كنت في صغري أسافر كل صيف
من موطني في كندا لزيارة جدي وجدتي،
اللذان كانا يعيشان في مومباي، الهند.
الآن، الجو صيفًا في كندا لطيف نوعًا ما، في أحسن الظروف ...
حوالي 22 درجة مئوية أو 72 درجة فهرنهايت
تمثل يومًا صيفيًا عاديًا، وليس حارًا للغاية.
مومباي، على النقيض، هي مكان حار ورطب
حرارته بضع وثلاثون درجة مئوية أو بضع وتسعون درجة فهرنهايت.
بمجرد وصولي إليها، أتساءل:
"كيف يمكن لأحد أن يعيش أو يعمل أو ينام في مثل هذا الجو؟"
وما يزيد الطين بلة، أن جدي وجدتي لم يكونا يمتلكان مكيفًا للهواء.
وعلى الرغم من محاولتي بأقصى، أقصى ما يمكن،
لم أتمكن أبدًا من إقناعهما بشراء واحد.
لكن الأمر يتغيَّر، وبسرعة.
تمثل أنظمة التبريد اليوم إجمالًا 17 بالمائة
من استهلاكنا للكهرباء على مستوى العالم.
يشمل هذا كل شيء بدءًا من مكيفات الهواء،
التي أردتها بشدة أثناء عطلاتي الصيفية،
إلى أنظمة التبريد التي تحفظ لنا طعامنا سليمًا وباردًا
في السوبرماركت،
إلى الأنظمة التي تحفظ مراكز البيانات في حالتها التشغيلية على المستوى الصناعي.
تمثل هذه الأنظمة إجمالًا ثمانية بالمائة
من الانبعاثات المسببة للاحتباس الحراري في العالم.
لكن ما يؤرقني ليلًا
هو أن استهلاكنا للطاقة من أجل التبريد قد يزداد ستةَ أضعافٍ بحلول عام 2050،
والعامل الأساسي في ذلك هو استخدامها المتزايد في الدول الآسيوية والإفريقية.
لقد رأيت هذا بنفسي.
كل شقة تقريبًا بمحيط منزل جدتي
بها الآن مكيف هواء.
وهذا بالطبع، أمر جيد
بالنسبة لصحة الناس الذين يعيشون في الأجواء الأكثر دفئًا، ولسلامتهم وإنتاجيتهم.
إلا أن أحد أبرز الأمور المقلقة بخصوص تغير المناخ
هو أنه كلما ازدادت درجة حرارة كوكبنا،
سنصبح أكثر احتياجًا لأنظمة التبريد...
الأنظمة التي هي نفسها مصدر كبير لانبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
وهذا من شأنه إذن التسبب في حلقة تغذية عكسية،
قد تصبح فيها أنظمة التبريد وحدها
أحد أكبر مصادر غازات الاحتباس الحراري
لاحقًا في هذا القرن.
في أسوأ الظروف،
قد نحتاج لأكثر من 10 تريليونات كيلو وات ساعة من الكهرباء كل عام،
فقط من أجل التبريد، بحلول عام 2100.
ما يمثل نصف إمداداتنا من الكهرباء اليوم.
فقط من أجل التبريد.
إلا أن هذا يقودنا أيضًا نحو فرصة مذهلة.
إن تحسين كفاءة كل نظام تبريد بنسبة 10 إلى 20 بالمائة
يمكن أن يكون له تأثيرٌ كبير على انبعاثاتنا من غازات الاحتباس الحراري،
في كل من الحاضر، ولاحقًا في هذا القرن.
ويمكن أن يساعدنا أيضًا في تفادي حلقة التغذية العكسية التي تمثل أسوأ الظروف.
أنا عالم يفكر كثيرًا بشأن الضوء والحرارة.
وتحديدًا، كيف تمكننا المواد الجديدة
من تغيير سريان هذه العناصر الأساسية للطبيعة
بطرق قد نكون اعتقدنا أنها مستحيلة يومًا ما.
لذا، على الرغم من إدراكي الدائم لأهمية التبريد
خلال عطلاتي الصيفية،
إلا أنني تحمست حقًا للعمل على هذه المشكلة
بسبب لغز عقلي صادفني منذ حوالي ست سنوات.
كيف تمكنت الشعوب القديمة من صنع الثلج في المناخات الصحراوية؟
هذه صورة لمستودع للثلج،
يُطلق عليه أيضًا "یخچال"، ويقع في جنوب غرب إيران.
