Siheder koromban nyaranta
Kanadából haza-hazalátogattam
az indiai Mumbaiban élő nagyszüleimhez.
A kanadai nyarak elég kellemesen enyhék,
a hőmérséklet kb. 22 °C
nyáron napközben; nem túl meleg.
Viszont Mumbai forró és nedves hely,
jócskán 30 °C feletti hőmérsékletű.
Odaérve mindig megkérdeztem:
"Hogy képes bárki élni, dolgozni
vagy aludni ilyen időben?"
Ráadásul nagyszüleimnek
nem volt légkondicionálójuk.
Noha mindent bevetettem,
képtelen voltam meggyőzni őket,
hogy szerezzenek be egyet.
De a dolgok gyorsan változnak.
A világon fölhasznált villamos áram
17 százalékát jelenleg
hűtőrendszerekre fordítjuk.
Ez mindent felölel: a légkonditól kezdve,
amelyre oly iszonyúan vágytam
nyári szünidőim idején,
a szupermarketekben élelmünket
biztosan hidegen tartó hűtőrendszerekig,
az adatközpontokat működőképesen
tartó ipari léptékű rendszerekig.
E rendszerek összességükben
a világon az üvegházhatású gázok
kibocsátásának 8%-át adják.
Azért forgolódom éjszakánként álmatlanul,
mert a hűtésre fordított energia
2050-re a hatszorosára nőhet,
amelyet elsősorban az ázsiai és afrikai
országok fokozott fölhasználása okoz.
Saját szememmel láttam.
Nagyszüleimnél és környékükön
majdnem minden lakásban van légkondi.
Ez határozottan jó dolog
a meleg klímában élők
egészsége, jó közérzete
és termelékenysége szempontjából.
De a klímaváltozás szempontjából
a legriasztóbb következmény,
hogy minél jobban melegszik bolygónk,
annál inkább szükségünk lesz
hűtőrendszerekre,
amelyek maguk is rengeteg
üvegházhatású gázt bocsátanak ki.
Ez esetleg visszacsatolási hurkot okoz,
ahol pusztán a hűtőrendszerek válhatnak
az üvegházhatású gázok
legnagyobb forrásává
e század folyamán.
A legrosszabb esetben évente esetleg
több mint 10 billió kWh
villamos energiára lesz szükség,
csak hűtésre 2100-ig.
Ez mai villamosenergia-
fölhasználásunk fele.
Csakis hűtésre.
De ez elképesztő lehetőségre is rámutat.
A hűtőrendszerek hatékonyságának
10-20%-os javítása
ma és századunkban óriási hatással lehet
az üvegházhatású gázok kibocsátására.
Ez pedig megelőzheti a legrosszabb
visszacsatolási hurok kialakulását.
Tudósként sokat töprengek
a fényről és a hőről.
Nevezetesen: új anyagok
miként teszik lehetővé
e természeti elemek
áramlásának megváltoztatását
eddig elképzelhetetlennek tartott módon.
Noha mindig is értettem
a szünidőim alatti hűtés jelentőségét,
valójában egy hat évvel ezelőtti
intellektuális rejtély ösztökélt,
hogy e problémán dolgozzam.
Hogy sikerült az ősi népeknek jeget
csinálniuk sivatagi körülmények között?
A kép jégvermet, azaz jakcsált ábrázol,
amely Irán délnyugati részén található.
Iránban ilyenek romjai tucatjával vannak,
akárcsak hasonló építményekéi
a Közel-Kelet többi részén,
egészen Kínáig terjedően.
A több száz évvel ezelőtt
a jégvermekkel foglalkozók
vizet öntöttek a balra látható medencébe
napnyugta után a kora esti órákban.
Majd valami elképesztő történt.
Bár a levegő hőmérséklete
meghaladta a fagypontot,
mondjuk, az 5 °C-ot,
a víz mindig megfagyott.
A képződött jeget hajnalban begyűjtötték,
és a jobbra látható építményben tárolták
egész nyáron.
Talán láttak már hasonlót,
ha megfigyeltek derült éjszaka
talajon képződő zúzmarát,
még ha a hőmérséklet
jóval fagypont fölötti volt is.
Pillanat.
Hogy fagyott meg a víz
fagypont fölötti hőmérsékleten?
Játszhatott szerepet a párolgás,
de az kevés a víz jéggé alakulásához.
Valami más hűthette le.
Gondoljunk az ablakpárkányon
hűlő süteményre.
