Toen ik opgroeide, vloog ik elke zomer
van mijn thuis in Canada naar mijn grootouders
in Mumbai, India.
Nu zijn Canadese zomers in het beste geval vrij mild --
ongeveer 22°C of 72°F
is een typische zomerdag –- en niet te warm.
Mumbai is daarentegen een warme en vochtige plaats
met temperaturen boven de 30°C of 90°F.
Zodra ik aankwam, vroeg ik:
"Hoe kan iemand wonen, werken of slapen in een dergelijke weer?"
En dan hadden mijn grootouders niet eens een airconditioner.
Hoe ik ook mijn best deed,
ik kon hen nooit overtuigen om er een aan te schaffen.
Maar dit is aan het veranderen, en snel.
Koelsystemen verbruiken vandaag gezamenlijk
wereldwijd 17% van alle elektriciteit.
Dit omvat alles: van de airconditioners
die ik zo graag wilde tijdens mijn zomervakanties,
tot de koelsystemen om ons voedsel veilig en koud te houden
in onze supermarkten
en de grootschalige systemen die onze datacenters aan de gang houden.
Samen zijn deze systemen goed voor 8%
van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen.
Waar ik niet van slaap, is dat tegen 2050
ons energieverbruik voor koeling zes maal groter zou kunnen worden,
voornamelijk door een intensiever gebruik in Aziatische en Afrikaanse landen.
Ik heb dit met eigen ogen gezien.
Bijna elk appartement in de buurt van mijn oma
heeft nu een airconditioner.
En dat is vooral een goede zaak
voor gezondheid, welzijn en productiviteit
van mensen die in warmere klimaten wonen.
Een van de meest verontrustende dingen over de klimaatwijziging is echter
dat naarmate onze planeet warmer wordt,
we meer koelsystemen gaan nodig hebben --
systemen die zelf grote uitstoters van broeikasgassen zijn.
Dat kan een terugkoppeling veroorzaken
waardoor koelsystemen alleen al
een van onze grootste bronnen van broeikasgassen kunnen worden
later deze eeuw.
In het ergste geval hebben we
wellicht jaarlijks meer dan 10 biljoen kilowattuur elektriciteit nodig.
Alleen voor koeling, tegen het jaar 2100.
Dat is de helft van onze elektriciteitsvoorziening vandaag.
Alleen voor koeling.
Maar dit wijst ook op een geweldige kans.
Een 10 of 20% verbetering van de efficiëntie van elk koelsysteem
kan een enorme impact hebben op onze uitstoot van broeikasgassen,
zowel vandaag als later deze eeuw.
We zouden die terugkoppelingslus van het ergste geval kunnen vermijden.
Als wetenschapper denk ik veel na over licht en warmte.
Vooral over hoe we met nieuwe materialen
de stroom van deze basiselementen van de natuur kunnen wijzigen
op manieren die we misschien ooit onmogelijk achtten.
Ofschoon de waarde van koeling me al duidelijk was
sinds mijn zomervakanties,
begon ik me met dit probleem bezig te houden
vanwege een intellectueel raadsel waar ik ongeveer zes jaar geleden op stuitte.
Hoe konden oude volkeren ijs maken in een woestijnklimaat?
Dit is een foto van een ijshuis,
of een ‘yakhchal’, in het zuidwesten van Iran.
Er zijn tientallen ruïnes van dergelijke structuren in heel Iran,
met sporen van soortgelijke bouwwerken in de rest van het Midden-Oosten,
helemaal tot in China.
De mensen die vele eeuwen geleden dit ijshuis in gebruik hadden,
goten water in het bekken -- dat je daar links ziet --
in de vroege avonduren bij zonsondergang.
En dan gebeurde er iets verbazends.
Hoewel de temperatuur van de lucht boven het vriespunt kon zijn,
misschien wel 5°C of 41°F,
bevroor het water toch.
Het gevormde ijs werd dan verzameld in de vroege ochtenduren
en voor gebruik opgeslagen in het gebouw daar rechts,
de hele zomer lang.
Je hebt eigenlijk waarschijnlijk al iets vergelijkbaars gezien
bij rijmvorming na een heldere nacht,
zelfs bij een luchttemperatuur boven het vriespunt.
Maar wacht.
Hoe kan water bevriezen boven het vriespunt?
Verdamping kan een rol spelen,
maar dat is niet genoeg om water tot ijs te laten bevriezen.
Iets anders moet het hebben afgekoeld.
Denk aan een taart die afkoelt op een vensterbank.
