Канал The Action Lab показав щось, що з першого погляду виглядає як фокус: двигун Стірлінга, який крутиться просто від сонячного світла — без електрики, без палива, без жодного зовнішнього джерела енергії крім того, що світить з неба. Один бік пофарбований найчорнішою фарбою у світі, інший — спеціальною радіаційною фарбою, яка може бути холоднішою за навколишнє повітря навіть просто неба. Різниця температур між двома сторонами — і є те, що змушує двигун працювати.
Чому чорне тіло — це не просто колірЩоб зрозуміти, як це взагалі можливо, потрібно трохи заглибитися у фізику теплового випромінювання. Атоми і молекули взаємодіють з електромагнітними хвилями трьома способами залежно від енергії: електрони стрибають між орбіталями при поглинанні ультрафіолету і видимого світла; молекули починають вібрувати при взаємодії з інфрачервоним випромінюванням; і обертаються при взаємодії з мікрохвилями та радіохвилями. У мікрохвильовці, до речі, саме так нагрівається вода — полярні молекули обертаються в змінному електричному полі.
Фізики придумали зручну теоретичну модель:
абсолютно чорне тіло — об’єкт, який поглинає 100% випромінювання на всіх довжинах хвиль без винятку. Це робить його дуже зручним для розрахунків, бо спектр поглинання і випромінювання такого тіла — просто пряма лінія. При нагріванні чорне тіло починає випромінювати світло в певному діапазоні, і чим вище температура — тим більше енергії і тим ширший діапазон. Ця крива — один із фундаментальних графіків у фізиці.
Кріофарба: чому вона холодніша за тіньСпеціальна радіаційна фарба Cryopaint працює на іншому принципі. Вона виготовлена з керамічних частинок, які вібрують на довжині хвилі близько 10 мікрон. Саме в цьому діапазоні атмосфера майже прозора — так зване «атмосферне вікно». Це означає, що випромінювання на цій довжині хвилі йде просто в космос, де температура близька до абсолютного нуля.
Тобто фарба буквально скидає тепло в космічний простір крізь атмосферу. Якщо вона починає нагріватися — випромінює більше, ніж отримує, і охолоджується. Вдень, під прямим сонцем, вона може бути холоднішою за тінь поруч.
Але виникає логічне запитання: якщо абсолютно чорне тіло випромінює ще більше,
ніж кріофарба, чи не охолоджувалося б воно краще? Відповідь — вночі так. Але вдень чорне тіло поглинає майже все видиме сонячне світло і перетворює його на тепло. Кріофарба цього не робить — вона випромінює в інфрачервоному діапазоні, але не поглинає видиме світло. Тому вдень вона залишається холодною, а чорне тіло — перегрівається.
Двигун Стірлінга: різниця температур як паливоДвигун Стірлінга працює на простому принципі: повітря розширюється, коли гаряче, і стискається, коли холодне. Якщо постійно підтримувати одну сторону гарячою, а іншу — холодною, поршень буде рухатися безперервно. Зазвичай для цього потрібне зовнішнє джерело тепла — свічка, спиртівка, гарячий чай.
Автор вирішив використати як джерело тепла найчорнішу матову фарбу Musou Black з поглинанням близько 99% видимого світла — вона жадібно поглинає сонячне проміння і нагрівається. Холодну сторону — пофарбував Cryopaint, яка скидає тепло в небо і залишається прохолодною. Термопаста поліпшила теплообмін між поверхнями і металевим радіатором двигуна.
Результат здивував навіть самого автора. Двигун запустився.
Просто від того, що його винесли на сонце. Жодної електрики, жодного палива — тільки різниця між чорним боком, що поглинає світло, і білим боком, що відкидає тепло в небо.
Чим це відрізняється від сонячних панелейСонячна панель перетворює світло на електрику, а електрика вже крутить мотор. Тут ланцюжок інший і коротший: світло → тепло на чорній поверхні → різниця температур → механічна робота. Без проміжного перетворення в електрику. Це не ефективніше за сонячну панель у цифрах, але принципово інша фізика — і наочна демонстрація того, що теплове випромінювання можна використовувати як активний інструмент, а не просто боротися з ним.
Радіаційне охолодження як технологія вже застосовується в спеціальних фарбах для будівель і одягу. Те, що цей же принцип можна використати для отримання корисної механічної роботи — цікаве нагадування про те, скільки енергетичного потенціалу ховається у, здавалося б, простих фізичних явищах.
Запис Двигун на сонячному світлі без сонячних панелей: чорна фарба і радіаційне охолодження змушують поршень рухатися спершу з'явиться на ProstoMob.
