Silnik Stirlinga to rodzaj silnika cieplnego, przetwarzających ciepło na energię mechaniczną. W przeciwieństwie do silników wewnętrznego spalania, w silniku Stirlinga ciepło nie jest produktem spalania, lecz musi być dostarczane z zewnątrz. Czynnikiem roboczym jest tu gaz (powietrze, wodór, hel), pracujący w obiegu zamkniętym, pomiędzy nisko- a wysokotemperaturowym źródłem ciepła, w cyklu termodynamicznym, znanym jako cykl Stirlinga, którego teoretyczny przebieg obejmuje cztery fazy:
- sprężanie czynnika roboczego w stałej temperaturze niskotemperaturowego źródła ciepła;
- podgrzewanie czynnika roboczego w stałej objętości do temperatury wysokotemperaturowego źródła ciepła;
- rozprężanie czynnika roboczego przy zachowaniu temperatury wysokotemperaturowego źródła ciepła poprzez podgrzewanie;
- izochoryczne rozprężenie i schłodzenie czynnika roboczego do temperatury niskotemperaturowego źródła ciepła.
W ramach każdej fazy następuje przemiana termodynamiczna pomiędzy czynnikiem roboczym a otoczeniem. Uzyskiwane w przemianach ciśnienie gazu napędza tłok, którego ruch postępowy zamieniany jest na ruch obrotowy, na przykład do napędu prądnicy. W różnych konfiguracjach silniki Stirlinga mogą wykorzystywać ciepło resztkowe z różnych przemysłowych procesów cieplnych, a także energię słoneczną.
Na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis prowadzone są badania nad silnikiem Stirlinga, wykorzystującym jako wysokotemperaturowe źródło ciepła nagrzaną za dnia powierzchnię ziemi, a jako niskotemperaturowe źródło ciepła – chłodnego, nocnego powietrza. Tym sposobem możliwe byłoby zagospodarowanie nocnej luki w produkcji energii odnawialnej, opartej na fotowoltaice.
Konfiguracja urządzenia jest podobna do typowego silnika Stirlinga, z tą różnicą, że jest on zainstalowany na trzywarstwowej płycie, położonej na ziemi. Nagrzana za dnia powierzchnia ziemi nagrzewa dolną warstwę płyty, dostarczając ciepło do silnika. Z kolei wierzchnia warstwa pokryta jest powłoką, zapewniającą pasywne chłodzenie radiacyjne. Ciepła i zimna warstwa są od siebie odseparowane warstwą izolacyjną. W takim układzie podczas testów otrzymano ponad 400 mW z jednego metra powierzchni panelu.
Optymalne warunki dla pracy takiego rozwiązania występują w suchym, przejrzystym powietrzu, na przykład na Saharze czy latem na Antarktydzie. Optymalizacja konstrukcji umożliwia jednak działanie zestawu również w rejonach o niższej dobowej amplitudzie temperaturowej. Budowa większych urządzeń tego typu pozostaje jednak kwestią otwartą.
ucdavis.edu
Deppe T.J. et Munday J.N.: Mechanical power generation using Earth’s ambient radiation, Sci. Adv.11, eadw6833, 2025