Om af te koelen, moet haar warmte naar een koelere plaats kunnen stromen.
In dit geval naar de omringende lucht.
Hoe ongeloofwaardig het ook mag klinken,
voor dat bekken met water gaat die warmte in feite naar de koude van de ruimte.
Hoe kan dat?
Dat bekken water stuurt, zoals de meeste natuurlijke materialen,
zijn warmte uit als licht.
Dat heet thermische straling.
In feite stralen we allemaal onze warmte uit als infrarood licht,
naar elkaar en naar onze omgeving.
We kunnen dit met thermische camera's visualiseren.
Ze produceren beelden zoals ik jullie nu toon.
Die plas water straalt zijn warmte de atmosfeer in.
De atmosfeer en de moleculen erin
absorberen een deel van die warmte en sturen die terug.
Dat is in feite het broeikaseffect, verantwoordelijk voor de klimaatopwarming.
Maar wat nu komt, is van cruciaal belang om te begrijpen.
Onze atmosfeer absorbeert niet al die warmte.
Als dat zo was, zouden we op een veel warmere planeet leven.
Bij bepaalde golflengten,
vooral tussen 8 en 13 micrometer, heeft
onze atmosfeer een transmissie-venster.
Dit venster laat een deel van de warmte die opstijgt als infrarood licht
daadwerkelijk ontsnappen, waardoor de warmte van dat bekken afneemt.
Ze verdwijnt naar een veel, veel koudere plaats.
In de bovenste atmosfeer,
en in de ruimte al helemaal,
kan het -270°C of -454°F zijn.
Daardoor kan de plas water meer warmte naar de hemel uitstralen
dan dat de hemel terugstuurt.
En daardoor zal het bekken afkoelen tot onder de omgevingstemperatuur.
Dit effect staat bekend als nachthemelkoeling
of stralingskoeling.
Klimaatwetenschappers en meteorologen kennen het al lang
als een zeer belangrijk natuurverschijnsel.
Dit kwam ik te weten
tegen het einde van mijn doctoraat in Stanford.
Ik stond versteld van de schijnbare eenvoud van deze koelmethode,
maar was ook in verwarring.
Waarom maken wij er geen gebruik van?
Wetenschappers en ingenieurs hadden dit idee wel onderzocht
in voorgaande decennia.
Maar er bleek ten minste één groot probleem te zijn.
Er was een reden dat het nachtelijke koeling heette.
Waarom?
Er is daar dat dingetje dat we de zon heten.
Om een oppervlak af te koelen,
moet het naar de hemel gericht zijn.
En in de loop van de dag,
wanneer we het meest naar koude verlangen,
staat daar helaas de zon.
En de zon warmt de meeste materialen
genoeg op om dit koelend effect volledig teniet te doen.
Mijn collega's en ik hebben lang nagedacht
over hoe we materialen kunnen structureren
bij zeer kleine lengteschalen
zodat ze nieuwe en nuttige dingen met licht kunnen doen --
lengteschalen kleiner dan de golflengte van het licht zelf.
Met behulp van inzichten op dit gebied,
bekend als nanophotonica of metamaterialenonderzoek,
beseften we dat er wellicht een manier was
om dit voor het eerst overdag mogelijk te maken.
Om dit te doen, ontwierp ik een meerlagig optisch materiaal
hier getoond op een microscoopbeeld.
Het is meer dan 40 keer dunner dan een typische menselijke haar.
Het kan twee dingen tegelijk doen.
Ten eerste, warmte uitstralen
precies daar waar onze atmosfeer die warmte het beste doorlaat.
We mikten op het venster naar de ruimte.
Het tweede is dat het niet makkelijk wordt opgewarmd door de zon.
Het is een zeer goede spiegel voor zonlicht.
De eerste keer testte ik dit op een dak in Stanford.
Ik toon het hier.
Ik liet de opstelling een tijdje buiten
en toen ik er na een paar minuten terug bij kwam,
wist ik gelijk dat het werkte.
Hoe?
Ik raakte het aan en het voelde koud aan.
(Applaus)
Gewoon om te benadrukken hoe raar en contra-intuïtief dit is:
dit en andere soortgelijke materialen
worden kouder als we ze uit de schaduw halen,
ook al valt er zonlicht op.
Ik toon jullie gegevens van ons allereerste experiment,
waar dit materiaal meer dan 5°C of 9°F
kouder bleef dan de luchttemperatuur,
hoewel de zon er direct op scheen.