Hogy lehűljön, a hőnek
hűvösebb helyre kell távoznia.
Nevezetesen: a környező levegőbe.
Bármi hihetetlennek hangozzék is,
a medence vizének hője
a hideg világűrbe távozik.
Hogy lehetséges ez?
A vízmedence –
akár a többi természetes anyag –
hőjét fény alakjában sugározza ki.
Ez a hősugárzás fogalma.
Mindannyian most is infravörös fény
alakjában sugározzuk ki hőnket
egymás felé és a környezetünkbe.
Hőkamerákkal ez láthatóvá is tehető,
és a keletkezett képek ilyesfélék,
amiket itt mutatok.
Tehát a vízmedence
a légkörbe sugározza a hőjét.
A légkör és a benne lévő molekulák
a hő egy részét elnyelik
és visszasugározzák.
Az oka a klímaváltozást
eredményező üvegházhatás.
De egy lényeges dolgot meg kell értenünk.
Nem az összes hőt nyeli el légkörünk.
Ha így lenne, jóval
melegebb bolygón élnénk.
Bizonyos hullámhosszon,
konkrétan a 8–13 mikronos sávban van
légkörünk ún. átviteli ablaka.
Az ablakon keresztül hatékonyan szökik el
az infravörös fény alakjában
terjedő hő a medencéből.
Sokkal-sokkal hidegebb helyre szökhet el.
A hideg felső légkörbe
és a messzi világűrbe,
amelynek hőmérséklete
elérheti a –270 °C-ot.
A vízmedence több hőt
sugároz az atmoszférába,
mint viszont.
Emiatt hűl le a medence
a környezőnél alacsonyabb hőmérsékletre.
Ez az éjszakai lehűlés,
avagy a sugárzó lehűlés hatása.
Klímakutatók és meteorológusok
ezt mindig igen fontos
természeti jelenségnek tartották.
Akkor találkoztam a jelenséggel,
amikor a Stanfordon
a doktorim vége felé jártam.
Elképedtem, mennyire nyilvánvalóan
egyszerű hűtési módszer,
de mégis tanácstalan voltam.
Miért nem alkalmazzuk?
Kutatók és mérnökök megvizsgálták az elvet
az elmúlt évtizedekben.
De legalább egy nagy hátulütő kiderült.
Nem véletlenül éjszakai lehűlés a neve.
Miért?
Egy picinyke dolog, a Nap miatt.
A hűtőfelületnek
az ég felé fordíthatónak kell lennie.
Délben pedig,
amikor a legjobban vágyunk valami hidegre,
sajnos, a Napba kell néznünk.
A Nap az anyagok zömét eléggé fölmelegíti,
hogy teljesen ellensúlyozza a hűtőhatást.
Munkatársaimmal sok időt töltöttem azzal,
hogy rájöjjünk, miként alakítsuk úgy
nagyon kis hullámhosszon
az anyagszerkezetet,
hogy új és hasznos dolgot
műveljen a fénnyel –
a hullámhossztartomány szűkebb,
mint magáé a fényé.
A nanooptikai vagy metaanyagok kutatása
néven ismert terület ismeretében
mi jöttünk rá először,
hogy létezik módszer,
amellyel ez napközben megvalósítható.
Ehhez több rétegű
optikai anyagot terveztünk,
amely mikroszkopikus képe itt látható.
Az emberi hajszálnál
több mint 40-szer vékonyabb.
Egy időben két dologra képes.
Először: a hőt pont ott engedi át,
ahol a légkör a hőt a legjobban engedi át.
A világűrbe vezető ablakot vettük célba.
A másik: nem melegszik föl a napfénytől.
Nagyon jól visszatükrözi a napfényt.
Stanfordi háztetőn teszteltem először.
Itt mutatom.
Egy kis időre kinn hagytam a készüléket,
pár perc múlva visszamentem,
és rögtön láttam, hogy működik.
Hogyan?
Megérintettem és hidegnek éreztem.
(Taps)
Csak érzékeltetésül, mennyire fura
és a józan észnek ellentmondó ez:
ez az anyag és a hozzá hasonlók
lehűlnek, ha a napra tesszük,
hiába süti őket hét ágra a nap.
Itt láthatók első kísérleti adataink.
Kísérletünkben az anyagot
5 °C-kal a levegő hőmérséklete
alatt tartottuk,
noha a nap közvetlenül sütötte.
Az anyag gyártástechnológiája
már ma is tömeggyártásinak tekinthető.
