی» نام دارد (بین ۸ تا ۱۳ میکرومتر) — به فضا انتقال یابد. حرارت مستقیماً به فضا تابیده میشود و صفحه را بهشدت زیر دمای هوای محیط سرد میکند.
آقای ماندی توضیح میدهد: «در واقع نیازی به تماس فیزیکی با فضا نیست؛ میتوانند فقط بهصورت تشعشقی با فضا تعامل داشته باشند.»
در طول یک سال آزمایشهای میدانی در دیویس، کالیفرنیا، این دستگاه بهطور مداوم بیش از ۴۰۰ میلیوات توان مکانیکی به ازای هر متر مربع تولید کرد. حتی توانست یک فن کوچک را راهاندازی کند و هنگام اتصال به یک موتور الکتریکی کوچک DC، جریان برق تولید کرد. آزمایشها نشان دادند که عملکرد این دستگاه در شبهای صاف و خشک تابستانی به بالاترین حد میرسد و در شرایط مرطوب و ابری زمستانی کاهش مییابد، زیرا بخار آب در هوا تابش مادونقرمز فرار به فضا را مسدود میکند.
۴۰۰ میلیوات به ازای هر متر مربع تقریباً برابر با یک صدم توان یک پنل خورشیدی معمولی در زیر نور کامل خورشید است. نکتهٔ مثبت این است که دستگاههای ترمو‑تشعشقی میتوانند در شب بدون باتری یا سوخت کار کنند. حتی این مقدار کمتری از توان مکانیکی یا الکتریکی هنوز در نواحی روستایی، بیابانها یا حتی سکونتگاههای عمیق فضایی مفید است.
تبدیل سرمای شبانه به کار مفید
دستگاه جدید بهصورت مستقیم توان مکانیکی تولید میکند. شاید این مهمترین نقطه قوت آن باشد؛ چرا که همانطور که ماندی اشاره میکند، توان «برای کاربردهایی نظیر جابجایی هوا یا پمپاژ آب ارزشمند است — بدون نیاز به تبدیل الکتریکی میانی».
در یک نمایش، پژوهشگر فارغالتحصیل ترستان دیپه چرخ تعادلی را با یک فن چاپسهبعدی تعویض کرد. داخل یک گلخانهٔ شبیهسازیشده، فن بهقدر کافی چرخید تا هوای با سرعت ۰٫۳ متر بر ثانیه جریان داشته باشد — که برای گردش دیاکسید‑کربن در اطراف گیاهان و جلوگیری از ایجاد نقاط گرم کافی است.
در اختلاف دمایی بالاتر، این دستگاه جریان هواهایی فراتر از پنج فوت مکعب در دقیقه تولید کرد که با حداقل استاندارد تعیینشده توسط انجمن مهندسان گرمایشی، سردسازی و تهویهٔ هوا (ASHRAE) برای حفظ گردش هوای داخلی سالم در ساختمانهای عمومی مطابقت دارد.
در شبیهسازیهای جهانی مبتنی بر دادههای انرژی و دمای ناسا، دیپه و ماندی دریافتند که دستگاه آنها در مناطق خشک و رشتهکوهی بهترین عملکرد را دارد — مانند افریقا صحرا، استپ اوراسیا یا حتی قطب جنوب در تابستان — جایی که رطوبت کم و آسمان شب بهویژه شفاف است.
پژوهشگران همچنین اشاره میکنند که خنکسازی تابشی میتواند به جبران عدم تعادل انرژی زمین کمک کند: سیارهمان در حال حاضر حدود یک وات به ازای هر متر مربع بیشتر از آنچه منتشر میکند جذب میکند، که منجر به گرمایش جهانی میشود. با تبدیل بخشی از این حرارت گرفتار شده به کار مکانیکی، موتور آنها عملاً از بازگشت بخشی از آن به اتمسفر جلوگیری میکند.
دیپه و ماندی برآورد میکنند که این سیستم میتواند تحت شرایط بهینه به حدود شش وات به ازای هر متر مربع ارتقا یابد. بهبودهای آینده ممکن است شامل تعویض گاز کاری به هلیوم یا هیدروژن برای کاهش اصطکاک، استفاده از مس برای انتقال حرارتی بهتر، یا افزودن رادیاتورهای عایق حرارتی به منظور افزایش خروجی در طول روز و شب باشد.
یافتهها در مجله Science Advances منتشر شد.