Temperatuurverschil tussen de Aarde en de Ruimte drijft Stirlingmotor aan

Ingenieurs maken gebruik van het temperatuurverschil tussen de warme Aarde en de koude ruimte om een lage-temperatuur Stirlingmotor aan te drijven, die een ventilator in beweging brengt.

Een ingenieursteam van de University of California Davis (UC Davis) is erin geslaagd om dit temperatuurverschil te benutten om ’s nachts mechanische energie te genereren met behulp van een lage-temperatuur Stirlingmotor. In een testopstelling gebruikten de wetenschappers de Stirling-aandrijving voor de ventilatie van een kassencomplex. Er zijn echter ook andere toepassingen denkbaar.

De ingenieurs van UC Davis maken gebruik van een techniek die meer dan 200 jaar oud is: de Stirlingmotor, uitgevonden door Robert Stirling en gepatenteerd in 1816. De warmte-krachtmachine van Stirling is vrij eenvoudig van opbouw, en de werking ervan is simpel. In een cilinder wordt een gas verwarmd. De cilinder wordt afgesloten door een beweeglijke zuiger. Het gas zet uit en wordt overgebracht naar een tweede, ook afgesloten cilinder, waar het wordt gekoeld en gecomprimeerd. Het gas beweegt zich tussen de twee kamers, terwijl temperatuur en druk wisselen. De twee zuigers zijn via een stang verbonden met een vliegwiel dat een cirkelvormige beweging uitvoert, die als aandrijving kan worden gebruikt. Om het rendement te verbeteren, bevindt zich vaak een regeneratieve warmtewisselaar op het pad van de hete naar de koude cilinder, die extra warmte afgeeft zodra het gas van de koude naar de hete cilinder stroomt.

Temperatuurverschil tussen de Aarde en de Ruimte als aandrijving

In de praktijk wordt bij de Stirlingmotor warmte kunstmatig aangebracht door verbranding van brandstof van buitenaf, om het temperatuurverschil tussen heet en koud te bereiken. Echter, het ingenieursteam van UC Davis volgt een andere benadering: zij maken gebruik van het natuurlijke temperatuurverschil tussen de door de zon verwarmde aarde en de koude ruimte. De uitgezonden kou wordt opgevangen door een soort antenne in de vorm van een metalen plaat en verdergegeven aan de Stirlingmotor.

Jeremy Munday, professor in elektrotechniek en informatiekunde, verduidelijkt het proces: “Het hoeft de ruimte niet fysiek te raken, het kan gewoon stralend met de ruimte interageren,” zegt Munday. “Het is alsof je buiten staat op een koude, heldere nacht: je hoofd koelt snel af omdat de warmte straalt.”

Bij de opstelling van de onderzoekers staat de Stirlingmotor op een plaat die de warmte van de aarde opvangt. De onderkant is bedoeld om één kant van de Stirlingmotor te verwarmen. De antenne vangt daarentegen de kou op en leidt deze naar de koele zijde van de motor.

Volgens de ingenieurs zijn al kleine temperatuurverschillen voldoende om de motor in werking te stellen: “Deze motoren zijn zeer efficiënt, zelfs bij geringe temperatuurverschillen, terwijl andere motortypen beter functioneren bij grotere temperatuurverschillen en meer energie kunnen genereren,” legt Munday uit.

De onderzoeksresultaten, die zijn vastgelegd in de studie “Mechanische kracht generatie met behulp van de straling van de Aarde” en gepubliceerd in Science Advances, hebben aangetoond dat met de gebruikte Stirlingmotor minimaal 400 mW mechanische energie per vierkante meter kan worden opgewekt. De wetenschappers hebben de aandrijving gebruikt om een ventilator in een kas aan te drijven. In een andere testopstelling koppelden ze deze aan een elektromotor en genereerden ze stroom met het als generator.

UC Davis heeft een voorlopig patent op de techniek aangevraagd.