Сбор энергии из холодного ночного неба. Это не шутка

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2020

Bill Schweber

Electronic Design

Используя физический принцип радиационного охлаждения неба, команда смогла собрать небольшое, но полезное количество энергии из холодного ночного неба, используя простое, недорогое и некритичное устройство

Способы сбора «бесплатной» энергии часто могут показаться колдовскими, даже если они основаны на твердых законах физики. Судите сами: команда, возглавляемая Аасватом Раманом (Aaswath Raman, Рисунок 1), доцентом материаловедения и инженерии Самуэльской школы инженерии в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса (UCLA), совместно с докторантом Вей Ли (Wei Li) и профессором электротехники Шаньху Фаном (Shanhui Fan), работающими в Стэнфордском университете, продемонстрировала недорогой, простой и надежный способ извлечения небольшого количества энергии из холодного темного ночного неба.

Рисунок 1.	Аасват Раман. Самуэльская школа инженерии.

Нет, это вовсе не какое-то шаманство или очередной вечный двигатель. Для сбора небольших, но пригодных для использования количеств энергии в ночное время, которое, очевидно, для солнечных элементов является бесполезным, они применили хорошо известный теплофизический принцип радиационного охлаждения неба.

Радиационное охлаждение неба – это процесс, при котором поверхность, обращенная к небу, отдает тепло в воздух в форме лучистого переноса. Часть этой тепловой энергии в конечном итоге поднимается в верхние слои атмосферы, а затем в более холодные области космоса. (Если вы когда-нибудь задумывались об этих явлениях, то именно поэтому при небольших плюсовых температурах по ночам на траве образуется иней, а на ветровых стеклах автомобилей даже в ясную ночь появляются капли воды).

Технология сбора энергии основана на разности температур и улавливает часть тепла из окружающего воздуха, которое в противном случае ушло бы в небо. Затем тепло преобразуется в электрическую энергию с помощью простого, недорогого (порядка $30), надежного и не требующего обслуживания устройства (см. Рисунок 2).

Рисунок 2.	Простота схемы, использующей радиационное охлаждение неба для сбора энергии, очевидна из блок-схемы (а). Устройство настроено для «полевых» (на самом деле на крыше) испытаний (б). Фото: UCLA.

Оно состоит из пенопластового корпуса около одного метра в поперечнике, для минимизации теплового излучения покрытого алюминизированным майларом и накрытого прозрачной для инфракрасных лучей ветрозащитной крышкой, расположенного на столе на высоте одного метра над уровнем крыши. Устройство извлекало тепло из окружающего воздуха и выпускало его в ночное небо через простой черный излучатель, представлявший собой алюминиевый диск, выкрашенным в черный цвет со стороны, обращенной к небу.

Термоэлектрический генератор, установленный под диском на алюминиевом блоке с дополнительными радиаторами для охлаждения, превращал это тепло в электричество. Все устройство сбора энергии было сделано из стандартных деталей, которые можно приобрести в магазинах для радиолюбителей или у дистрибьюторов электронных компонентов.

Количество собираемой мощности было очень небольшим – порядка 25 мВт/м², однако разработчики считают, что в жарком и сухом климате, где эффект радиационного охлаждения сильнее, оно может быть увеличено в 20 раз до 0.5 Вт/м². Такое количество энергии может не только зажечь небольшой светодиод; этот свет, «созданный» из темноты космоса, может также использоваться для подзарядки аккумуляторов или ионисторов в приложениях сбора данных, в которых длинные периоды глубокого сна перемежаются с редкими сеансами сбора и вывода данных. (Не обращайте внимания на фантастические публикации в некоторых нетехнических средствах массовой информации, будто этим устройством сбора энергии вы могли бы покрыть крышу и обеспечить электричеством весь свой дом).

«Мы думаем, что это интригующая демонстрация того, как холод космоса может быть использован в качестве возобновляемого энергетического ресурса, который дает нам скромное, но пригодное к использованию количество электроэнергии, – говорит Раман. – Мы считаем, что это также может послужить основой технологии, дополняющей солнечную энергетику. Хотя выходная мощность всегда будет существенно ниже, чем у солнечных устройств, эта новая технология может работать в те часы, когда не могут работать солнечные элементы».

Работа, поддержанная Министерством энергетики США, подробно изложена в статье Рамана «Генерировании света из тьмы» [1]. (Без сомнения, это одно из самых коротких, интригующих и наиболее читаемых названий научной статьи, которую я когда-либо видел). Это не первое их исследование в области использования радиационного охлаждения. В предыдущей статье в [2] исследовалось использование того же принципа для охлаждения зданий на несколько градусов ниже температуры окружающей среды.