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)