Антипарник

До сих пор все попытки использовать солнечную энергию основывались на улавливании солнечных лучей. Дедал считает этот подход естественным, но довольно наивным. Для получения энергии требуется не только тепло, но и холод: в энергию преобразуется поток тепла, идущий от горячего тела к холодному. Поэтому во всяком тепловом двигателе можно найти не только «котел», но и «холодильник».

Хорошо известно, что кпд теплового двигателя зависит от разности температур между нагревателем и холодильником. Поэтому Дедал подыскивает хороший холодильник для солнечного теплового двигателя. Лучшим холодильником, конечно, является ночное небо: оно абсолютно черное и его радиационная температура близка к абсолютному нулю. Дедал планирует поместить конденсатор теплового двигателя в фокусе большого вогнутого зеркала, чтобы ночью в нем «собирался» весь холод ночного неба. Если изолировать конденсатор от воздуха вакуумной теплоизоляцией, прозрачной для тепловых лучей, то за счет радиационного охлаждения его температура может опуститься почти до абсолютного нуля. Такой холодильник можно использовать для сжижения воздуха и в качестве конденсатора теплового двигателя, нагреватель которого имеет нормальную температуру приземного слоя атмосферы. В такой конструкции не нужна ни сложная оптика, обычно используемая в гелиоустановках, ни следящая система, поскольку даже не слишком правильное вогнутое зеркало будет отражать ночное небо на охлаждаемый объект. В этой установке нагревателем служит сама Земля, а Солнце только греет Землю.

А чтобы эта система могла функционировать днем, Дедал изобрел еще антипарник. Это камера, изготовленная из черного полиэтилена или, скажем, из теллурида кадмия. Названные вещества непрозрачны для излучения видимого диапазона спектра, но пропускают длинноволновую радиацию, испускаемую объектами при нормальной земной температуре. Такой антипарник не пропускает внутрь солнечные лучи, но выпускает наружу тепловое излучение; в результате помещенные в него объекты охлаждаются. Радиационная температура дневного неба также низка, поэтому объект, помещенный в антипарник, будет охлаждаться и днем, и ночью, т. е. холод в антипарнике будет вырабатываться постоянно.

New Scientist, March 3, 1966

Простейшим, вариантом антипарника, по-видимому, является естественная глубокая выемка в скальной породе, где собирается утренняя роса. В ясные ночи скала излучает тепло в холодное небо. Окружающий воздух при этом охлаждается и отдает свою влагу. Моя идея с зеркалом основана на том же принципе. Точно так же, как параболическое зеркало, направляя солнечные лучи со всех сторон на объект, раскаляет его докрасна, большое зеркало может «собрать» на объекте холод всего ночного неба. Требования к подобной оптической системе гораздо ниже, чем к гелиоконцентратору, а в применении к тепловому двигателю она может оказаться значительно более эффективной. Согласно теореме Карно, максимальный кпд любого теплового двигателя η = (T_нагр - T_хол)/T_нагр, где T_нагр и T_хол — абсолютные температуры соответственно нагревателя и холодильника. Ясно, что гораздо проще приблизить кпд к единице, уменьшая температуру холодильника, чем увеличивая температуру нагревателя. Для достижения кпд = 50% в обычном двигателе на солнечной энергии, холодильник которого имеет температуру окружающего воздуха (300 К), необходимо довести температуру нагревателя до 600 К. Если же температура нагревателя равна 300 К, то такой же кпд получается при температуре холодильника 150 К, т. е. при вдвое меньшей разности температур.

Естественным развитием идеи является антипарник, в котором используются не зеркала, а фильтры, отражающие солнечные лучи, но пропускающие длинноволновое излучение. При хорошем подборе спектральных характеристик фильтров объект, помещенный в антипарник, будет охлаждаться не только ночью, но и днем. За время, прошедшее после опубликования моей заметки, антипарник действительно был построен и испытан (Applied Energy, 3, 1978, p. 267). Б. Бартоли и его сотрудники из университета в Неаполе разработали фильтры, намного превосходящие по своим характеристикам предложенные мной фильтры из теллурида кадмия. Они использовали полированный алюминий с тедларовым покрытием, прозрачным для видимого света и непрозрачным в инфракрасном «окне» атмосферы (8–13 мкм). Падая на пластину, солнечные лучи отражаются от поверхности металла, не нагревая его. Пластина охлаждается, излучая в пространство тепло. Опытные образцы таких пластин днем и ночью имели температуру на 10 °C ниже температуры окружающего воздуха — и это не предел. В принципе, комбинируя соответствующим образом зеркала и фильтры, можно охладить объект до температуры фонового космического излучения (3К). Я с нетерпением ожидаю сообщений о дальнейшем развитии событий.