Wie man die Kälte des Weltraums als erneuerbare Ressource nutzen kann

Was wäre, wenn wir die Kälte des Weltraums zur Kühlung von Gebäuden auf der Erde nutzen könnten? In diesem atemberaubenden Vortrag erläutert der Physiker Aaswath Raman die von ihm entwickelte Technologie, um die "Nachthimmel-Kühlung" -- ein Naturphänomen, bei dem Infrarotstrahlung die Erde Richtung Weltraum verlässt und so Wärme abtransportiert -- nutzbar zu machen, wodurch der Energiebedarf unserer Kühlsysteme dramatisch sinken würde. Erfahren Sie mehr darüber, wie dieser Ansatz in eine Zukunft weist, in der wir die Energie des Universums geschickt anzapfen.

Als ich aufwuchs, flog ich jeden Sommer

von meinem Zuhause in Kanada
zu meinen Großeltern,

die in Mumbai, Indien, lebten.

Kanadische Sommer sind bestenfalls mild

-- etwa 22 Grad Celsius
oder 72 Grad Fahrenheit

sind für einen Sommertag typisch,
also nicht zu heiß.

Mumbai hingegen ist ein heißes
und feuchtes Gebiet

mit über 30 °Celsius oder 90 °Fahrenheit.

Wenn ich ankam, fragte ich immer:

"Wie kann man bei so einem Wetter
leben, arbeiten oder schlafen?"

Obendrein hatten meine Großeltern
keine Klimaanlage.

Obwohl ich mein Bestes gab,

konnte ich sie nie zum Kauf
von einer überzeugen.

Aber das ändert sich schnell.

Kühlsysteme verbrauchen heute weltweit
zusammen 17 Prozent des Stroms.

Dazu gehören Klimaanlagen,

die ich in den Sommerferien
so unbedingt wollte,

über Kühlsysteme, die in den Supermärkten

unsere Lebensmittel
sicher und kalt halten,

bis zu Systemen im industriellen Maßstab
in unseren Rechenzentren.

Zusammen machen diese Systeme acht Prozent

der weltweiten Treibhausgasemissionen aus.

Aber was mich nachts wach hält, ist,

dass unser Energieverbrauch für Kühlung
bis 2050 um das Sechsfache steigen wird,

vor allem durch die zunehmende Nutzung
in asiatischen und afrikanischen Ländern.

Ich habe das selbst gesehen.

Fast jede Wohnung
in der Nähe meiner Großmutter

hat jetzt eine Klimaanlage.

Das ist natürlich eine gute Sache

für die Gesundheit, das Wohlergehen
und die Produktivität von Menschen,

die in wärmeren Klimazonen leben.

Einer der alarmierendsten Aspekte
beim Klimawandel ist jedoch,

je wärmer unser Planet wird,

desto mehr benötigen wir Kühlsysteme --

Systeme, die selbst große Emittenten
von Treibhausgasen sind.

Das hat dann das Potenzial,
eine Rückkopplungsschleife zu verursachen,

in der allein die Kühlsysteme

zum Ende dieses Jahrhunderts
eine unserer größten Quellen

von Treibhausgasen werden könnten.

Im schlimmsten Fall könnten wir
im Jahr 2100 nur zum Kühlen

mehr als 10 Billionen Kilowattstunden
Strom pro Jahr benötigen.

Das ist die Hälfte
des heutigen Stromverbrauchs.

Nur zur Kühlung.

Aber das weist uns auch
auf eine erstaunliche Chance hin.

Eine 10- oder 20-prozentige Verbesserung
der Effizienz jedes Kühlsystems

könnte sowohl heute als auch
später in diesem Jahrhundert

enorme Auswirkungen
auf unseren Treibhausgasausstoß haben.

Das könnte uns helfen, die befürchtete
Rückkopplungsschleife abzuwenden.

Ich bin ein Wissenschaftler, der viel
über Licht und Wärme nachdenkt.

Insbesondere, wie es uns
neue Materialien ermöglichen,

den Fluss dieser grundlegenden
Elemente der Natur so zu verändern,

wie wir es früher
für unmöglich gehalten hätten.