De productiemethode die we gebruikten om dit materiaal te maken
bestaat al op grote schaal.
Ik was echt enthousiast,
want niet alleen maken we iets cools,
maar misschien hebben we wel de mogelijkheid
om er echt iets mee te doen en er iets bruikbaars van te maken.
Dat brengt me bij de volgende grote vraag:
hoe bespaar je nu energie met dit idee?
We geloven dat de meest directe manier om energie te besparen met deze technologie
is door de efficiëntie te verhogen
van de huidige airconditioning- en koelsystemen.
Daarvoor hebben we vloeistof-koelpanelen gebouwd,
zoals die hier getoond.
Deze panelen zien eruit als zonneboilers,
maar ze doen het tegenovergestelde –- ze koelen het water passief
door ons gespecialiseerde materiaal.
Deze panelen kunnen dan samengaan met een component
die je in bijna elke koelsysteem vindt, de condensor,
om de onderliggende efficiëntie van het systeem te verbeteren.
Onze start-up, SkyCool Systems,
heeft onlangs een veldproef voltooid in Davis, Californië, hier afgebeeld.
In deze demonstratie laten we zien
dat we de efficiëntie van dat koelsysteem
met maar liefst 12% kunnen verbeteren.
In de komende paar jaar
kijk ik echt uit naar de eerste proefprojecten op commerciële schaal
voor zowel airconditioning als voor koeling.
In de toekomst kunnen we misschien dit soort panelen integreren
met meer efficiënte koelsystemen voor gebouwen
om hun energieverbruik met tweederde te verminderen.
En tenslotte gaan we misschien een koelsysteem kunnen bouwen
dat helemaal geen elektriciteit meer vereist.
Als eerste stap in die richting:
mijn collega's van Stanford en ik
hebben aangetoond dat je iets
op ruim 42°C onder de luchttemperatuur kan houden met een betere techniek.
(Applaus) Dank je.
Stel je eens voor --
iets onder het vriespunt op een hete zomerdag.
Terwijl ik erg enthousiast ben over alles wat we kunnen doen om te koelen,
en ik denk dat er nog veel te doen overblijft,
ben ik als wetenschapper ook aangetrokken tot een meer diepgaande kans
waar dit werk volgens mij naar wijst.
We kunnen de koude duisternis van de ruimte gebruiken
om de efficiëntie te verbeteren
van ieder energie-gerelateerd proces hier op aarde.
Een voorbeeld van zo'n proces dat ik graag wil belichten zijn zonnecellen.
Ze warmen op onder de zon
en worden minder efficiënt naarmate ze warmer zijn.
In 2015 hebben we aangetoond dat we met aangepaste vormen van microstructuren
bovenop een zonnecel,
beter gebruik kunnen maken van dit koeleffect,
zodat een zonnecel passief op een lagere temperatuur blijft.
Hierdoor kan de cel efficiënter werken.
We testen dit soort mogelijkheden verder uit.
We onderzoeken of we de koude van de ruimte kunnen gebruiken
voor het beter omgaan met water.
Of misschien met netonafhankelijke scenario's.
Misschien kunnen we zelfs rechtstreeks energie opwekken met deze koude.
Er is een groot temperatuurverschil tussen ons hier op aarde
en de koude van de ruimte.
Dat verschil kan, ten minste in principe,
worden gebruikt om een warmtemachine aan te drijven
om elektriciteit te genereren.
Kunnen wij dan een nachtelijke energiecentrale maken
die bruikbare hoeveelheden elektriciteit genereert
wanneer de zonnecellen niet werken?
Kunnen we licht maken van duisternis?
Centraal hierin staat dit vermogen
om de warmtestraling overal om ons heen te beheren.
We baden voortdurend in infrarood licht.
Als we dat aan onze wil konden onderwerpen,
konden we de stromen van warmte en energie,
die ons elke dag doordringen, fundamenteel veranderen.
Deze mogelijkheid, in combinatie met de koude donkerte van het heelal,
wijst ons naar een toekomst waarin wij als beschaving
onze thermische energie voetafdruk intelligenter zouden kunnen beheren
tot zelfs op de allergrootste schalen.
Nu we geconfronteerd worden met de klimaatverandering,
denk ik dat deze mogelijkheid in onze gereedschapskist
essentieel zal blijken te zijn.
Als je nog eens buiten rondloopt,
verwonder je dan hoe de zon essentieel is voor het leven op aarde,
maar vergeet niet dat de rest van de hemel ons ook iets te bieden heeft.
Dank je.
(Applaus)