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← Wie man die Kälte des Weltraums als erneuerbare Ressource nutzen kann

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Showing Revision 21 created 11/08/2018 by Angelika Lueckert Leon.

  1. Als ich aufwuchs, flog ich jeden Sommer
  2. von meinem Zuhause in Kanada
    zu meinen Großeltern,
  3. die in Mumbai, Indien, lebten.
  4. Kanadische Sommer sind bestenfalls mild
  5. -- etwa 22 Grad Celsius
    oder 72 Grad Fahrenheit
  6. sind für einen Sommertag typisch,
    also nicht zu heiß.
  7. Mumbai hingegen ist ein heißes
    und feuchtes Gebiet
  8. mit über 30 °Celsius oder 90 °Fahrenheit.
  9. Wenn ich ankam, fragte ich immer:
  10. "Wie kann man bei so einem Wetter
    leben, arbeiten oder schlafen?"
  11. Obendrein hatten meine Großeltern
    keine Klimaanlage.
  12. Obwohl ich mein Bestes gab,
  13. konnte ich sie nie zum Kauf
    von einer überzeugen.
  14. Aber das ändert sich schnell.
  15. Kühlsysteme verbrauchen heute weltweit
    zusammen 17 Prozent des Stroms.

  16. Dazu gehören Klimaanlagen,
  17. die ich in den Sommerferien
    so unbedingt wollte,
  18. über Kühlsysteme, die in den Supermärkten
  19. unsere Lebensmittel
    sicher und kalt halten,
  20. bis zu Systemen im industriellen Maßstab
    in unseren Rechenzentren.
  21. Zusammen machen diese Systeme acht Prozent
  22. der weltweiten Treibhausgasemissionen aus.
  23. Aber was mich nachts wach hält, ist,

  24. dass unser Energieverbrauch für Kühlung
    bis 2050 um das Sechsfache steigen wird,
  25. vor allem durch die zunehmende Nutzung
    in asiatischen und afrikanischen Ländern.
  26. Ich habe das selbst gesehen.
  27. Fast jede Wohnung
    in der Nähe meiner Großmutter
  28. hat jetzt eine Klimaanlage.
  29. Das ist natürlich eine gute Sache
  30. für die Gesundheit, das Wohlergehen
    und die Produktivität von Menschen,
  31. die in wärmeren Klimazonen leben.
  32. Einer der alarmierendsten Aspekte
    beim Klimawandel ist jedoch,
  33. je wärmer unser Planet wird,
  34. desto mehr benötigen wir Kühlsysteme --
  35. Systeme, die selbst große Emittenten
    von Treibhausgasen sind.
  36. Das hat dann das Potenzial,
    eine Rückkopplungsschleife zu verursachen,
  37. in der allein die Kühlsysteme
  38. zum Ende dieses Jahrhunderts
    eine unserer größten Quellen
  39. von Treibhausgasen werden könnten.
  40. Im schlimmsten Fall könnten wir
    im Jahr 2100 nur zum Kühlen
  41. mehr als 10 Billionen Kilowattstunden
    Strom pro Jahr benötigen.
  42. Das ist die Hälfte
    des heutigen Stromverbrauchs.
  43. Nur zur Kühlung.
  44. Aber das weist uns auch
    auf eine erstaunliche Chance hin.
  45. Eine 10- oder 20-prozentige Verbesserung
    der Effizienz jedes Kühlsystems
  46. könnte sowohl heute als auch
    später in diesem Jahrhundert
  47. enorme Auswirkungen
    auf unseren Treibhausgasausstoß haben.
  48. Das könnte uns helfen, die befürchtete
    Rückkopplungsschleife abzuwenden.
  49. Ich bin ein Wissenschaftler, der viel
    über Licht und Wärme nachdenkt.

  50. Insbesondere, wie es uns
    neue Materialien ermöglichen,
  51. den Fluss dieser grundlegenden
    Elemente der Natur so zu verändern,
  52. wie wir es früher
    für unmöglich gehalten hätten.
  53. Obwohl ich schon immer
  54. den Wert der Kühlung
    in den Sommerferien verstand,
  55. arbeitete ich letztlich an diesem Problem
  56. wegen eines intellektuellen Rätsels,
    auf das ich vor 6 Jahren stieß.
  57. Wie waren uralte Völker in der Lage,
    in Wüstengebieten Eis zu machen?
  58. Dies ist ein Bild eines Eishauses,
  59. auch Yachchal genannt,
    im Südwesten des Irans.
  60. Es gibt Ruinen von Dutzenden
    solcher Strukturen im ganzen Iran,
  61. mit Hinweisen auf ähnliche Gebäude
    im gesamten Rest des Mittleren Ostens
  62. und bis nach China.
  63. Die Leute, die dieses Eishaus
    vor vielen Jahrhunderten betrieben,

