Инженеры из США и Японии представили устройство, которое может получать электроэнергию из космического холода. Пока речь идет об очень малой мощности в десятки нановатт, но теоретически подобным способом можно получать и вполне значимые на практике 4 ватта с квадратного метра.
Солнечные батареи становятся все дешевле и эффективнее. Их цена каждый год падает на несколько процентов, а КПД массово выпускаемых фотоэлементов достиг 20%, и ежегодно он прибавляет несколько десятых процента. Солнечных батарей становится все больше, но у этой отрасли альтернативной энергетики есть принципиальный недостаток — она не выдает электричество по ночам.
Исследователи из США и Японии описали в журнале Applied Physics Letters устройство, которое позволяет получать электроэнергию за счет темноты и холода ночного неба. Идея, лежащая в основе изобретения, очень проста: днем поток энергии идет от Солнца к предметам на поверхности Земли, а ночью нагретые днем предметы отдают тепло в космическое пространство. А там, где есть поток тепла, его можно использовать для генерации электричества за счет тех или иных устройств — от классических тепловых машин до разного рода термоэлектрических преобразователей.
Классическая тепловая машина — это концепция в термодинамике, которая описывает универсальное устройство с нагревателем и холодильником. Примеры таких машин, где нагревание обеспечено сгорающим топливом, а охлаждение — окружающей средой, — это двигатель внутреннего сгорания, паровая машина, реактивная турбина. Если заменить сгорание топлива иным источником энергии, суть не поменяется, полезная работа будет получаться за счет потока тепла от горячего к холодному.
Для того чтобы их устройство могло отдавать тепло возможно большей площади неба, ученые использовали большое параболическое зеркало. Образно говоря, оно фокусировало темноту. В фокусе зеркала находился фотодиод, который днем работал как солнечный фотоэлемент, а ночью остывал за счет испускания инфракрасных лучей в ночное небо. Температура фотодиода в результате оказывалась ниже, чем у нагревшейся за день металлической подложки под ним. Этой разницы оказалось достаточно для получения электричества.
Преобразовать разницу температур фотодиода и подложки в электричество позволил элемент Пельтье, давно известное полупроводниковое устройство. При пропускании электрического тока одна сторона его нагревается, а другая остывает (этот эффект используют в компактных холодильниках). При нагреве одной стороны и охлаждении другой элемент Пельтье, напротив, выдает электрическое напряжение.
Расположив такое устройство в своей установке, ученые смогли получить немного электроэнергии из ночного холода. Как отмечают авторы, «можно собирать приходящее излучение, а можно использовать исходящее. В результате получается очень красивая симметрия в рамках оптоэлектронных технологий».
В первом проведенном эксперименте исследователи получили ничтожно малую мощность — десятки нановатт с квадратного метра. Этого мало даже для самых нетребовательных приборов. Но теоретические расчеты показывают, что мощность можно поднять вплоть до 4 ватт на квадратный метр. Современная солнечная батарея днем может выдать с той же площади до 200 ватт, но 4 ватта все равно больше, чем ноль.
Авторы работы предполагают, что их устройство, должным образом усовершенствованное, может быть не только частью теоретической работы. В частности, его можно будет использовать для того, чтобы превращать в электроэнергию тепло от нагревающихся станков.