Verden av fornybar energi gjennomgår en enestående revolusjon. Midt i den globale hastverket med å redusere vårt karbonavtrykk og avhengigheten av fossilt brensel, har et virkelig innovativt forslag dukket opp: å utnytte den infrarøde energien som jorden naturlig sender ut i rommet som en ny fornybar kilde. Selv om det kan høres ut som science fiction, har det vitenskapelige samfunnet aktivt fulgt denne forskningslinjen en stund, og tatt betydelige skritt mot å utvikle en teknologi som, selv om den fortsatt er i en tidlig fase, kan transformere energimiksen og utfylle eksisterende sol- og vindkraftsystemer.
Hva ville det bety å ha teknologier som er i stand til å generere elektrisitet fra strålingen jorden sender ut hver natt? Utover ren vitenskapelig nysgjerrighet er dette et initiativ støttet av solide fysiske prinsipper og støttet av forskning publisert i de mest prestisjefylte vitenskapelige tidsskriftene. I denne omfattende og detaljerte utforskningen vil vi dykke ned i hvordan dette fenomenet fungerer, hvilke enheter som kan utnytte det, hvilke utfordringer det står overfor, og hvilken innvirkning det kan ha både på husholdningenes behov og kritisk infrastruktur, og analysere fremskrittene, eksperimentene og prototypene som er utviklet til dags dato.
Forstå fenomenet: Hva er terrestrisk infrarød stråling?
Før vi går dypere inn i teknologien, er det nyttig å forstå, enkelt, men presist, hva som skjer med energien planeten vår mottar og frigjør daglig. Jorden, som ethvert legeme med en temperatur som overstiger det absolutte nullpunkt, sender ut energi konstant . Denne utslippet skjer primært i det elektromagnetiske spekteret kjent som langbølget infrarødt , det vil si varme som slipper ut i rommet.
I løpet av dagen absorberer jordoverflaten solstråling. Noe reflekteres, men en betydelig del omdannes til varme. Om natten frigjøres denne lagrede varmen som infrarød stråling , som beveger seg fra bakken til de øvre lagene i atmosfæren og til slutt til den iskalde kulden i verdensrommet (rundt -270 °C). Her dukker et nøkkelbegrep opp: den termiske gradienten , det vil si temperaturforskjellen mellom planetens varme overflate og den iskalde vidstrakte verdensrommet – en forskjell som klassisk fysikk identifiserer som en potensiell kilde til nyttig arbeid.
Energien forbundet med denne prosessen er enorm. Faktisk anslås det at den totale effekten som jorden utstråler ut i rommet er rundt 10¹⁷ watt , et astronomisk tall som det frem til nå ikke har blitt gjort forsøk på å utnytte som en direkte kilde til elektrisitet. Utfordringen ligger i å omdanne denne varmestrømmen, som vi vanligvis anser som et uunngåelig tap, til noe nyttig. Og det er her teknologisk innovasjon begynner å bane vei.
Teknologi for å fange opp infrarød stråling: termo-radiatorkonvertering
Den største utfordringen med å utnytte jordens termiske energi er utelukkende en ingeniørmessig og anvendt fysikk: hvordan kan man transformere denne lavenergiske, diffuse infrarøde strømmen til brukbar elektrisitet? Flere forskningsgrupper har jobbet med dette, og de fleste fremskrittene faller inn under konseptet med termostrålende celler eller -enheter.
Termoradiative celler fungerer etter et prinsipp som er motsatt av konvensjonelle fotovoltaiske solceller. Mens sistnevnte absorberer synlig sollys og genererer elektrisitet, fungerer termoradiative celler om natten: mekanismen deres er å sende ut infrarøde fotoner fra jordoverflaten ut i rommet , og takket være denne "kontrollerte emisjonen" og den eksisterende temperaturforskjellen klarer de å produsere en beskjeden, men reell, elektrisk strøm.
Denne tilnærmingen ble eksperimentelt demonstrert av et team fra University of California, Los Angeles (UCLA) i 2019. De utviklet og testet prototyper av termostrålende celler som genererte elektrisitet ganske enkelt ved å frigjøre varme til himmelen . Dette gjennombruddet representerte et paradigmeskifte, ettersom det ga muligheten til å fange energi selv i fravær av solstråling, og dermed komplettere tradisjonelle solsystemer.
