Celá planéta ako zdroj energie?

Tepelné žiarenie Zeme by sa mohlo v budúcnosti použiť ako zdroj energie

Naša Zem vyžaruje teplo do vesmíru © Obrázok so súhlasom Stevena J. Byrnesa
čítať nahlas

Naša Zem neustále vyžaruje teplo do vesmíru - veľké množstvo predtým nevyužitej energie. Je možné využiť tento zdroj energie? Britskí vedci to preskúmali a vymysleli na to dve metódy. Výroba elektrickej energie z tepelného žiarenia našej planéty preto nie je iba utópiou, ako sa uvádza v časopise „Zborník Národnej akadémie vied“.

Veterné farmy a solárne elektrárne sú zdrojom obnoviteľnej energie. Chýba im však konzistentnosť. Keď slnko klesne, solárne systémy sa vypnú. A keď sa vietor zastaví, veterné turbíny sa zastavia. Existuje iný, stálejší zdroj energie, ktorý nám môže dodávať elektrinu aj v temnote noci a vo veternej búrke? Fyzici na Harvardskej univerzite skúmali nový a neobvyklý zdroj energie: obrovské a nevyužité infračervené žiarenie emitované Zemou.

Pretože v porovnaní so studeným vákuom voľného priestoru je naša planéta teplá. Veľká časť energie vyžarovanej slnkom sa uvoľňuje zo zemského povrchu ako dlhovlnné infračervené žiarenie späť do vesmíru. Toto žiarenie je v strede infračerveného žiarenia - a teda v oblasti spektra, ktoré doteraz zostalo nepovšimnuté a nevyužité. „Nie je jasné, koľko energie je možné získať z infračerveného žiarenia Zeme, alebo či to má zmysel vyskúšať - kým si nesadnete a nevykonáte výpočty, “ hovorí spoluautor Steven J. Byrnes z Harvardskej univerzity.

Harvardskí vedci teraz vykonali presne tieto výpočty - priamo navrhli dve technológie, ktoré by mohli využiť infračervené žiarenie Zeme na výrobu elektriny. Jeden variant je podobný ako solárny tepelný generátor, druhý skôr ako fotovoltaický článok.

Federico Capasso (vľavo) a Steven J. Byrnes (vpravo) vymýšľajú nový spôsob výroby energie © Eliza Grinnell, SEAS Communications

Absorbér tepelnej energie

Prvá technológia pozostáva z „horúcej“ platne s teplotou Zeme a „studenej“ platne ležiacej na nej. Chladná doska je vyrobená z vysoko emisného materiálu, ktorý veľmi efektívne odvádza teplo a ochladzuje ho. Tento efekt sa nazýva aj radiálne chladenie. Pretože spodná doska neukazuje tento efekt, vytvára teplotný gradient a môže z nej byť odvodená energia. zobraziť

Na základe štúdie, ktorá merala infračervené žiarenie Zeme v Oklahome, vedci vypočítali, že tento systém môže generovať výkon niekoľko wattov na meter štvorcový. Vedci považujú za ťažké udržať chladnú dosku chladnejšiu ako je teplota prostredia. Ich úvahy však ukazujú všeobecný princíp: rozdiely v teplote môžu generovať energiu, keď vedci klasifikujú svoje výsledky. „Kombinujeme známe princípy chladenia teplom a žiarením, “ vysvetľuje Byrnes.

Optoelektronický absorbér energie

Druhý variant tiež používa teplotné rozdiely, ale medzi dvoma elektronickými komponentmi, diódou a anténou. Z fyziky je známe, že dióda môže generovať kladné napätie, ak má vyššiu teplotu ako odpor. Toto je princíp, ktorý používa Federico Capasso z Harvardskej univerzity a jeho tím.

Vo fyzikálnom modeli funkciu odporu vykonáva mikroskopická anténa, ktorá veľmi efektívne odvodzuje infračervené žiarenie smerom k oblohe. Vďaka silnému žiareniu sa anténa ochladzuje nadol, čo tiež znižuje teplotu tohto odporu proti dióde. „Výsledkom je, že elektrický prúd môžete získať priamo z tohto procesu žiarenia, bez toho, aby ste makroskopický objekt museli ochladiť v medzikroku, “ povedal Byrnes.

Metóda je stále v plienkach

Podľa vedcov by sa tento druhý variant mohol realizovať najmä s ohľadom na najnovší technologický pokrok v mikroelektronike a nanotechnológiách. Myšlienka využitia tepelného žiarenia našej planéty ako zdroja energie nie je v žiadnom prípade utopická. Stále však treba prekonať určité prekážky.

„Čím viac prúdu tečie cez jedinú napäťovú slučku, tým ľahšie je ovládať systém. Ak však budeme vyrábať energiu z infračerveného žiarenia Zeme, napätie bude pomerne nízke, “vysvetľuje Byrnes. „To znamená, že je ťažké vyvinúť infračervenú diódu, ktorá funguje spoľahlivo.“

V súčasnosti inžinieri a fyzici pracujú na vývoji nových typov diód, ktoré spoľahlivo fungujú aj pri nízkom napätí, ako sú napríklad tunelové diódy a balistické diódy. Ďalším prístupom by bolo zvýšenie napätia na úroveň praktickú pre dnešné diódy. To sa dá dosiahnuť napríklad zlepšením elektrických vlastností rezistora, takzvanej impedancie. „Riešenie problému by mohlo trvať oboje, “ predpovedá Byrnes.

Ďalšou výzvou pre rozvoj bude rýchlosť. „Len hŕstka diód môže dnes prepnúť 30 biliónovkrát za sekundu a túto rýchlosť potrebujeme s infračervenými signálmi. Takže okrem charakteristík napätia a impedancie systému musíme tiež zlepšiť rýchlosť diód, “hovorí Byrnes. „Teraz, keď poznáme špecifikácie vzájomných vzťahov, sme v dobrej pozícii, aby sme pracovali na realizovateľnom riešení, “ dodáva. (Zborník Národnej akadémie vied (PNAS), 2014; doi: 10.1073 / pnas.1402036111)

(Škola inžinierskych a aplikovaných vied, Harvardská univerzita, 04.03.2014 - KEL)