Obwohl ich schon immer

den Wert der Kühlung
in den Sommerferien verstand,

arbeitete ich letztlich an diesem Problem

wegen eines intellektuellen Rätsels,
auf das ich vor 6 Jahren stieß.

Wie waren uralte Völker in der Lage,
in Wüstengebieten Eis zu machen?

Dies ist ein Bild eines Eishauses,

auch Yachchal genannt,
im Südwesten des Irans.

Es gibt Ruinen von Dutzenden
solcher Strukturen im ganzen Iran,

mit Hinweisen auf ähnliche Gebäude
im gesamten Rest des Mittleren Ostens

und bis nach China.

Die Leute, die dieses Eishaus
vor vielen Jahrhunderten betrieben,

gossen in den frühen Abendstunden,
wenn die Sonne unterging,

Wasser in das Becken, das Sie links sehen.

Dann geschah etwas Erstaunliches.

Obwohl die Lufttemperatur
über dem Gefrierpunkt liegen konnte,

sagen wir 5 Grad Celsius
oder 41 Grad Fahrenheit,

gefror das Wasser.

Das erzeugte Eis wurde dann
in den frühen Morgenstunden eingesammelt

und in dem Gebäude auf der rechten Seite

bis in die Sommermonate hinein
zum Gebrauch gelagert.

Sie haben wahrscheinlich schon mal
einen sehr ähnlichen Vorgang gesehen,

wenn sich in einer klaren Nacht
Reif am Boden bildet,

auch wenn die Lufttemperatur
über dem Gefrierpunkt liegt.

Aber Moment mal.

Wie kann das Wasser bei Lufttemperaturen
über dem Gefrierpunkt gefrieren?

Die Verdunstung könnte
eine Rolle gespielt haben,

aber das ist nicht genug,
um das Wasser in Eis zu verwandeln.

Etwas anderes muss es abgekühlt haben.

Denken Sie an einen Kuchen,
der auf einer Fensterbank abkühlt.

Damit er sich abkühlen kann, muss
seine Wärme an einen kälteren Ort fließen.

Nämlich in die umgebende Luft.

So unplausibel es klingen mag,

die Wärme dieses Wasserbeckens
fließt in die Kälte des Weltraumes.

Wie ist das möglich?

Dieses Wasserbecken sendet,
wie die meisten natürlichen Materialien,

seine Wärme als Licht aus.

Das ist ein als Wärmestrahlung
bekanntes Konzept.

Tatsächlich senden wir uns alle
unsere Wärme gegenseitig

und an unsere Umgebung
als Infrarotlicht aus.

Wir können das mit Wärmebildkameras

und den Bildern, die sie erzeugen,
wie diese hier, visualisieren.

Das Wasserbecken sendet also seine Wärme

nach oben zur Atmosphäre.

Die Atmosphäre und die Moleküle darin

nehmen einen Teil dieser Wärme auf
und senden sie zurück.

Genau das ist der Treibhauseffekt,
der den Klimawandel verursacht.

Aber hier ist der entscheidende Punkt.

Unsere Atmosphäre
absorbiert nicht die ganze Wärme.

Wäre es so, hätten wir
einen viel wärmeren Planeten.

Bei bestimmten Wellenlängen,

insbesondere zwischen
8 und 13 Mikrometern,

hat unsere Atmosphäre
ein sogenanntes Transmissionsfenster.

Dieses Fenster lässt etwas von der Wärme,
die als Infrarotlicht hochstrahlt,

letztlich entweichen und die Wärme
dieses Beckens abtransportieren.

Sie kann an einen Ort gelangen,
der viel, viel kälter ist.

Die Kälte dieser oberen Atmosphäre

und des ganzen Weges
hinaus in den Weltraum,

der minus 270 Grad Celsius

bzw. minus 454 Grad Fahrenheit sein kann.

So kann das Wasserbecken
mehr Hitze zum Himmel senden,

als der Himmel zu ihm zurückschickt.

Deswegen wird das Becken

unter die Temperatur
seiner Umgebung abkühlen.