  64. gossen in den frühen Abendstunden,
    wenn die Sonne unterging,
  65. Wasser in das Becken, das Sie links sehen.
  66. Dann geschah etwas Erstaunliches.
  67. Obwohl die Lufttemperatur
    über dem Gefrierpunkt liegen konnte,
  68. sagen wir 5 Grad Celsius
    oder 41 Grad Fahrenheit,
  69. gefror das Wasser.
  70. Das erzeugte Eis wurde dann
    in den frühen Morgenstunden eingesammelt
  71. und in dem Gebäude auf der rechten Seite
  72. bis in die Sommermonate hinein
    zum Gebrauch gelagert.
  73. Sie haben wahrscheinlich schon mal
    einen sehr ähnlichen Vorgang gesehen,
  74. wenn sich in einer klaren Nacht
    Reif am Boden bildet,
  75. auch wenn die Lufttemperatur
    über dem Gefrierpunkt liegt.
  76. Aber Moment mal.
  77. Wie kann das Wasser bei Lufttemperaturen
    über dem Gefrierpunkt gefrieren?
  78. Die Verdunstung könnte
    eine Rolle gespielt haben,
  79. aber das ist nicht genug,
    um das Wasser in Eis zu verwandeln.
  80. Etwas anderes muss es abgekühlt haben.
  81. Denken Sie an einen Kuchen,
    der auf einer Fensterbank abkühlt.

  82. Damit er sich abkühlen kann, muss
    seine Wärme an einen kälteren Ort fließen.
  83. Nämlich in die umgebende Luft.
  84. So unplausibel es klingen mag,
  85. die Wärme dieses Wasserbeckens
    fließt in die Kälte des Weltraumes.
  86. Wie ist das möglich?

  87. Dieses Wasserbecken sendet,
    wie die meisten natürlichen Materialien,
  88. seine Wärme als Licht aus.
  89. Das ist ein als Wärmestrahlung
    bekanntes Konzept.
  90. Tatsächlich senden wir uns alle
    unsere Wärme gegenseitig
  91. und an unsere Umgebung
    als Infrarotlicht aus.
  92. Wir können das mit Wärmebildkameras
  93. und den Bildern, die sie erzeugen,
    wie diese hier, visualisieren.
  94. Das Wasserbecken sendet also seine Wärme
  95. nach oben zur Atmosphäre.
  96. Die Atmosphäre und die Moleküle darin
  97. nehmen einen Teil dieser Wärme auf
    und senden sie zurück.
  98. Genau das ist der Treibhauseffekt,
    der den Klimawandel verursacht.
  99. Aber hier ist der entscheidende Punkt.

  100. Unsere Atmosphäre
    absorbiert nicht die ganze Wärme.
  101. Wäre es so, hätten wir
    einen viel wärmeren Planeten.
  102. Bei bestimmten Wellenlängen,
  103. insbesondere zwischen
    8 und 13 Mikrometern,
  104. hat unsere Atmosphäre
    ein sogenanntes Transmissionsfenster.
  105. Dieses Fenster lässt etwas von der Wärme,
    die als Infrarotlicht hochstrahlt,
  106. letztlich entweichen und die Wärme
    dieses Beckens abtransportieren.
  107. Sie kann an einen Ort gelangen,
    der viel, viel kälter ist.
  108. Die Kälte dieser oberen Atmosphäre
  109. und des ganzen Weges
    hinaus in den Weltraum,
  110. der minus 270 Grad Celsius
  111. bzw. minus 454 Grad Fahrenheit sein kann.
  112. So kann das Wasserbecken
    mehr Hitze zum Himmel senden,
  113. als der Himmel zu ihm zurückschickt.
  114. Deswegen wird das Becken
  115. unter die Temperatur
    seiner Umgebung abkühlen.
  116. Das ist ein Effekt,
    der als Nachthimmel-Kühlung
  117. oder Strahlungskühlung bekannt ist.
  118. Klimawissenschaftlern und Meteorologen
    sahen ihn schon immer
  119. als ein sehr wichtiges Naturphänomen an.
  120. Als ich all das erfuhr,