Tényleg izgatott lettem,
mert nemcsak hogy valami
klasszat hoztunk létre,
hanem valami valódit és hasznosat is.
Ez elvezet a következő kérdésig.
Hogyan takarítható meg
energia ezzel az ötlettel?
E technológiával az energiamegtakarítás
legközvetlenebb módja,
ha a mai légkondicionáló és hűtőrendszerek
hatásfokát följavítjuk.
Ehhez folyadék-hűtőlapot készítettünk,
mint ami itt látható.
Alakja hasonlít a napkollektoréra,
azzal az eltéréssel, hogy feladata
ellentétes: passzívan hűti a vizet
különleges anyagunk révén.
A lapok a majd minden
hűtőrendszerben meglévő alkatrésszel,
a kondenzátorral is egybeépíthetők,
amely még növeli a rendszer hatásfokát.
Startup cégünk, a SkyCool Systems,
nemrég fejezte be a kaliforniai
Davisben folytatott terepkísérletét.
Az itt látható bemutatón szemléltettük,
hogy a hűtőrendszer hatásfokát
terepen 12%-kal tudtuk növelni.
A következő 1-2 évben nagyon várom,
hogy az első kereskedelmi léptékű projekt
mind a légkondicionálók,
mind a mélyhűtők terén elindul.
A jövőben talán összeépíthetjük
ezeket a lapokat
jobb hatásfokú épülethűtő rendszerekkel,
és ezzel energiafelhasználásukat
2/3-ával csökkenthetjük.
Végül, tudnánk hűtőrendszert is építeni,
amely nem igényelne villamos energiát.
Ennek első lépéseként
stanfordi munkatársaimmal
együtt bemutattuk,
hogy a levegő hőmérsékleténél
több mint 42 °C-kal alacsonyabb
hőmérsékletet is fenntarthatunk
jobb műszaki megoldással.
Köszönöm szépen.
(Taps)
Képzeljenek csak el
valami fagypont alattit
a nyári rekkenő hőségben.
Miközben lelkesít,
amit a hűtés érdekében tehetünk,
de persze még rengeteg a dolgunk,
kutatóként az a tágabb lehetőség is vonz,
amely jelen munkámban tükröződik.
Felhasználhatjuk a világűr hideg sötétjét
az energiával összefüggő valamennyi
folyamat hatékonysága növelésére
itt a Földön.
Egy folyamatot emelek ki, a napelemeket.
Napfény hatására melegszenek fel,
és minél melegebbek,
annál kisebb a hatásfokuk.
2015-ben kimutattuk,
hogy a napelem felületén lévő
bizonyos mikroszerkezettel
jobban kihasználhatjuk ezt a hűtőhatást,
hogy a napelemet passzívan
alacsony hőmérsékleten tartsuk.
Emiatt a napelem jobb hatásfokkal működik.
Tovább kísérletezünk
az efféle megoldásokkal.
Az a kérdés, hogyan használhatjuk
a világűr hidegét
a vízkészlet megőrzésére.
Vagy a hálózatfüggetlen
energiatermelésben.
Talán közvetlenül energiát is
termelhetünk ezzel a hideggel.
Nagy a különbség
a Föld és a világűr hőmérséklete között.
A különbség – legalábbis fogalmilag –
ún. hőerőgép hajtására is használható:
villamosenergia-termelésre.
Aztán készíthetünk-e éjszakai
energiatermelő berendezést,
mellyel hasznos mennyiségű
villamos energia állítható elő,
amikor a napelemek nem működnek?
Termelhetünk-e fényt a sötétségből?
Ebben döntő,
hogy felhasználjuk-e
a köröttünk lévő hősugárzást.
Állandóan infravörös fényben fürdünk;
és ha uralmunk alá hajtjuk,
alapvetően módosíthatjuk
a hő- és energiaáramlást,
amelyek nap mint nap áthatolnak rajtunk.
Ez a képesség, amely párosul
a világűr hideg sötétjével,
irányt mutat a jövőt illetően,
ahol mi civilizációként
képesek lehetünk intelligensebben
menedzselni hőenergiai lábnyomunkat
a legszélesebb léptékben.
Az éghajlat-változással szembesülve
hiszem, hogy e képesség
eszközként alkalmazva
létfontosságúnak bizonyul.
Legközelebbi sétájukon
álmélkodjanak el, mennyire létfontosságú
a Nap a földi élethez,
de ne feledjék el, hogy az ég többi
része is tartogat nekünk valamit.
Köszönöm.
(Taps)