Das ist ein Effekt,
der als Nachthimmel-Kühlung

oder Strahlungskühlung bekannt ist.

Klimawissenschaftlern und Meteorologen
sahen ihn schon immer

als ein sehr wichtiges Naturphänomen an.

Als ich all das erfuhr,

war es gegen Ende
meiner Doktorarbeit in Stanford.

Über seine scheinbare Einfachheit
als Kühlmethode war ich erstaunt,

aber auch echt verwirrt.

Warum nutzen wir das nicht?

Wissenschaftler und Ingenieure
hatten dieses Konzept

in früheren Jahrzehnten untersucht.

Aber es stellte sich heraus,
dass es mindestens ein großes Problem gab.

Es wurde aus gutem Grund
als Nachthimmel-Kühlung bezeichnet.

Warum?

Es ist ein kleines Ding namens Sonne.

Die Oberfläche, die abkühlen soll,

muss auf den Himmel gerichtet sein.

Während der Tagesmitte,

wenn wir die Kühlung am meisten wollen,

bedeutet das leider,
dass die Sonne auf die Fläche scheint.

Die Sonne heizt
die meisten Materialien auf

und wirkt diesem Kühleffekt
vollständig entgegen.

Meine Kollegen und ich
denken viel darüber nach,

Materialien im sehr kleinen Maßstab
so zu strukturieren,

dass sie neue und nützliche
Dinge mit Licht tun können,

Längenbereiche, die kleiner sind
als die Wellenlänge des Lichts selbst.

Dank der Erkenntnisse
aus diesem Bereich,

bekannt als Nanophotonik
oder Metamaterialforschung,

wurde uns klar, dass es vielleicht
eine Methode gibt,

dies erstmals auch am Tage zu ermöglichen.

Dazu habe ich ein mehrschichtiges
optisches Material entworfen,

das Sie hier im Mikroskopbild sehen.

Es ist mehr als 40-mal dünner
als ein menschliches Haar.

Es kann zwei Dinge gleichzeitig.

Erstens: Es sendet seine Wärme

genau dort aus, wo unsere Atmosphäre
diese Wärme am besten durchlässt.

Wir zielten auf das Fenster zum Weltraum.

Zweitens: Es lässt sich
von der Sonne nicht erhitzen.

Es ist ein sehr guter Spiegel
für das Sonnenlicht.

Zum ersten Mal testete ich es
auf einem Dach in Stanford,

das Sie hier sehen.

Ich ließ das Gerät für eine Weile draußen,

und nach ein paar Minuten
ging ich wieder hin

und wusste sofort, dass es funktionierte.

Wie?

Ich berührte es
und es fühlte sich kalt an.

(Beifall)

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

Dieses Material und andere werden kälter,

wenn wir sie aus dem Schatten nehmen,

obwohl die Sonne darauf scheint.

Das hier sind Daten
von unserem allerersten Experiment,

wo dieses Material mehr als 5° Celsius

bzw. 9° Fahrenheit kälter
als die Lufttemperatur blieb,

obwohl die Sonne direkt darauf schien.

Das von uns verwendete Verfahren
zur Herstellung dieses Materials

existiert bereits für große Volumina.

Also war ich wirklich aufgeregt,

weil wir nicht nur etwas Cooles machen,

sondern vielleicht sogar die Chance haben,
etwas praktisch Nutzbares zu machen.

Das bringt mich zur nächsten großen Frage.

Wie spart man mit dieser Idee Energie?

Wir glauben, der direkteste Weg,
mit dieser Technologie Energie zu sparen,

ist die Effizienzsteigerung
für die heutigen Klima- und Kälteanlagen.

Dazu bauten wir Flüssigkeitskühlplatten,
wie die, die Sie hier sehen.

Die Platten sind so ähnlich geformt
wie solare Wassererhitzer,

außer dass sie das Gegenteil tun --
sie kühlen das Wasser passiv

mit unserem speziellen Material.

Diese Platten können dann
mit etwas kombiniert werden,

das fast jedes Kühlsystem hat:
einen Kondensator,

um die Effizienz
des Systems zu verbessern.

