Napelem, ami éjszaka működik? Nem fog hinni a szemének!

A Kaliforniai Egyetem kutatói feltaláltak egy olyan Stirling-motort, ami befogja a Föld távozó hőjét és így az éjszakai égboltból generálnak energiát. Amikor lemegy a Nap, a napelemek elsötétülnek. Fölöttük azonban, az éjszakai égbolt másfajta, infravörös energiát sugároz. Minden éjszaka, amikor a világ lehűl, a Föld hőjének nagy részét szétszórja az űrbe. Mostanáig jórészt kiaknázatlan volt a Földet elhagyó infravörös sugárzás láthatatlan áramlása. A Kaliforniai Egyetem mérnökei építettek egy kis gépet, ami befogja ezt a kifelé áramló energiát és mozgássá, majd végül elektromos árammá alakították. A találmány egy egyszerű, elegáns csavarás egy hagyományos technológián, a Stirling-motoron. Olyan, mint egy fordított napelem.

Ez nem egy masszív, komplikált félvezető elektromos szerkezet, hanem egy olyan mechanizmust alkalmaz, ami mechanikusan egyszerű és nem függ egzotikus anyagoktól. A gép lényegében a talaj és a nyílt égbolt közti hőmérséklet különbségen működik. Az ötlet lényege, hogy megfordítja azt a forgatókönyvet, ahogyan az energiagyűjtésről gondolkodunk. A hősugárzó eszközök úgy működnek, mint a fordított napelemek. Nem egy forró objektumra, a Napra irányítják őket, hanem egy hideg objektumra, az égboltra. Az eszköz egy fordítva működő Stirling-motor - írja az origo.hu.

A fordított napelem akkumulátor és üzemanyag nélkül működik

Egy Stirling-motorban egy zárt kamrában lévő gáz kitágul, amikor melegítik és összehúzódik, amikor lehűl, előre-hátra tolva egy dugattyút. Ezek a motorok nagyon hatékonyak, amikor kicsi a hőmérséklet különbség, míg vannak olyan fajta motorok, amik jobban működnek, ha nagyobb a hőmérséklet különbség és több energiát generálnak. A Kaliforniai Egyetem kutatói által készített verziónak van egy hősugárzó bevonattal befestett „hideg” oldala, ami az infravörös energiát az égbe sugározza. Talajon lévő „meleg” oldala felszívja a környező hőt. Ez a kis gradiens, ami gyakran nem több, mint 10 Celsius-fok, forgatja a dugattyút éjszaka. A felső lemez (meleg oldal) olyan festéket használ, ami az infravörös tartományban nagyon sugárzó. Ez lehetővé teszi, hogy a hő közvetlenül keresztülhaladjon a légkör tiszta részén, az úgynevezett légköri átlátszósági ablakon (8-13 mikrométer). A hő közvetlenül az űrbe sugároz, a lemezt jóval a környező légköri hőmérsékletre hűtve. Nem kell fizikálisan érintkeznie az űrrel, csak radiatívan lép az űrrel kölcsönhatásba.

Egy egy éven át tartó kültéri kísérlet során az eszköz négyzetméterenként több, mint 400 milliwatt mechanikai energiát generált. Még egy kis ventilátort is működtetett és amikor összekapcsolták egy kis egyenáramú motorral, elektromos áramot termelt. A kísérletek kimutatták, hogy a teljesítmény tiszta, száraz nyári éjszakákon a legmagasabb és nedves, felhős téli körülmények közt a legalacsonyabb, mivel a levegőben lévő vízpára blokkolja az űrbe távozó infravörös sugárzást.

A 400 milliwatt/m² csak egy százada annak, amit egy mérsékelt napelem termel teljes napfényben. A hősugárzó eszközök éjszaka működnek, akkumulátor, vagy üzemanyag nélkül. És még ha nem is sok az a mechanikai, vagy elektromos energia, amit nyújtanak, vidéki területeken, sivatagokban, vagy még a világűrbéli tartózkodási helyeken is hasznos.

Az éjszakai hideg hasznos munkává alakítása

Az új eszköz közvetlenül termel mechanikai energiát. Ez lehet a legerősebb pontja, mivel ez azt jelenti, hogy az energia értékes az olyan alkalmazásokhoz, mint a légmozgás, vagy a vízszivattyúzás, és anélkül, hogy szükség volna köztes elektromos átalakításra.

Az egyik kísérlet során kicserélték a lendkereket egy 3D nyomtatott ventilátorral. A ventilátor elég gyorsan pörgött ahhoz, hogy egy szimulált üvegházban a levegőt 0.3 m/s sebességgel mozgassa, ami elegendő volt ahhoz, hogy a szén-dioxid a növények körül keringjen és megakadályozza a forró pontok kialakulását. Nagyobb hőmérséklet különbségeknél az eszköz elérte, hogy a légáramlatok túllépjék az 0.5 m2/perc sebességet, ami megfelel az  Fűtő, Hűtő és Légkondicionáló Mérnökök Amerikai Társasága (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE)) által meghatározott szabványnak, fenntartandó az egészséges beltéri légáramlást nyilvános épületekben.

A NASA energia és hőmérséklet adatain alapuló globális szimulációkban a kutatók azt találták, hogy az eszközük száraz régiókban és hegységekben működik a legjobban - afrikai Szahara, eurázsiai sztyeppe, vagy nyáron az Antarktiszon - ahol alacsony a nedvesség és az éjszakai égbolt különösen áttetsző.

A sugárzó hűtés segíthet ellensúlyozni a Föld energia egyensúlytalanságát: bolygónk jelenleg körülbelül 1 watt/m2 – t nyel el, többet, mint amit kibocsát, hajtva a globális felmelegedést. Ha ennek a csapdába esett hőnek egy részét mechanikai munkává alakítjuk, akkor az eszköz hatékonyan megakadályozza, hogy ennek egy része visszakerüljön a légkörbe. A kutatók úgy számítják, hogy optimális körülmények között a rendszer 6 watt/m2 teljesítményre növelhető. A jövőben lehetséges, hogy a súrlódást csökkentendő, a mozgó levegőt héliumra, vagy hidrogénre cserélik, a jobb hőátadás végett vörösrezet alkalmaznak, vagy fokozandó a teljesítményt éjszaka és nappal is, hőszigetelt radiátorokkal egészítik ki.