Enheter og teknologiske forslag for å fange infrarød energi om natten
Vitenskapelig litteratur, samt flere artikler i populær- og fagpresse, beskriver i detalj ulike forslag for å realisere ideen om å høste infrarød energi fra jorden. De mest relevante, til dags dato, kan kategoriseres i to brede tilnærminger, begge inspirert av arbeidet til Harvard-gruppen ledet av Federico Capasso.
1. Varm-kald platesystemer: Disse består av en struktur som består av en «varm» plate (ved omgivelsestemperatur på jorden) og en «kald» plate plassert over den, vendt oppover. Denne andre platen må være laget av svært effektive, emitterende materialer, som er i stand til å utstråle varme ut i rommet med stor effektivitet. Temperaturforskjellen mellom de to platene genererer en liten likestrøm. Eksperimenter utført i Oklahoma, USA, tyder på at denne metoden kan gi noen få watt per kvadratmeter under optimale forhold.
2. Enheter basert på elektroniske nanostrukturer: Den andre tilnærmingen fokuserer på bruk av miniatyriserte komponenter som dioder og antenner på nanoskala. Disse enhetene utnytter temperaturforskjeller mellom selve kretselementene – for eksempel ved å sørge for at dioden er varmere enn en motstand eller en liten antenne – for å skape en strømflyt. Den største utfordringen her er å utvikle materialer og design som er i stand til å operere ved de ekstremt lave spenningene som kjennetegner det infrarøde området.
Begge alternativene, selv om de er forskjellige i den praktiske implementeringen, er basert på universelle termodynamiske prinsipper : generering av arbeid (i dette tilfellet elektrisitet) er mulig så lenge det er to termiske "fontener" ved forskjellige temperaturer og et system er utformet som er i stand til å utvinne energien på en nyttig måte.
Eksperimentelle fremskritt og oppnådd effektivitet: Hvor mye energi kan utvinnes?
Et av de vanligste spørsmålene om dette konseptet er: kan vi faktisk utvinne en nyttig mengde elektrisitet fra jordens infrarøde stråling? Svaret, i hvert fall for øyeblikket, er at effektiviteten fortsatt er beskjeden , men teknologien er i rask utvikling.
De første prototypene som ble beskrevet i vitenskapelig litteratur og replikert i forskjellige laboratorier, oppnådde 25 milliwatt per kvadratmeter under natteforhold, et tall som fortsatt er langt fra behovene til et gjennomsnittlig hjem eller et industrianlegg. Simuleringer og materialfremskritt tyder imidlertid på at man om noen få år kan nå opptil 50 watt per kvadratmeter (W/m²) , spesielt hvis det gjøres betydelige forbedringer i halvlederne som brukes og i nanofabrikasjon. Selv om disse verdiene ikke er på langt nær nok til å erstatte storskala sol- eller vindkraftsystemer, åpner de døren for spesifikke bruksområder: strømforsyning til distribuerte sensorer, IoT-enheter, fjernkommunikasjon og systemer som krever konstant energi med lavt strømforbruk.
En annen bemerkelsesverdig fordel er at infrarød energi, som en energikilde for «natten», kan brukes til å redusere behovet for batterilagring i konvensjonelle solcelleanlegg. Med andre ord, om dagen utnyttes solen; om natten kan det samme panelet eller systemet fortsette å generere en beskjeden mengde strøm ved å avgi den akkumulerte varmen.
Unike fordeler og potensielle bruksområder for jordbasert infrarød energi
Teknologier for å fange infrarød energi tilbyr klare fordeler sammenlignet med andre fornybare kilder:
- NattproduksjonDen største fordelen er at den fungerer når konvensjonelle solcellepaneler er i ro, og dermed dekker den nattlige etterspørselen uten behov for store lagringsinfrastrukturer.
- Passiv driftFraværet av bevegelige deler reduserer vedlikehold, øker robustheten og gir lengre levetid.
- Mulighet for arkitektonisk integrasjonDen slanke, tilpasningsdyktige designen til de termostrålende cellene gjør dem enkle å installere på tak, veier, eksisterende infrastruktur og til og med på tradisjonelle solcellepaneler.
