Als ich aufwuchs, flog ich jeden Sommer
von meinem Zuhause in Kanada zu meinen Großeltern,
die in Mumbai, Indien, lebten.
Kanadische Sommer sind bestenfalls mild
-- etwa 22 Grad Celsius oder 72 Grad Fahrenheit
sind für einen Sommertag typisch, also nicht zu heiß.
Mumbai hingegen ist ein heißes und feuchtes Gebiet
mit über 30 °Celsius oder 90 °Fahrenheit.
Wenn ich ankam, fragte ich immer:
"Wie kann man bei so einem Wetter leben, arbeiten oder schlafen?"
Obendrein hatten meine Großeltern keine Klimaanlage.
Obwohl ich mein Bestes gab,
konnte ich sie nie zum Kauf von einer überzeugen.
Aber das ändert sich schnell.
Kühlsysteme verbrauchen heute weltweit zusammen 17 Prozent des Stroms.
Dazu gehören Klimaanlagen,
die ich in den Sommerferien so unbedingt wollte,
über Kühlsysteme, die in den Supermärkten
unsere Lebensmittel sicher und kalt halten,
bis zu Systemen im industriellen Maßstab in unseren Rechenzentren.
Zusammen machen diese Systeme acht Prozent
der weltweiten Treibhausgasemissionen aus.
Aber was mich nachts wach hält, ist,
dass unser Energieverbrauch für Kühlung bis 2050 um das Sechsfache steigen wird,
vor allem durch die zunehmende Nutzung in asiatischen und afrikanischen Ländern.
Ich habe das selbst gesehen.
Fast jede Wohnung in der Nähe meiner Großmutter
hat jetzt eine Klimaanlage.
Das ist natürlich eine gute Sache
für die Gesundheit, das Wohlergehen und die Produktivität von Menschen,
die in wärmeren Klimazonen leben.
Einer der alarmierendsten Aspekte beim Klimawandel ist jedoch,
je wärmer unser Planet wird,
desto mehr benötigen wir Kühlsysteme --
Systeme, die selbst große Emittenten von Treibhausgasen sind.
Das hat dann das Potenzial, eine Rückkopplungsschleife zu verursachen,
in der allein die Kühlsysteme
zum Ende dieses Jahrhunderts eine unserer größten Quellen
von Treibhausgasen werden könnten.
Im schlimmsten Fall könnten wir im Jahr 2100 nur zum Kühlen
mehr als 10 Billionen Kilowattstunden Strom pro Jahr benötigen.
Das ist die Hälfte des heutigen Stromverbrauchs.
Nur zur Kühlung.
Aber das weist uns auch auf eine erstaunliche Chance hin.
Eine 10- oder 20-prozentige Verbesserung der Effizienz jedes Kühlsystems
könnte sowohl heute als auch später in diesem Jahrhundert
enorme Auswirkungen auf unseren Treibhausgasausstoß haben.
Das könnte uns helfen, die befürchtete Rückkopplungsschleife abzuwenden.
Ich bin ein Wissenschaftler, der viel über Licht und Wärme nachdenkt.
Insbesondere, wie es uns neue Materialien ermöglichen,
den Fluss dieser grundlegenden Elemente der Natur so zu verändern,
wie wir es früher für unmöglich gehalten hätten.
Obwohl ich schon immer
den Wert der Kühlung in den Sommerferien verstand,
arbeitete ich letztlich an diesem Problem
wegen eines intellektuellen Rätsels, auf das ich vor 6 Jahren stieß.
Wie waren uralte Völker in der Lage, in Wüstengebieten Eis zu machen?
Dies ist ein Bild eines Eishauses,
auch Yachchal genannt, im Südwesten des Irans.
Es gibt Ruinen von Dutzenden solcher Strukturen im ganzen Iran,
mit Hinweisen auf ähnliche Gebäude im gesamten Rest des Mittleren Ostens
und bis nach China.
Die Leute, die dieses Eishaus vor vielen Jahrhunderten betrieben,
gossen in den frühen Abendstunden, wenn die Sonne unterging,
Wasser in das Becken, das Sie links sehen.
Dann geschah etwas Erstaunliches.
Obwohl die Lufttemperatur über dem Gefrierpunkt liegen konnte,
sagen wir 5 Grad Celsius oder 41 Grad Fahrenheit,
gefror das Wasser.
Das erzeugte Eis wurde dann in den frühen Morgenstunden eingesammelt
und in dem Gebäude auf der rechten Seite
bis in die Sommermonate hinein zum Gebrauch gelagert.
Sie haben wahrscheinlich schon mal einen sehr ähnlichen Vorgang gesehen,
wenn sich in einer klaren Nacht Reif am Boden bildet,
auch wenn die Lufttemperatur über dem Gefrierpunkt liegt.
Aber Moment mal.
Wie kann das Wasser bei Lufttemperaturen über dem Gefrierpunkt gefrieren?
Die Verdunstung könnte eine Rolle gespielt haben,
aber das ist nicht genug, um das Wasser in Eis zu verwandeln.
Etwas anderes muss es abgekühlt haben.
