כל קיץ בזמן היותי ילד,
הייתי טס מביתי בקנדה כדי לבקר את סבא וסבתא,
שגרו במומבאי, הודו.
הקיץ הקנדי הוא לא קיצוני,
22 מעלות הוא יום קיץ אופייני
ולא חם מדי.
מצד שני, מומבאי הוא מקום חם ולח,
עמוק בתוך ה-30 מעלות.
ברגע שהייתי מגיע לשם,
הייתי שואל, "כיצד אפשר לחיות, לעבוד ולישון באקלים כזה?"
ומה שיותר גרוע, לסבים שלי לא היה מזגן.
ולמרות שניסיתי כמיטב יכולתי,
אף פעם לא הצלחתי לשכנעם לקנות כזה.
אבל זה משתנה עכשיו, ומהר.
מערכות קירור היום צורכות יחד 17 אחוז
מצריכת החשמל העולמית שלנו.
זה כולל הכל, מהמזגנים שרציתי נואשות
במהלך חופשות הקיץ שלי,
עד למערכות קירור ששומרות על מזונינו ומקררות אותו
עבורינו במרכולים,
ועד למערכות בקרה תעשייתיות השומרות על מרכזי המידע שלנו שמישים.
ביחד, המערכות הללו אחראיות ל-8 אחוז
מפליטת גזי החממה בעולם.
אבל מה שמשאיר אותי ער בלילה
היא העובדה שהשימוש שלנו באנרגיה לשם קירור עלול לגדול פי-6 עד 2050,
בעיקר כתוצאה מהעלייה בשימוש במדינות אסיה ואפריקה.
ראיתי זאת מכלי-ראשון.
כמעט בכל דירה באזור בית סביי
יש היום מזגן.
ואין ספק שזה דבר טוב
מבחינת הבריאות, הרווחה והפיריון בעבודה
של האנשים שחיים באקלים חם.
אבל, אחד הדברים הכי מטרידים בקשר לשינויי אקלים הוא
שככל שהכוכב שלנו מתחמם יותר,
כך נצטרך יותר מערכות קירור --
מערכות שהן בעצמן פולטות הרבה גזי-חממה.
יש לזה את הפוטנציאל ליצור מעגל שמזין את עצמו,
בו מערכות הקירור לבד
עלולות להפוך לאחד המקורות העיקריים של גזי-חממה
בהמשך המאה הנוכחית.
במקרה הכי גרוע,
אנו עשויים לצרוך יותר מ-10 טריליון קילוואט-שעה חשמל בכל שנה,
רק בשביל הקירור, עד שנת 2100.
זוהי מחצית מאספקת החשמל שלנו היום.
אך ורק לקירור.
אבל זה גם מוביל אותנו להזדמנות גדולה.
שיפור של 10 עד 20 אחוז ביעילות של כל מערכת קירור
עשוי ליצור השפעה גדולה על פליטות גזי-החממה,
היום, כמו גם בהמשך המאה הנוכחית.
וזה יכול לסייע לנו להימנע מהתרחיש הגרוע של כניסה למעגל שמזין את עצמו.
אני מדען שחושב הרבה על אור וחום.
בפרט, כיצד חומרים חדשים מאפשרים לנו לשנות את זרימת
האלמנטים הבסיסיים הללו של הטבע
בדרכים שפעם סברנו שהן בלתי-אפשריות.
בעוד שתמיד הבנתי את חשיבות הקירור
בזמן חופשות הקיץ שלי,
בסוף הגעתי לעבוד על הבעיה הזו
בגלל חידה מחשבתית שנתקלתי בה לפני 6 שנים.
כיצד אנשים בעת העתיקה הצליחו לייצר קרח במדבר?
זוהי תמונה של בית-קרח,
שנקרא גם יאחצ'ל, שנמצא בדרום-מערב אירן.
ישנם עשרות שרידים של מבנים כאלה ברחבי אירן,
עם עדויות למבנים דומים ברחבי שאר מזרח-התיכון
עד לסין.