Unser Start-up, SkyCool Systems,
hat kürzlich in Davis, Kalifornien,

einen Feldversuch abgeschlossen,
wie hier zu sehen ist.

In der Vorführung zeigten wir,

dass wir die Effizienz dieses Kühlsystems
unter Praxisbedingungen

tatsächlich um ganze 12 Prozent
verbessern konnten.

In den nächsten 1-2 Jahren
freue ich mich darauf,

das bei den ersten
kommerziellen Pilotprojekten,

sowohl für Klima- als auch
für Kühlanlagen zu sehen.

In Zukunft könnten wir diese Platten

mit effizienteren Kühlsystemen
für Gebäude kombinieren

und ihren Energieverbrauch
um zwei Drittel reduzieren.

Schließlich könnten wir tatsächlich
ein Kühlsystem bauen,

das überhaupt keinen Strom benötigt.

Als ersten Schritt dorthin

haben meine Kollegen
von Stanford und ich gezeigt,

dass man mit besserer Technik

in der Tat etwas mehr als 42° Celsius
unter der Lufttemperatur halten könnte.

Vielen Dank.

(Beifall)

Man stelle sich das vor --
etwas, dessen Temperatur

an einem heißen Sommertag
unter dem Gefrierpunkt liegt.

Ich bin sehr aufgeregt, was wir alles
für Kühlung tun können,

und ich denke, dass es noch
viel mehr zu tun gibt.

Als Wissenschaftler zieht mich auch
eine grundlegendere Chance an,

die diese Arbeit nach aufzeigt.

Wir können die kalte Dunkelheit
des Weltraums nutzen,

um die Effizienz eines jeden
energiebezogenen Prozesses

hier auf der Erde zu verbessern.

Einen solchen Prozess
möchte ich hervorheben: Solarzellen.

Die heizen sich in der Sonne auf

und werden umso ineffizienter,
je heißer sie werden.

Im Jahr 2015 haben wir gezeigt,

dass wir mit bestimmten Mikrostrukturen
auf der Oberseite einer Solarzelle

diese Kühlwirkung besser nutzen können,

um eine Solarzelle passiv bei einer
niedrigeren Temperatur zu halten.

Dies ermöglicht der Zelle,
effizienter zu arbeiten.

Wir erforschen diese Möglichkeit weiter.

Wir fragen uns, ob wir die Kälte
des Weltraums nutzen können,

um uns beim Wassersparen zu helfen

oder vielleicht bei Szenarien
mit Netzunabhängigkeit.

Vielleicht könnten wir mit dieser Kälte
sogar direkt Strom erzeugen.

Es gibt eine große Temperaturdifferenz
zwischen uns hier auf der Erde

und der Kälte des Weltraums.

Dieser Unterschied könnte zumindest
gedanklich verwendet werden,

um eine Wärmekraftmaschine anzutreiben
und Elektrizität zu erzeugen.

Könnten wir dann eine nächtliche
Stromerzeugungsmaschine bauen,

die brauchbare Mengen
an Elektrizität erzeugt,

wenn Solarzellen nicht funktionieren?

Könnten wir Licht
aus der Dunkelheit erzeugen?

Entscheidend dafür ist die Fähigkeit,

die Wärmestrahlung,
die uns umgibt, zu steuern.

Wir sind immer in Infrarotlicht getaucht.

Wenn wir es uns gefügig machen könnten,

könnten wir die täglichen Wärme-
und Energieflüsse zutiefst verändern.

Diese Fähigkeit, gepaart mit
der kalten Dunkelheit des Weltraums,

weist uns auf eine Zukunft hin,

in der wir als Zivilisation
in der Lage sein könnten,

unsere thermische Energiebilanz
im größten Stil intelligenter zu steuern.

Wenn wir uns dem Klimawandel stellen,

wird sich diese Fähigkeit
als unerlässliches Werkzeug erweisen.

Wenn Sie das nächste Mal
draußen herumlaufen,

bewundern Sie, wie notwendig die Sonne
für das Leben auf der Erde ist.

Aber vergessen Sie nicht,

dass uns der Rest des Himmels
auch etwas zu bieten hat.

Vielen Dank.

(Beifall)