Все новости

Космический холод превратили в электричество

Остывающие солнечные батареи смогут выдавать немного электроэнергии даже ночью

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.

Схема установки, которую собрали исследователи. Masashi Ono
Описание
Схема установки, которую собрали исследователи. Masashi Ono

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».

Читайте также: Темная сторона «зеленой» индустрии. «Критические географы» продемонстрировали, какими средствами ветроэнергетика подминает под себя окраины Дании

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.