توجد أنقاض للعشرات من هذه الأبنية في أرجاء إيران،
وما يدل على وجود مثل هذه الأبنية في أرجاء بقية الشرق الأوسط
وصولًا إلى الصين.
كان الأشخاص الذين يُشغِّلون هذا المستودع منذ عدة قرون،
يصبون الماء في البركة التي ترونها على اليسار
في ساعات الليل الأولى، مع غروب الشمس.
ثم يحدث أمر مذهل.
على الرغم من أن درجة حرارة الهواء قد تكون أعلى من درجة التجمد،
مثلًا خمس درجات مئوية أو 41 درجة فهرنهايت،
إلا أن المياه كانت تتجمد.
وكان يتم جمع الثلج المتولد في ساعات النهار الأولى
وتخزينه للاستخدام في المبنى الذي ترونه على اليمين،
طوال شهور الصيف.
يُحتمل أن تكونوا قد رأيتم بالفعل شيئًا مماثلًا ملموسًا
إذا كنتم قد لاحظتم يومًا الصقيع من على الأرض في ليلة صافية،
حتى عندما تكون درجة حرارة الهواء أعلى من درجة التجمد بقدر معتبر.
لكن تمهلوا.
كيف تجمدت المياه إذا كانت درجة حرارة الهواء أعلى من درجة التجمد؟
يمكن أن يكون للتبخر دورٌ في ذلك،
إلا أن هذا لا يكفي لجعل الماء يتحول إلى ثلج فعليًا.
لابد أن شيئًا آخر أدَّى إلى خفض حرارته.
فكروا في فطيرة تبرد على عتبة إحدى النوافذ.
حتى تستطيع أن تبرد، لابد أن تسري حرارتها إلى مكانٍ ما أبرد.
تحديدًا، الهواء المحيط بها.
قد يبدو هذا غير معقول،
لكن وبالنسبة لبركة الماء تلك، فإن حرارتها تسري فعليًا إلى برودة الفضاء
كيف يكون هذا ممكنًا؟
حسنًا، بركة الماء تلك مثلها مثل معظم المواد الطبيعية،
تبعث حرارتها في صورة ضوء.
هذا مفهوم يُعرف بالإشعاع الحراري.
في الحقيقة، كلنا نبعث حرارتنا الآن في صورة أشعة تحت حمراء،
إلى بعضنا البعض وإلى ما يحيط بنا.
يمكننا بالفعل تخيل هذا باستخدام الكاميرات الحرارية
وبالصور التي تنتجها، مثل التي أعرضها لكم الآن.
لذا تبعث بركة الماء تلك حرارتها
لأعلى باتجاه الغلاف الجوي.
يمتص الغلاف الجوي والجزيئات بداخله
جزءًا من الحرارة ويعيد بعثها.
وهذا يمثل في الحقيقة تأثير الاحتباس الحراري المسؤول عن تغير المناخ.
لكن هذا هو الشيء الحاسم الذي لابد من فهمه:
غلافنا الجوي لا يمتص كل تلك الحرارة.
لو كان كذلك، كنا سنكون على كوكب أكثر دفئًا.
عند أطوال موجية معينة،
تحديدًا بين ثمانية و13 ميكرومتر،
لدى غلافنا الجوي ما يسمى بنافذة إرسال.
تسمح هذه النافذة بعبور جزء من الحرارة إلى الأعلى في صورة أشعة تحت حمراء
لينفذ بفاعلية، حاملًا حرارة تلك البركة بعيدًا.
يمكن أن تنفذ إلى مكان يكون أكثر برودة كثيرًا.
برودة هذا الغلاف الجوي العلوي
ووصولًا إلى الفضاء الخارجي،
الذي يمكن أن تصل فيه البرودة إلى ناقص 270 درجة مئوية،
أو ناقص 454 درجة فهرنهايت.
لذا يمكن أن تبعث بركة الماء تلك المزيد من الحرارة إلى السماء
ثم تعيد السماء إرسالها إليها.
ونتيجةً لذلك،
تبرد البركة إلى درجة أقل من درجة حرارة الأشياء المحيطة.
هذا تأثير يُعرف بتبريد السماء ليلًا
أو التبريد الإشعاعي.
وقد أقره علماء المناخ وخبراء الأرصاد الجوية دائمًا
بصفته ظاهرة طبيعية هامة جدًا.
عندما صادفني كل هذا،
كنت بصدد إنهاء الدكتوراه الخاصة بي في ستانفورد.
وقد اندهشت من سهولتها الواضحة كطريقة للتبريد،
واحترت أيضًا.