האנשים שהשתמשו בבית-קרח זה לפני מאות רבות,
היו שופכים מים לבריכה שרואים משמאל
בשעות הערב המוקדמות, בזמן שקיעת השמש.
ואז קרה משהו מדהים.
למרות שטמפרטורת האויר היתה מעל נקודת הקיפאון,
נאמר 5 מעלות,
המים היו קופאים.
הקרח שנוצר היה נאסף בשעות הבוקר המוקדמות
ומאוחסן בבניין שרואים מימין,
לאורך כל חודשי הקיץ.
בעצם אתם הייתם רואים משהו מאוד דומה לזה שמתרחש
אם שמתם לב פעם לכפור שנוצר על הקרקע בלילה בהיר,
גם כאשר טמפרטורת האויר היתה מעל נקודת הקיפאון.
אבל רגע אחד.
כיצד המים קפאו אם טמפרטורת האויר היא מעל נקודת הקיפאון?
לאידוי עשוי היה להיות חלק בזה,
אבל זה לא מספיק לגרום למים להפוך לקרח.
משהו אחר חייב היה לקרר אותם.
תדמיינו עוגה שמתקררת על אדן חלון.
כדי שהיא תוכל להתקרר, החום צריך לזרום למקום שהוא יותר קר.
כלומר, לאויר שמקיף אותו.
כמה שזה נשמע לא סביר,
באותה בריכת מים, החום למעשה זורם לקור של החלל.
כיצד זה אפשרי?
ובכן, בריכת המים, כמו כל החומרים הרגילים,
שולחת את החום שלה בצורת אור.
תהליך זה ידוע בתור קרינה תרמית.
למעשה, כולנו שולחים את חומנו כאור אינפרא-אדום ממש עכשיו,
מאחד לשני ולסביבתינו.
אנו יכולים ממש לראות זאת באמצעות מצלמות תרמיות
והתמונות שהן מייצרות כמו זו שלפניכם.
כך שבריכת המים שולחת את חומה
למעלה אל עבר האטמוספירה.
האטמוספירה והמולקולות שלה
סופגות חלק מהחום ומחזירות אותו ארצה.
זהו למעשה אפקט החממה שאחראי לשינויי האקלים.
אבל יש דבר שחשוב להבינו.
האטמוספירה אינה סופגת את כל החום.
אם היא היתה עושה זאת, הכוכב שלנו היה הרבה יותר חם.
באורכי-גל מסויימים,
במיוחד בין 8 ו-13 מיקרון,
יש באטמוספירה שלנו מה שידוע כחלון מעבר.
חלון זה מאפשר לחלק מהחום שנפלט בצורת אור אינפרא-אדום
להימלט ולשאת איתו את חום הבריכה.
והוא יכול להימלט למקום שהוא הרבה, הרבה יותר קר.
הקור של האטמוספירה העליונה
וכל הדרך החוצה לחלל החיצון,
שיכול להיות קר עד מינוס 270 מעלות צלזיוס.
לכן אותה בריכת המים מסוגלת לשלוח יותר חום לשמיים
ממה שהשמיים שולחים אליה בחזרה.
ובגלל זה,
הבריכה תתקרר אל מתחת לטמפרטורת הסביבה שלה.
זהו אפקט הידוע כקירור שמי-לילה
או קירור-קרינה.
והוא תמיד נתפס אצל מדעני אקלים וחזאים
כתופעה טבעית מאוד חשובה.
כאשר נתקלתי בכל זה,
היה זה לקראת סיום הדוקטורט שלי בסטנפורד.
ונדהמתי מהפשטות לכאורה של שיטת הקירור,
אבל גם הייתי נבוך.
מדוע אנו לא משתמשים בזה?
מדענים ומהנדסים התעמקו ברעיון זה
בעשורים האחרונים.
אבל התברר שיש לפחות בעיה אחת גדולה.
