«Ночная» солнечная энергия: как тепло Земли может однажды питать спутники

Солнечная энергия традиционно ассоциируется с ярким дневным светом, голубым небом и панелями, которые работают только тогда, когда Солнце находится над горизонтом. Однако группа учёных в Австралии предлагает взглянуть на эту идею с неожиданной стороны: а что, если получать энергию от Солнца… ночью?

Именно этим вопросом уже несколько лет занимаются исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее. Их работа может изменить представления о том, как вырабатывается энергия в космосе — и в перспективе дать спутникам новый, дополнительный источник питания в тёмное время орбиты.

Земля светится в темноте — просто мы этого не видим

Если взглянуть на Землю ночью через инфракрасную камеру, картина будет неожиданной: планета буквально «светится». Здания, мосты, океан, человеческие тела — всё излучает тепло в виде инфракрасного света. Это не отражение солнечных лучей, а энергия, накопленная днём и постепенно уходящая обратно в холодный космос.

«Если смотреть на Землю ночью в инфракрасном диапазоне, она будет выглядеть как светящийся объект», — объясняет профессор Нед Экинс-Доус, руководитель группы солнечной энергетики UNSW. — «Планета непрерывно излучает тепло в сторону Вселенной, и это фундаментальный физический процесс».

Именно на этом явлении и основана идея так называемой «ночной солнечной энергии».

Обратная солнечная панель: как это работает

В классической солнечной батарее фотоны света поглощаются материалом, выбивая электроны и создавая электрический ток. Австралийские учёные пошли по противоположному пути.

Они разрабатывают устройство под названием терморадиационный диод — полупроводниковый элемент, который не поглощает свет, а наоборот, излучает его, при этом генерируя электричество.

«По сути, это перевёрнутая солнечная панель», — говорит аспирант UNSW Джейми Харрисон. — «Обычная панель работает за счёт поглощения света, а мы создаём устройство, которое вырабатывает ток в процессе излучения».

Источник энергии здесь — не солнечный свет напрямую, а разница температур между тёплым объектом и холодной окружающей средой.

Почему ночью это работает хуже на Земле

На поверхности Земли эффективность таких диодов пока крайне низкая. Даже при идеальных условиях они способны вырабатывать примерно один ватт на квадратный метр — в десятки тысяч раз меньше, чем обычные солнечные панели.

Причина проста: атмосфера. Водяной пар, углекислый газ и другие газы поглощают инфракрасное излучение и уменьшают температурный контраст между поверхностью Земли и небом.

«Количество энергии, которое может выработать диод, напрямую зависит от того, насколько холодна среда вокруг него», — поясняет Экинс-Доус. — «А на Земле ночное небо далеко не такое холодное, каким кажется».

На практике текущая версия устройства способна выработать достаточно энергии разве что для питания наручных часов — и то, используя тепло человеческого тела.

Космос меняет всё

Настоящий потенциал технологии раскрывается не на Земле, а в космосе. За пределами атмосферы температура окружающей среды стремится к абсолютному нулю, а разница между нагретым спутником и холодной Вселенной становится колоссальной.

Именно поэтому исследователи считают, что терморадиационные диоды могут стать новым источником энергии для спутников, особенно тех, что находятся на низкой околоземной орбите.

«Спутники проводят примерно половину времени в тени Земли», — говорит Экинс-Доус. — «Обычно в этот период они питаются от аккумуляторов, заряженных днём. Но мы предлагаем извлекать дополнительную энергию из тепла, которое сам спутник накопил на солнечной стороне орбиты».

Иначе говоря, когда спутник выходит из зоны солнечного света, он начинает «остывать», излучая тепло — и именно этот процесс можно превратить в источник электричества.

Дополнение, а не замена солнечных батарей

Важно подчеркнуть: речь не идёт о полном отказе от солнечных панелей. Новая технология рассматривается как вспомогательный источник энергии, который может снизить нагрузку на аккумуляторы и повысить общую надёжность спутниковых систем.