لماذا لا نستفيد من هذا؟
هذه الفكرة قد تدارسها العلماء والمهندسون
في العقود السابقة.
لكن اتضح وجود مشكلة واحدة كبيرة على الأقل.
فقد سُمّي تبريد السماء ليلًا لسبب ما.
لماذا؟
حسنًا، إنه شيء صغير يسمى الشمس.
لذا، بالنسبة للسطح الذي يقوم بالتبريد،
ينبغي أن يكون محاذيًا للسماء.
وأثناء منتصف اليوم،
عندما نحتاج شيئًا باردًا أكثر من أي وقت آخر،
للأسف، هذا يعني أنك ستنظر لأعلى باتجاه الشمس.
والشمس ترفع درجة حرارة معظم المواد
بما يكفي لإبطال تأثير التبريد.
أقضي أنا وزملائي الكثير من وقتنا
في التفكير حول كيفية بناء مواد
عند مقاييس أطوال صغيرة جدًا
بحيث يمكن أن تقوم بأشياء جديدة ومفيدة باستخدام الضوء...
مقاييس أطوال أصغر من الطول الموجي للضوء نفسه.
باستخدام المعرفة من هذا المجال،
المعروف بعلم بصريات النانو أو أبحاث المواد الخارقة،
أدركنا احتمالية وجود طريقة نجعل بها هذا ممكنًا خلال النهار
لأول مرة.
للقيام بهذا، صممت مادة بصرية متعددة الطبقات
موضَّحة هنا في صورة مجهرية.
إنها أرفع 40 مرة من شعرة الإنسان العادية.
ويمكنها القيام بشيئين في آنٍ واحد.
أولًا، تبعث حرارتها
تحديدًا إلى أفضل مكان يطلق غلافنا الجوي الحرارة إليه.
لقد استهدفنا النافذة إلى الفضاء.
الشيء الثاني الذي تقوم به هو تفادي التسخين بفعل الشمس.
إنها مرآة جيدة جدًا لأشعة الشمس.
أول مرة جربت هذا كان على أحد الأسطح في ستانفورد
الذي أريكم إياه هنا.
لقد تركت الجهاز في الخارج لفترة قصيرة،
ثم ذهبت إليه بعد بضع دقائق،
وخلال ثوانٍ علمت أنه يعمل.
كيف ذلك؟
لمسته، وكان باردًا.
(تصفيق)
حتى أؤكد لكم كم أن هذا الأمر غريب ومناف للبديهة:
هذه المادة وما يشابهها
تصبح أكثر برودة عندما نزيحها عن الظل،
على الرغم من تسليط أشعة الشمس عليها.
إنني أعرض لكم هنا بيانات من أول تجربة لنا،
حيث ظلت المادة أكثر برودة من درجة حرارة الهواء
بأكثر من خمس درجات مئوية، أو تسع درجات فهرنهايت،
على الرغم من تسليط أشعة الشمس عليها مباشرةً.
طريقة التصنيع التي استخدمناها لصنع هذه المادة في الحقيقة
تُستخدم بالفعل على المقاييس كبيرة الحجم.
لذا كنت متحمسًا جدًا،
لا لأننا نقوم بشيء رائع فحسب،
بل لأنه قد تكون لدينا الفرصة حقًا للقيام بشيء حقيقي وجعله نافعًا.
يأخذني هذا إلى السؤال الكبير التالي:
كيف يمكنكم الحفاظ على الطاقة فعلًا باستخدام هذه الفكرة؟
حسنًا، إننا نعتقد أن أكثر طريقة مباشرة للحفاظ على الطاقة بهذه التكنولوجيا
هي تعزيز الكفاءة
بالنسبة لأنظمة تكييف الهواء والتبريد الحالية.
لعمل ذلك، أنشأنا ألواح تبريد بالسوائل،
مثل تلك المعروضة هنا.
تشبه هذه الألواح سخانات المياه الشمسية في الشكل،
إلا أنها تقوم بالعكس... تقوم بتبريد المياه، سلبيًا،
باستخدام مادتنا المخصصة.
يمكن أن تُدمج هذه الألواح بعد ذلك مع أحد المكونات
الذي لا يخلو منه تقريبًا أي نظام تبريد، ويسمى المكثف،
من أجل تحسين كفاءة النظام الأساسية.
أنهت شركتنا المبتدئة "سكاي كول سيستمز"
مؤخرًا تجربة حقلية في ديفيس، كاليفورنيا، كما هو موضَّح هنا.