קוראים לזה קירור שמי-לילה בגלל סיבה טובה.
מדוע?
בגלל הדבר הקטן הזה שנקרא השמש.
המשטח שדרכו מתבצע הקירור,
חייב להיות מופנה לשמיים.
ובמהלך אמצע היום,
כאשר יש לנו הצורך הכי גדול למשהו קר,
לרוע המזל, המשטח פונה אל שמש.
והשמש מחממת את רוב החומרים
מספיק חזק כדי לבטל לגמרי את אפקט הקירור.
עמיתיי ואני בילינו זמן רב
במחשיבה כיצד ניתן לבנות חומרים
במימדי אורך מאוד קטנים
כך שיוכלו לבצע דברים חדשים ושימושיים עם האור --
מימדי אורך קטנים מאורכי-הגל של האור עצמו.
תוך שימוש בתובנות מהתחום
הידוע בתור ננו-פוטוניקה או מחקר במטא-חומרים,
גילינו שעשויה להיות דרך שתאפשר להשיג זאת במהלך היום
בפעם הראשונה.
כדי לבצע זאת, תכננתי חומר אופטי רב-שכבתי
המוצג כאן בתמונת מיקרוסקופ.
הוא דק יותר פי-40 משיער אדם.
והוא מסוגל לבצע שני דברים בו-זמנית.
תחילה, הוא שולח חום החוצה
בדיוק היכן שהאטמוספירה מאפשרת לחום לצאת הכי ביעילות.
כיווננו אותו אל החלון לחלל.
הדבר השני שהוא עושה זה להימנע מלהתחמם בשמש.
הוא מהווה מראה מצויינת לאור-שמש.
בפעם הראשונה שניסיתי את זה היה על גג בסטנפורד
שאני מראה לכם כאן.
השארתי את ההתקן בחוץ לזמן מה,
וכאשר ניגשתי אליו לאחר כמה דקות,
בתוך שניות ידעתי שזה עובד.
כיצד?
נגעתי בו והרגשתי שהוא קר.
(מחיאות כפיים)
רק כדי להדגיש עד כמה זה מוזר ומנוגד לאינטואיציה:
חומר זה ודומיו
יתקררו יותר כאשר נוציא אותם מהמחסה,
אפילו אם השמש זורחת עליהם.
אני מציג לכם כאן נתונים מהניסוי הראשון שלנו,
שבו החומר נשאר בטמפרטורה של 5 מעלות צלזיוס
יותר קר מטמפרטורת האויר,
למרות שהשמש זרחה עליו ישירות.
שיטת הייצור בה השתמשנו כדי לייצר חומר זה
כבר קיימת בתפוצה נרחבת.
וזה ממש ריגש אותי,
כי לא רק שאנו עושים משהו מיוחד,
אלא ייתכן ותהיה לנו ההזדמנות לעשות משהו מעשי ולהפוך את זה למועיל.
וזה מוליך אותי לשאלה הגדולה הבאה.
כיצד בעצם חוסכים אנרגיה ברעיון הזה?
אנו מאמינים שהדרך הקצרה ביותר לחסוך אנרגיה עם הטכנולוגיה הזו
היא בתור מגביר-יעילות
של מערכות המיזוג והקירור שכבר קיימות.
כדי לעשות זאת, בנינו לוחות קירור לנוזל,
כמו אלו שרואים כאן.
ללוחות הללו יש צורה דומה למחממי מים סולריים,
אלא שהם עושים את ההיפך - הם מקררים את המים, באופן פסיבי,
תוך שימוש בחומר המיוחד שלנו.
הלוחות הללו יכולים להשתלב עם רכיב
שנמצא כמעט בכל מערכת קירור, הנקרא מעבה,
כדי לשפר את יעילות המערכת.
הסטארט-אפ שלנו, SkyCool Systems,
השלים לאחרונה ניסוי-שטח בדייויס, קליפורניה, והוא מוצג כאן.
