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← Cómo convertir el frío del espacio exterior en un recurso renovable

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Showing Revision 11 created 06/22/2018 by Lidia Cámara de la Fuente.

  1. Cada verano cuando era niño,

  2. volaba desde mi casa en Canadá
    para visitar a mis abuelos,
  3. quienes vivían en Mumbai, India.
  4. Los veranos canadienses son
    bastante leves como mucho...
  5. unos 22 º C o 72 º Fahrenheit
  6. es un típico día de verano,
    y no demasiado caliente.
  7. Mumbai, por otro lado,
    es un lugar cálido y húmedo
  8. bien en los 30 º C o 90 º Fahrenheit.
  9. Tan pronto llegaba, preguntaba,
  10. "¿Cómo podría alguien vivir,
    trabajar o dormir con ese clima?".
  11. Para empeorar las cosas, mis abuelos
    no tenían aire acondicionado.
  12. Y aunque lo intenté mucho, mucho,
  13. nunca logré persuadirlos para tener uno.
  14. Pero esto está cambiando, y rápido.
  15. Actualmente, los sistemas de refrigeración
    representan colectivamente el 17 %
  16. de la electricidad que usamos
    en todo el mundo.
  17. Incluye todo,
    desde los aires acondicionados
  18. como el que deseaba desesperadamente
    durante mis vacaciones de verano,
  19. a sistemas de refrigeración que mantienen
    nuestra comida segura y fría
  20. en nuestros supermercados,
  21. a sistemas industriales que mantienen
    operativos nuestros centros de datos.
  22. En conjunto, estos sistemas
    representan el 8 %
  23. de las emisiones globales
    de gases de efecto invernadero.
  24. Pero lo que me despierta en la noche
  25. es que la energía para la refrigeración
    podría multiplicarse por 6 para el 2050,
  26. impulsado principalmente por el aumento
    del uso en países asiáticos y africanos.
  27. Lo he visto de primera mano.
  28. Casi todos los apartamentos en
    y alrededor de la casa de mi abuela
  29. ahora tiene un acondicionador de aire.
  30. Y eso es, enfáticamente, algo bueno
  31. para la salud, el bienestar
    y la productividad
  32. de personas que viven
    en climas más cálidos.
  33. Sin embargo, una de las cosas más
    alarmantes sobre el cambio climático
  34. es que cuanto más cálido
    se pone nuestro planeta,
  35. más necesitemos sistemas de enfriamiento,
  36. sistemas que son en sí mismos grandes
    emisores de gases de efecto invernadero.
  37. Esto podría causar
    un ciclo de retroalimentación,
  38. en el que los sistemas de enfriamiento
  39. podrían convertirse en una
    de nuestras mayores fuentes
  40. de gases de efecto invernadero a futuro.
  41. En el peor caso, es posible que
  42. necesitemos más de 10 billones
    de kilovatios-hora de electricidad/año,
  43. solo para enfriamiento, para el año 2100.
  44. Eso es la mitad de nuestro
    suministro de electricidad hoy.
  45. Solo para enfriamiento.
  46. Pero esto también nos señala
    una oportunidad increíble.
  47. Una mejora del 10 o 20 % en eficiencia
    de cada sistema de enfriamiento
  48. podría tener un impacto enorme en las
    emisiones de gases de efecto invernadero,
  49. tanto ya como más tarde este siglo.
  50. Y podría ayudarnos a evitar ese ciclo de
    retroalimentación en el peor de los casos.
  51. Soy un científico que piensa mucho
    en la luz y el calor.
  52. En particular, cómo los nuevos materiales
    nos permiten alterar el flujo
  53. de estos elementos básicos
    de la naturaleza
  54. de una forma que alguna vez
    podríamos haber pensado imposible.
  55. Aunque siempre entendí
    el valor de la refrigeración
  56. durante mis vacaciones de verano,
  57. de hecho, terminé trabajando
    en este problema
  58. debido a un acertijo intelectual
    que encontré hace unos seis años.
  59. ¿Cómo pudieron los pueblos antiguos
    hacer hielo en climas desérticos?
  60. Esta es una imagen de una casa de hielo,
  61. también llamada Yakhchal,
    ubicada en el suroeste de Irán.
  62. Hay ruinas de docenas de
    tales estructuras en todo Irán,
  63. con evidencia de edificios similares
    en todo el resto del Medio Oriente
  64. y todo el camino a China.