Denken Sie an einen Kuchen, der auf einer Fensterbank abkühlt.
Damit er sich abkühlen kann, muss seine Wärme an einen kälteren Ort fließen.
Nämlich in die umgebende Luft.
So unplausibel es klingen mag,
die Wärme dieses Wasserbeckens fließt in die Kälte des Weltraumes.
Wie ist das möglich?
Dieses Wasserbecken sendet, wie die meisten natürlichen Materialien,
seine Wärme als Licht aus.
Das ist ein als Wärmestrahlung bekanntes Konzept.
Tatsächlich senden wir uns alle unsere Wärme gegenseitig
und an unsere Umgebung als Infrarotlicht aus.
Wir können das mit Wärmebildkameras
und den Bildern, die sie erzeugen, wie diese hier, visualisieren.
Das Wasserbecken sendet also seine Wärme
nach oben zur Atmosphäre.
Die Atmosphäre und die Moleküle darin
nehmen einen Teil dieser Wärme auf und senden sie zurück.
Genau das ist der Treibhauseffekt, der den Klimawandel verursacht.
Aber hier ist der entscheidende Punkt.
Unsere Atmosphäre absorbiert nicht die ganze Wärme.
Wäre es so, hätten wir einen viel wärmeren Planeten.
Bei bestimmten Wellenlängen,
insbesondere zwischen 8 und 13 Mikrometern,
hat unsere Atmosphäre ein sogenanntes Transmissionsfenster.
Dieses Fenster lässt etwas von der Wärme, die als Infrarotlicht hochstrahlt,
letztlich entweichen und die Wärme dieses Beckens abtransportieren.
Sie kann an einen Ort gelangen, der viel, viel kälter ist.
Die Kälte dieser oberen Atmosphäre
und des ganzen Weges hinaus in den Weltraum,
der minus 270 Grad Celsius
bzw. minus 454 Grad Fahrenheit sein kann.
So kann das Wasserbecken mehr Hitze zum Himmel senden,
als der Himmel zu ihm zurückschickt.
Deswegen wird das Becken
unter die Temperatur seiner Umgebung abkühlen.
Das ist ein Effekt, der als Nachthimmel-Kühlung
oder Strahlungskühlung bekannt ist.
Klimawissenschaftlern und Meteorologen sahen ihn schon immer
als ein sehr wichtiges Naturphänomen an.
Als ich all das erfuhr,
war es gegen Ende meiner Doktorarbeit in Stanford.
Über seine scheinbare Einfachheit als Kühlmethode war ich erstaunt,
aber auch echt verwirrt.
Warum nutzen wir das nicht?
Wissenschaftler und Ingenieure hatten dieses Konzept
in früheren Jahrzehnten untersucht.
Aber es stellte sich heraus, dass es mindestens ein großes Problem gab.
Es wurde aus gutem Grund als Nachthimmel-Kühlung bezeichnet.
Warum?
Es ist ein kleines Ding namens Sonne.
Die Oberfläche, die abkühlen soll,
muss auf den Himmel gerichtet sein.
Während der Tagesmitte,
wenn wir die Kühlung am meisten wollen,
bedeutet das leider, dass die Sonne auf die Fläche scheint.
Die Sonne heizt die meisten Materialien auf
und wirkt diesem Kühleffekt vollständig entgegen.
genau dort aus, wo unsere Atmosphäre diese Wärme am besten durchlässt.
Wir zielten auf das Fenster zum Weltraum.
Zweitens: Es lässt sich von der Sonne nicht erhitzen.
Es ist ein sehr guter Spiegel für das Sonnenlicht.
Zum ersten Mal testete ich es auf einem Dach in Stanford,
das Sie hier sehen.
Ich ließ das Gerät für eine Weile draußen,
und nach ein paar Minuten ging ich wieder hin
und wusste sofort, dass es funktionierte.
Wie?
Ich berührte es und es fühlte sich kalt an.
(Beifall)
dass sie neue und nützliche Dinge mit Licht tun können,
Längenbereiche, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts selbst.
Dank der Erkenntnisse aus diesem Bereich,
bekannt als Nanophotonik oder Metamaterialforschung,
wurde uns klar, dass es vielleicht eine Methode gibt,
dies erstmals auch am Tage zu ermöglichen.
Dazu habe ich ein mehrschichtiges optisches Material entworfen,
das Sie hier im Mikroskopbild sehen.
Es ist mehr als 40-mal dünner als ein menschliches Haar.
Es kann zwei Dinge gleichzeitig.
Erstens: Es sendet seine Wärme
Meine Kollegen und ich denken viel darüber nach,
Materialien im sehr kleinen Maßstab so zu strukturieren,
Nur um zu betonen, wie merkwürdig und kontraintuitiv das ist:
Dieses Material und andere werden kälter,
wenn wir sie aus dem Schatten nehmen,
obwohl die Sonne darauf scheint.
Das hier sind Daten von unserem allerersten Experiment,
wo dieses Material mehr als 5° Celsius
bzw. 9° Fahrenheit kälter als die Lufttemperatur blieb,
obwohl die Sonne direkt darauf schien.