في ذلك العرض،
أوضحنا أن بإمكاننا بالفعل تحسين كفاءة
نظام التبريد هذا بما يكافئ 12 بالمائة في الحقل.
خلال العام أو العامين المقبلين،
أنا متحمس للغاية لرؤية هذا يسير نحو أولى منتجاته التجريبية تجاريًا
في كل من تكييفات الهواء وثلاجات التبريد.
في المستقبل، قد نتمكن من دمج مثل هذه الألواح
مع أنظمة تبريد المباني ذات كفاءة عالية
للحد من استهلاكها للطاقة بحوالي الثلثين.
وفي النهاية، قد نتمكن بالفعل من إنشاء نظام تبريد
لا يحتاج لأي تغذية كهربائية على الإطلاق.
كخطوة أولى لتحقيق ذلك،
أثبتنا أنا وزملائي في ستانفورد
أن بإمكانكم بالفعل إبقاء حرارة شيء ما
أقل من درجة حرارة الهواء بأكثر من 42 درجة مئوية
مع تصميم هندسي أفضل.
شكرًا لكم.
(تصفيق)
لذا تخيلوا فقط ذلك...
شيء ما أقل من درجة التجمد في يوم صيفي حار.
لذا، رغم حماسي الشديد حول كل ما يمكننا فعله من أجل التبريد،
وأعتقد أنه لا يزال هناك الكثير لفعله،
إلا أنني أيضًا، كعالم، تجذبني فرصة أكثر عمقًا
والتي أعتقد أن هذا العمل يسلط الضوء عليها.
يمكننا استخدام ظلام الفضاء البارد
لتحسين كفاءة
كل عملية مرتبطة بالطاقة هنا على الأرض.
إحدى هذه العمليات التي أود أن أركز عليها هي الخلايا الشمسية.
فحرارتها ترتفع تحت أشعة الشمس
وتصبح أقل كفاءة كلما سخنت أكثر.
في عام 2015، أثبتنا أنه وبوضع أنواع مدروسة من البنيات الدقيقة
فوق الخلية الشمسية،
يمكننا الاستفادة بشكل أفضل من تأثير التبريد هذا
للحفاظ على الخلية الشمسية سلبيًا عند درجة حرارة أقل.
يمكِّن هذا الخلية الشمسية من العمل بكفاءة أكبر.
إننا نتعمق أكثر في دراسة مثل هذه الفرص.
إننا نتساءل ما إذا كان يمكننا الاستفادة من برودة الفضاء
لتساعدنا في الحفاظ على المياه،
أو ربما في سيناريوهات التخلي عن شبكة الكهرباء.
ربما يكون بإمكاننا حتى أن نولد الطاقة مباشرةً باستخدام هذه البرودة.
يوجد فرق درجات حرارة كبير بيننا هنا على الأرض
وبين برودة الفضاء.
هذا الفرق، نظريًا على الأقل،
يمكن أن يُستخدم لتشغيل ما يطلق عليه المحرك الحراري
لتوليد الكهرباء.
هل يمكننا حينها أن نصنع جهازًا ليليًا لتوليد كهرباء
يولد كميات مُجدية من الكهرباء
في الوقت الذي لا تعمل فيه الخلايا الشمسية؟
هل يمكننا توليد الضوء من الظلام؟
جوهر هذه القدرة، هو أن نكون قادرين على التحكم
في الإشعاع الحراري الذي يحيط بنا تمامًا.
إننا مغمورون باستمرار بالأشعة تحت الحمراء؛
إذا تمكنا من التحكم فيها،
فقد نتمكن من تغيير تدفقات الحرارة والطاقة
التي تتنشر حولنا كل يوم.
توجهنا هذه القدرة، إلى جانب ظلام الفضاء البارد،
نحو مستقبل حيث يمكن أن نكون، كشعوب متحضرة،
قادرين على التحكم في بصمتنا من الطاقة الحرارية بشكل أكثر ذكاءً
وذلك على المقاييس الكبيرة جدًا.
أثناء مواجهتنا لتغير المناخ،
أعتقد أن تمتعنا بهذه القدرة ضمن حلولنا المتاحة
سيثبُت أهميتها.
لذا، في المرة القادمة عندما تتجولون بالخارج،
نعم، تعجبوا كم أن الشمس ضرورية للحياة على الأرض نفسها،
لكن لا تنسوا أن ما تبقى من السماء لديه ما يقدمه لنا أيضًا.
شكرًا لكم.
(تصفيق)