- komplementaritetDen konkurrerer ikke med, men utfyller snarere, nåværende løsninger, spesielt i applikasjoner med lav etterspørsel og på steder der solenergi ikke er levedyktig på grunn av klimatiske forhold, breddegrad eller byarkitektur.
Forskere har også foreslått å bruke disse systemene i satellitter, værstasjoner, eksterne baser, nattbelysning og fremfor alt som støtte for distribuert elektronikk i "Tingenes internett", noe som reduserer avhengigheten av batterier eller hyppig lading.
Teknologiske, materielle og økonomiske utfordringer som må overvinnes
Til tross for bemerkelsesverdige eksperimentelle fremskritt, er de teknologiske utfordringene fortsatt betydelige. Blant de mest relevante er:
- Begrenset effektivitetÅ oppnå materialer og konfigurasjoner som tillater fangst og transformasjon av størst mulig mengde stråling, og overvinne dagens barrierer på 0,001 til 0,005 % energieffektivitet sammenlignet med solcellepaneler (som er rundt 20–25 %).
- Avansert materialeDet er nødvendig å investere i forskning på nye halvledere og elementer som fungerer effektivt ved svært lave temperaturforskjeller (noen ganger mindre enn 30 °C).
- Hastighet og holdbarhetDioder og komponenter må operere ved svært høye frekvenser (slå seg av og på milliarder av ganger per sekund), uten tap av ytelse over tid og tåle varierende miljøforhold.
- Skalerbarhet og kostnaderÅ bringe teknologi fra laboratoriet til industriell skala betyr å optimalisere produksjonsprosesser og redusere enhetskostnadene, noe som gjør den konkurransedyktig med andre fornybare alternativer.
Videre, som tekniske artikler viser, betyr avhengighet av lokale klimatiske faktorer at avlingen varierer sesongmessig og geografisk. De beste resultatene oppnås på steder med tørre, kjølige netter, eller der jorden varmes opp intenst i løpet av dagen.
Eksempler og eksperimenter: Resultater oppnådd hittil
For å forstå teknologiens reelle potensial og dens umiddelbare anvendelser, er det verdt å se gjennom noen av tallene og funnene som er fremhevet i den store forskningen som er publisert de siste årene:
- I Lamont (Oklahoma, USA) tillot temperaturforskjellen mellom platene en produksjon på opptil 2,7 watt per kvadratmeter i gjennomsnitt årlig, som tilsvarer omtrent 0,06 kWh per m² per dag.
- Eksperimenter i Australia og andre internasjonale laboratorier har vist at bruk av halvledere tilpasset det infrarøde båndet, er det mulig å utvinne elektrisk strøm fra spillvarmen om natten. Effektiviteten forblir imidlertid 100.000 XNUMX ganger lavere enn solcellepaneler av silisium.
- Hybridsystemer, som integrerer termostråleceller i solcellepaneler (som de for varmtvann til husholdningsbruk), muliggjør ytterligere strømproduksjon om natten uten praktisk talt noen økning i installasjonskostnader.
Et av de mest lovende aspektene er muligheten for å «resirkulere» varmen som avgis fra ethvert objekt, ikke bare bakken: bygninger, veier, industrimaskiner, tak og til og med mennesker sender ut infrarød stråling som kan fanges opp og omdannes til små mengder elektrisk energi.
Interessen for denne teknologien har økt på grunn av det presserende behovet for å diversifisere og garantere forsyningen av fornybar energi. Tradisjonelle energikilder er avhengige av værforhold og tidspunktet på døgnet, mens termostråleceller tilbyr en kontinuerlig og forutsigbar kilde om natten, noe som gjør dem spesielt verdifulle i regioner med høy nattebehov for kritiske systemer som belysning, kommunikasjon og kjøling.
På den annen side tyder fremskritt innen materialer og kostnadsreduksjoner på at denne teknologien kan spille en komplementær rolle i fremtidens energimiks. Integrering i bygninger, infrastruktur og eksterne applikasjoner presenteres som en lovende strategi, som alltid søker å forbedre effektiviteten og redusere produksjonskostnader.