Das von uns verwendete Verfahren zur Herstellung dieses Materials
existiert bereits für große Volumina.
Also war ich wirklich aufgeregt,
weil wir nicht nur etwas Cooles machen,
sondern vielleicht sogar die Chance haben, etwas praktisch Nutzbares zu machen.
Das bringt mich zur nächsten großen Frage.
Wie spart man mit dieser Idee Energie?
Wir glauben, der direkteste Weg, mit dieser Technologie Energie zu sparen,
ist die Effizienzsteigerung für die heutigen Klima- und Kälteanlagen.
Dazu bauten wir Flüssigkeitskühlplatten, wie die, die Sie hier sehen.
Die Platten sind so ähnlich geformt wie solare Wassererhitzer,
außer dass sie das Gegenteil tun -- sie kühlen das Wasser passiv
mit unserem speziellen Material.
Diese Platten können dann mit etwas kombiniert werden,
das fast jedes Kühlsystem hat: einen Kondensator,
um die Effizienz des Systems zu verbessern.
Unser Start-up, SkyCool Systems, hat kürzlich in Davis, Kalifornien,
einen Feldversuch abgeschlossen, wie hier zu sehen ist.
In der Vorführung zeigten wir,
dass wir die Effizienz dieses Kühlsystems unter Praxisbedingungen
tatsächlich um ganze 12 Prozent verbessern konnten.
In den nächsten 1-2 Jahren freue ich mich darauf,
das bei den ersten kommerziellen Pilotprojekten,
sowohl für Klima- als auch für Kühlanlagen zu sehen.
In Zukunft könnten wir diese Platten
mit effizienteren Kühlsystemen für Gebäude kombinieren
und ihren Energieverbrauch um zwei Drittel reduzieren.
Schließlich könnten wir tatsächlich ein Kühlsystem bauen,
das überhaupt keinen Strom benötigt.
Als ersten Schritt dorthin
haben meine Kollegen von Stanford und ich gezeigt,
dass man mit besserer Technik
in der Tat etwas mehr als 42° Celsius unter der Lufttemperatur halten könnte.
Vielen Dank.
(Beifall)
Man stelle sich das vor -- etwas, dessen Temperatur
an einem heißen Sommertag unter dem Gefrierpunkt liegt.
Ich bin sehr aufgeregt, was wir alles für Kühlung tun können,
und ich denke, dass es noch viel mehr zu tun gibt.
Als Wissenschaftler zieht mich auch eine grundlegendere Chance an,
die diese Arbeit nach aufzeigt.
Wir können die kalte Dunkelheit des Weltraums nutzen,
um die Effizienz eines jeden energiebezogenen Prozesses
hier auf der Erde zu verbessern.
Einen solchen Prozess möchte ich hervorheben: Solarzellen.
Die heizen sich in der Sonne auf
und werden umso ineffizienter, je heißer sie werden.
Im Jahr 2015 haben wir gezeigt,
dass wir mit bestimmten Mikrostrukturen auf der Oberseite einer Solarzelle
diese Kühlwirkung besser nutzen können,
um eine Solarzelle passiv bei einer niedrigeren Temperatur zu halten.
Dies ermöglicht der Zelle, effizienter zu arbeiten.
Wir erforschen diese Möglichkeit weiter.
Wir fragen uns, ob wir die Kälte des Weltraums nutzen können,
um uns beim Wassersparen zu helfen
oder vielleicht bei Szenarien mit Netzunabhängigkeit.
Vielleicht könnten wir mit dieser Kälte sogar direkt Strom erzeugen.
Es gibt eine große Temperaturdifferenz zwischen uns hier auf der Erde
und der Kälte des Weltraums.
Dieser Unterschied könnte zumindest gedanklich verwendet werden,
um eine Wärmekraftmaschine anzutreiben und Elektrizität zu erzeugen.
Könnten wir dann eine nächtliche Stromerzeugungsmaschine bauen,
die brauchbare Mengen an Elektrizität erzeugt,
wenn Solarzellen nicht funktionieren?
Könnten wir Licht aus der Dunkelheit erzeugen?
Entscheidend dafür ist die Fähigkeit,
die Wärmestrahlung, die uns umgibt, zu steuern.
Wir sind immer in Infrarotlicht getaucht.
Wenn wir es uns gefügig machen könnten,
könnten wir die täglichen Wärme- und Energieflüsse zutiefst verändern.
Diese Fähigkeit, gepaart mit der kalten Dunkelheit des Weltraums,
weist uns auf eine Zukunft hin,
in der wir als Zivilisation in der Lage sein könnten,
unsere thermische Energiebilanz im größten Stil intelligenter zu steuern.
Wenn wir uns dem Klimawandel stellen,
wird sich diese Fähigkeit als unerlässliches Werkzeug erweisen.
Wenn Sie das nächste Mal draußen herumlaufen,
bewundern Sie, wie notwendig die Sonne für das Leben auf der Erde ist.
Aber vergessen Sie nicht,
dass uns der Rest des Himmels auch etwas zu bieten hat.
Vielen Dank.
(Beifall)