  65. Las personas que operaron esta
    casa de hielo hace muchos siglos,
  66. vertían agua en el estanque
    que ven a la izquierda
  67. en las primeras horas de la tarde,
    cuando se pone el sol.
  68. Y luego sucedía algo asombroso.
  69. Aunque la temperatura del aire
    estuviera sobre del punto de congelación,
  70. es decir 5 º C o 41 º Fahrenheit,
  71. el agua se congelaba.
  72. El hielo generado se recolectaba
    a primera hora de la mañana
  73. y se almacenaba para su uso
    en el edificio que ven a la derecha,
  74. todos los meses de verano.
  75. Probablemente hayan visto algo
    muy similar actuando
  76. si han notado que se forma
    escarcha en una noche clara,
  77. incluso si la temperatura está
    muy por encima del punto de congelación.
  78. Pero esperen.
  79. ¿Cómo se congela el agua si la temperatura
    está sobre el punto de congelación?
  80. La evaporación podría tener un efecto,
  81. pero no es suficiente para hacer
    que el agua se convierta en hielo.
  82. Algo más debe haberla enfriado.
  83. Piensen en un pastel
    enfriándose en una ventana.
  84. Para que se enfríe, su calor necesita
    fluir a algún lugar más fresco.
  85. Es decir, al aire que lo rodea.
  86. Por inverosímil que parezca,
  87. en ese estanque, su calor
    está fluyendo al frío del espacio.
  88. ¿Cómo es esto posible?
  89. Ese estanque, como la mayoría
    de los materiales naturales,
  90. envía su calor como luz.
  91. Este es un concepto conocido
    como radiación térmica.
  92. De hecho, todos estamos enviando nuestro
    calor como luz infrarroja en este momento,
  93. el uno al otro y nuestro entorno.
  94. Podemos visualizar esto
    con cámaras térmicas
  95. y las imágenes que producen,
    como las que les muestro ahora.
  96. Entonces ese estanque
    está enviando su calor
  97. hacia arriba hacia la atmósfera.
  98. La atmósfera y las moléculas en ella
  99. absorben algo de ese calor y lo devuelven.
  100. Ese es realmente el efecto invernadero
    que es responsable del cambio climático.
  101. Pero aquí está lo crítico para comprender.
  102. Nuestra atmósfera
    no absorbe todo ese calor.
  103. Si lo hiciera, estaríamos
    en un planeta mucho más cálido.
  104. En ciertas longitudes de onda,
  105. en particular entre 8 y 13 micras,
  106. nuestra atmósfera tiene lo que se conoce
    como una ventana de transmisión.
  107. Esta ventana permite que parte del calor
    que sube como luz infrarroja
  108. escape de manera efectiva,
    eliminando el calor de ese estanque.
  109. Y puede escapar a un lugar
    que es mucho, mucho más frío.
  110. El frío de esta atmósfera superior
  111. y todo el camino al espacio exterior,
  112. que puede ser tan frío
    como -270 º C,
  113. o -454 º Fahrenheit.
  114. Así, este estanque
    pueda enviar más calor al cielo
  115. de lo que el cielo le devuelve.
  116. A causa de eso,
  117. el estanque se enfriará por debajo de
    la temperatura de su entorno.
  118. Este es un efecto conocido como
    enfriamiento nocturno
  119. o enfriamiento radiativo.
  120. Y siempre ha sido entendido por
    los climatólogos y los meteorólogos
  121. como un fenómeno natural muy importante.
  122. Cuando me encontré con esto,
  123. hacia el final de mi
    doctorado en Stanford,
  124. me sorprendió su aparente simplicidad
    como método de enfriamiento;
  125. realmente me desconcertó.
  126. ¿Por qué no estamos haciendo uso de esto?
  127. Científicos e ingenieros
    habían investigado esta idea
  128. décadas anteriores,
  129. pero resultó haber al menos
    un gran problema.
  130. Se llamaba enfriamiento nocturno
    por una razón.
  131. ¿Por qué?
  132. Bueno, es algo pequeño llamado "sol".
  133. Para que la superficie que se enfríe,
  134. necesita poder mirar al cielo
  135. Y durante la mitad del día,
  136. es cuando es posible que
    más deseemos algo frío,
  137. desafortunadamente, eso significa
    que mirarás al sol.