בהדגמה הזו,
הראנו שאנו יכולים לשפר את היעילות
של אותה מערכת קירור בשטח עד כדי 12 אחוז.
בשנה-שנתיים הקרובות,
אני מצפה בהתרגשות לראות את זה עובר לניסויים מסחריים
בתחומי מיזוג האוויר והקירור כאחד.
בעתיד, ייתכן ונוכל לשלב לוחות כאלה
עם מערכות יותר יעילות לקירור בניינים
כדי לצמצם את צריכת האנרגיה שלהן בשני-שלישים.
ולבסוף, אולי נוכל לבנות מערכת קירור
שאינה נזקקת כלל לאספקת חשמל.
כצעד ראשון בכיוון הזה,
עמיתיי בסטנפורד ואני
הראינו שניתן לשמור על חומר
משהו בטמפרטורה של יותר מ-42 מעלות צלזויס מתחת לטמפרטורת האויר
עם תכנון הנדסי משופר.
תודה.
(מחיאות כפיים)
רק תדמיינו -
משהו שהוא מתחת לנקודת הקיפאון ביום קיץ חם.
בעוד שאני נלהב ממה שניתן לשפר בטכנולוגיות הקירור,
ואני סבור שאכן יש הרבה שניתן לעשות,
בתור מדען אני נמשך גם לאפשרות מעמיקה יותר
שאני מאמין שעבודה זו מצביעה עליה.
אנו יכולים לנצל את האפילה הקרה של החלל
לשיפור היעילות
של כל תהליך בעולם הקשור באנרגיה.
אחד התהליכים הללו הם התאים הסולריים.
הם מתחממים בשמש
ויעילותם יורדת ככל שהם מתחממים.
ב-2015, הראינו שעם מיקרו-מבנים מלאכותיים
בראש תא סולרי,
ניתן לנצל יותר טוב את אפקט הקירור הזה
כדי לשמור תא סולרי בטמפרטורה נמוכה יותר.
זה מאפשר לתא לפעול יותר ביעילות.
אנו מתעמקים יותר באפשרויות כאלה.
אנו מתעניינים אם ניתן לנצל את קור החלל
שיסייע לנו בשימור מים,
או אולי לנצלו לאזורים מבודדים.
אולי אפילו נוכל לייצר חשמל ישירות מהקור הזה.
יש הפרש טמפרטורות גדול בין כאן
לבין החלל הקר.
ההפרש, לפחות עקרונית,
יכול לשמש להנעת משהו הקרוי מנוע חום
כדי לייצר חשמל.
האם נוכל אז לבנות התקן לייצור חשמל בלילה
שמייצר חשמל בכמויות משמעותיות
כאשר תאים סולריים אינם פועלים?
האם נוכל לייצר אור מחושך?
תנאי מרכזי ליכולת זו היא להיות מסוגלים לשלוט
בקרינה התרמית שאופפת אותנו.
אנו טבולים קבוע באור אינפרא-אדום;
אם נוכל להכפיף אותו לרצוננו,
נוכל לשנות באופן יסודי את זרמי החום והאנרגיה
שמפעפעים סביבנו בכל יום.
יכולת זו, עם האפילה הקרה של החלל,
מכוונת אותנו אל עתיד בו אנחנו, כציוויליזציה,
נוכל אולי לשלוט באופן יותר מושכל בפרופיל האנרגיה התרמית שלנו
במימדים הכי גדולים.
בעודנו מתמודדים עם שינויי אקלים,
אני מאמין שהימצאות יכולת זו בארגז הכלים שלנו
תוכח כחיונית.
אז, בפעם הבאה שאתם מטיילים בחוץ,
אכן ראוי להשתאות על כמה שהשמש חיונית לחיים עצמם על כדור-הארץ,
אבל לא לשכוח שגם לשאר השמיים יש מה להציע לנו.
תודה.
(מחיאות כפיים)