  121. war es gegen Ende
    meiner Doktorarbeit in Stanford.
  122. Über seine scheinbare Einfachheit
    als Kühlmethode war ich erstaunt,
  123. aber auch echt verwirrt.
  124. Warum nutzen wir das nicht?
  125. Wissenschaftler und Ingenieure
    hatten dieses Konzept
  126. in früheren Jahrzehnten untersucht.
  127. Aber es stellte sich heraus,
    dass es mindestens ein großes Problem gab.
  128. Es wurde aus gutem Grund
    als Nachthimmel-Kühlung bezeichnet.
  129. Warum?
  130. Es ist ein kleines Ding namens Sonne.
  131. Die Oberfläche, die abkühlen soll,
  132. muss auf den Himmel gerichtet sein.
  133. Während der Tagesmitte,
  134. wenn wir die Kühlung am meisten wollen,
  135. bedeutet das leider,
    dass die Sonne auf die Fläche scheint.
  136. Die Sonne heizt
    die meisten Materialien auf
  137. und wirkt diesem Kühleffekt
    vollständig entgegen.
  138. Meine Kollegen und ich
    denken viel darüber nach,

  139. Materialien im sehr kleinen Maßstab
    so zu strukturieren,
  140. dass sie neue und nützliche
    Dinge mit Licht tun können,
  141. Längenbereiche, die kleiner sind
    als die Wellenlänge des Lichts selbst.
  142. Dank der Erkenntnisse
    aus diesem Bereich,
  143. bekannt als Nanophotonik
    oder Metamaterialforschung,
  144. wurde uns klar, dass es vielleicht
    eine Methode gibt,
  145. dies erstmals auch am Tage zu ermöglichen.
  146. Dazu habe ich ein mehrschichtiges
    optisches Material entworfen,

  147. das Sie hier im Mikroskopbild sehen.
  148. Es ist mehr als 40-mal dünner
    als ein menschliches Haar.
  149. Es kann zwei Dinge gleichzeitig.
  150. Erstens: Es sendet seine Wärme
  151. genau dort aus, wo unsere Atmosphäre
    diese Wärme am besten durchlässt.
  152. Wir zielten auf das Fenster zum Weltraum.
  153. Zweitens: Es lässt sich
    von der Sonne nicht erhitzen.
  154. Es ist ein sehr guter Spiegel
    für das Sonnenlicht.
  155. Zum ersten Mal testete ich es
    auf einem Dach in Stanford,
  156. das Sie hier sehen.
  157. Ich ließ das Gerät für eine Weile draußen,
  158. und nach ein paar Minuten
    ging ich wieder hin
  159. und wusste sofort, dass es funktionierte.
  160. Wie?
  161. Ich berührte es
    und es fühlte sich kalt an.
  162. (Beifall)

  163. Nur um zu betonen, wie merkwürdig
    und kontraintuitiv das ist:

  164. Dieses Material und andere werden kälter,
  165. wenn wir sie aus dem Schatten nehmen,
  166. obwohl die Sonne darauf scheint.
  167. Das hier sind Daten
    von unserem allerersten Experiment,
  168. wo dieses Material mehr als 5° Celsius
  169. bzw. 9° Fahrenheit kälter
    als die Lufttemperatur blieb,
  170. obwohl die Sonne direkt darauf schien.
  171. Das von uns verwendete Verfahren
    zur Herstellung dieses Materials
  172. existiert bereits für große Volumina.
  173. Also war ich wirklich aufgeregt,
  174. weil wir nicht nur etwas Cooles machen,
  175. sondern vielleicht sogar die Chance haben,
    etwas praktisch Nutzbares zu machen.
  176. Das bringt mich zur nächsten großen Frage.
  177. Wie spart man mit dieser Idee Energie?

  178. Wir glauben, der direkteste Weg,
    mit dieser Technologie Energie zu sparen,
  179. ist die Effizienzsteigerung
    für die heutigen Klima- und Kälteanlagen.
  180. Dazu bauten wir Flüssigkeitskühlplatten,
    wie die, die Sie hier sehen.
  181. Die Platten sind so ähnlich geformt
    wie solare Wassererhitzer,
  182. außer dass sie das Gegenteil tun --
    sie kühlen das Wasser passiv
  183. mit unserem speziellen Material.
  184. Diese Platten können dann
    mit etwas kombiniert werden,
  185. das fast jedes Kühlsystem hat:
    einen Kondensator,
  186. um die Effizienz
    des Systems zu verbessern.
  187. Unser Start-up, SkyCool Systems,
    hat kürzlich in Davis, Kalifornien,
  188. einen Feldversuch abgeschlossen,
    wie hier zu sehen ist.
  189. In der Vorführung zeigten wir,
  190. dass wir die Effizienz dieses Kühlsystems
    unter Praxisbedingungen
  191. tatsächlich um ganze 12 Prozent
    verbessern konnten.
  192. In den nächsten 1-2 Jahren
    freue ich mich darauf,