Особенно это актуально для современных малых спутников, которые становятся всё более компактными, но при этом должны выполнять всё более сложные задачи — от связи до наблюдения за климатом.

«Сейчас есть тенденция делать спутники меньше и легче, но с той же функциональностью», — отмечает Экинс-Доус. — «Терморадиационные диоды идеально вписываются в эту концепцию: они лёгкие и могут размещаться на поверхностях, которые обычно не используются для генерации энергии».

Первые испытания за пределами лаборатории

Команда UNSW планирует провести в ближайшее время эксперимент с запуском оборудования на стратостатах. Такой полёт позволит протестировать диоды в условиях разреженной атмосферы и экстремального холода — промежуточного этапа между Землёй и космосом.

Это станет первым шагом к реальному применению технологии вне лабораторных условий.

Скепсис и альтернативные подходы

Не все эксперты, впрочем, разделяют оптимизм австралийских исследователей. Доктор Джеффри Ландис из Исследовательского центра NASA имени Джона Гленна отмечает, что для низкоорбитальных спутников батареи остаются самым дешёвым и простым решением.

«Аккумуляторы стоят дёшево», — говорит он. — «И для 45 минут тьмы на орбите они вполне справляются. Чтобы терморадиационные диоды имели смысл, они должны быть крайне дешёвыми».

Однако Ландис и его коллеги видят гораздо больший потенциал этой технологии в дальнем космосе.

Глубокий космос и замена радиоизотопных генераторов

Миссии к внешним планетам Солнечной системы, а также луноходы, работающие в постоянно затенённых кратерах Луны, сегодня используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи), работающие на распаде плутония.

Эти системы надёжны, но имеют серьёзные недостатки: они тяжёлые, громоздкие, дорогие и зависят от редкого и сложного в производстве топлива.

«Один такой генератор может весить около 45 килограммов и занимать сотни литров объёма», — объясняет доктор Стивен Полли из NASA. — «Кроме того, плутоний — крайне ограниченный ресурс».

По его словам, терморадиационные диоды могут использовать тот же источник тепла, но при этом быть проще, легче и эффективнее.

Технические вызовы: температура и долговечность

Тем не менее, перед внедрением технологии стоят серьёзные инженерные вопросы. Полупроводники, из которых сейчас делают такие диоды, используются, например, в приборах ночного видения, но никогда не работали при температурах в сотни градусов.

А именно такие температуры характерны для радиоизотопных источников тепла в космосе.

«Мы просто не знаем, как долго такие материалы смогут работать в этих условиях», — признаёт Ландис. — «А для космических миссий требуется надёжность на десятилетия».

Сейчас NASA и партнёры исследуют новые материалы, способные работать при температурах до 375 °C, что уже делает технологию более реалистичной.

Сроки и перспективы

По оценкам специалистов NASA, при благоприятных результатах исследований терморадиационные системы могут быть готовы к применению в глубококосмических миссиях в течение 5–10 лет.

Команда UNSW, в свою очередь, сосредоточена на использовании технологии для низкоорбитальных спутников и получила финансирование от ВВС США для повышения эффективности диодов и масштабирования производства.

Один из ключевых плюсов — возможность использовать те же производственные линии, что и для обычных солнечных панелей, что потенциально ускоряет коммерциализацию.

Энергия, которая раньше пропадала

В конечном счёте идея «ночной солнечной энергии» — это не столько поиск нового источника, сколько попытка использовать то, что раньше считалось потерями.

Тепло, которое спутники и планеты неизбежно излучают в космос, может стать ещё одним элементом энергетического баланса — небольшим, но ценным.

«Мы не утверждаем, что эта технология изменит всё завтра», — говорит Экинс-Доус. — «Но она открывает новый способ думать об энергии — и в космосе, и за его пределами».

Если исследования окажутся успешными, в будущем спутники смогут буквально питаться собственной тепловой «тенью», а ночь перестанет быть энергетической паузой — даже вдали от Солнца.