  193. das bei den ersten
    kommerziellen Pilotprojekten,
  194. sowohl für Klima- als auch
    für Kühlanlagen zu sehen.
  195. In Zukunft könnten wir diese Platten
  196. mit effizienteren Kühlsystemen
    für Gebäude kombinieren
  197. und ihren Energieverbrauch
    um zwei Drittel reduzieren.
  198. Schließlich könnten wir tatsächlich
    ein Kühlsystem bauen,
  199. das überhaupt keinen Strom benötigt.
  200. Als ersten Schritt dorthin
  201. haben meine Kollegen
    von Stanford und ich gezeigt,
  202. dass man mit besserer Technik
  203. in der Tat etwas mehr als 42° Celsius
    unter der Lufttemperatur halten könnte.
  204. Vielen Dank.

  205. (Beifall)

  206. Man stelle sich das vor --
    etwas, dessen Temperatur

  207. an einem heißen Sommertag
    unter dem Gefrierpunkt liegt.
  208. Ich bin sehr aufgeregt, was wir alles
    für Kühlung tun können,
  209. und ich denke, dass es noch
    viel mehr zu tun gibt.
  210. Als Wissenschaftler zieht mich auch
    eine grundlegendere Chance an,
  211. die diese Arbeit nach aufzeigt.
  212. Wir können die kalte Dunkelheit
    des Weltraums nutzen,
  213. um die Effizienz eines jeden
    energiebezogenen Prozesses

  214. hier auf der Erde zu verbessern.
  215. Einen solchen Prozess
    möchte ich hervorheben: Solarzellen.
  216. Die heizen sich in der Sonne auf
  217. und werden umso ineffizienter,
    je heißer sie werden.
  218. Im Jahr 2015 haben wir gezeigt,
  219. dass wir mit bestimmten Mikrostrukturen
    auf der Oberseite einer Solarzelle
  220. diese Kühlwirkung besser nutzen können,
  221. um eine Solarzelle passiv bei einer
    niedrigeren Temperatur zu halten.
  222. Dies ermöglicht der Zelle,
    effizienter zu arbeiten.
  223. Wir erforschen diese Möglichkeit weiter.
  224. Wir fragen uns, ob wir die Kälte
    des Weltraums nutzen können,
  225. um uns beim Wassersparen zu helfen
  226. oder vielleicht bei Szenarien
    mit Netzunabhängigkeit.
  227. Vielleicht könnten wir mit dieser Kälte
    sogar direkt Strom erzeugen.
  228. Es gibt eine große Temperaturdifferenz
    zwischen uns hier auf der Erde
  229. und der Kälte des Weltraums.
  230. Dieser Unterschied könnte zumindest
    gedanklich verwendet werden,
  231. um eine Wärmekraftmaschine anzutreiben
    und Elektrizität zu erzeugen.
  232. Könnten wir dann eine nächtliche
    Stromerzeugungsmaschine bauen,
  233. die brauchbare Mengen
    an Elektrizität erzeugt,
  234. wenn Solarzellen nicht funktionieren?
  235. Könnten wir Licht
    aus der Dunkelheit erzeugen?
  236. Entscheidend dafür ist die Fähigkeit,

  237. die Wärmestrahlung,
    die uns umgibt, zu steuern.
  238. Wir sind immer in Infrarotlicht getaucht.
  239. Wenn wir es uns gefügig machen könnten,
  240. könnten wir die täglichen Wärme-
    und Energieflüsse zutiefst verändern.
  241. Diese Fähigkeit, gepaart mit
    der kalten Dunkelheit des Weltraums,
  242. weist uns auf eine Zukunft hin,
  243. in der wir als Zivilisation
    in der Lage sein könnten,
  244. unsere thermische Energiebilanz
    im größten Stil intelligenter zu steuern.
  245. Wenn wir uns dem Klimawandel stellen,

  246. wird sich diese Fähigkeit
    als unerlässliches Werkzeug erweisen.
  247. Wenn Sie das nächste Mal
    draußen herumlaufen,
  248. bewundern Sie, wie notwendig die Sonne
    für das Leben auf der Erde ist.
  249. Aber vergessen Sie nicht,
  250. dass uns der Rest des Himmels
    auch etwas zu bieten hat.
  251. Vielen Dank.

  252. (Beifall)