  138. Y el sol calienta la mayoría de materiales
  139. lo suficiente para contrarrestar
    por completo este efecto de enfriamiento.
  140. Mis colegas y yo pasamos mucho tiempo
  141. pensando en cómo estructurar materiales
  142. en escalas de longitud muy pequeña
  143. de modo que puedan hacer
    cosas nuevas y útiles con la luz...
  144. escalas de longitud más pequeñas
    que la longitud de onda de la luz.
  145. Usando ideas de este campo,
  146. conocida como investigación de
    nanofotónica o metamateriales,
  147. nos dimos cuenta de que
    podría haber una manera
  148. de hacer esto posible
    durante el día por primera vez.
  149. Para hacer esto,
    diseñé un material óptico multicapa
  150. que les muestro aquí en una
    imagen de microscopio.
  151. Es más de 40 veces más delgado
    que un cabello humano típico.
  152. Y es capaz de hacer
    dos cosas al mismo tiempo.
  153. Primero, envía su calor
  154. precisamente donde nuestra
    atmósfera permite escapar el calor mejor.
  155. Orientamos la ventana al espacio.
  156. Lo segundo que hace es evitar
    que el sol lo caliente.
  157. Es un muy buen espejo
    para la luz del sol.
  158. La primera vez que la probé
    fue en la azotea en Stanford
  159. que les estoy mostrando aquí.
  160. Dejé el dispositivo un tiempo,
  161. y caminé hacia él
    después de unos minutos,
  162. y en segundos,
    supe que estaba funcionando.
  163. ¿Cómo?
  164. Lo toqué y se sintió frío.
  165. (Aplausos)
  166. Solo para enfatizar cuán raro
    y contradictorio es esto:
  167. este material y otros similares
  168. se enfriarán cuando
    los saquemos de la sombra,
  169. a pesar de que el sol brille sobre él.
  170. Les muestro datos aquí
    de nuestro primer experimento,
  171. en que ese material se mantuvo
    más de 5 º C,
  172. o 9 º Fahrenheit, más frío
    que la temperatura del aire,
  173. a pesar de que el sol brillaba
    directamente sobre él.
  174. El método de fabricación que usamos
    para hacer este material
  175. ya existe a grandes escalas de volumen.
  176. Estaba muy emocionado,
  177. porque no solo hacemos algo genial,
  178. sino que podríamos tener la oportunidad
    de hacer algo real y hacerlo útil.
  179. Eso me lleva a la siguiente gran pregunta.
  180. ¿Cómo se ahorra energía con esta idea?
  181. Creemos que la forma más directa
    de ahorrar energía con esta tecnología
  182. es como un impulso de eficiencia
  183. a los sistemas actuales de
    aire acondicionado y refrigeración.
  184. Para hacerlo, construimos
    paneles de enfriamiento,
  185. como los que se muestran aquí.
  186. Tienen una forma similar
    a calentadores de agua solares,
  187. excepto que hacen lo contrario:
    enfrían el agua, pasivamente,
  188. usando nuestro material especializado.
  189. Estos paneles pueden integrarse
    con un componente
  190. de casi todos los sistemas
    de enfriamiento, llamado condensador,
  191. para mejorar la eficiencia
    subyacente del sistema.
  192. Nuestro emprendimiento, SkyCool Systems,
  193. completó recientemente una prueba de
    campo en Davis, California, que muestro.
  194. En esa demostración,
  195. mostramos que en realidad
    podríamos mejorar la eficiencia
  196. de ese sistema de enfriamiento
    hasta un 12 % en campo.
  197. Para el próximo año o dos,
  198. estoy muy emocionado de que esto tenga
    sus primeros pilotos a escala comercial
  199. tanto en el espacio de aire acondicionado
    como en el de refrigeración.
  200. En el futuro, podríamos ser capaces
    de integrar este tipo de paneles
  201. con sistemas de enfriamiento
    de edificios de mayor eficiencia
  202. para reducir su consumo
    de energía en dos tercios.
  203. Y eventualmente, podríamos construir
    un sistema de enfriamiento
  204. que no requiriera consumo
    de electricidad en absoluto.
  205. Como primer paso hacia eso,
  206. mis colegas en Stanford y yo
  207. hemos demostrado que se podría mantener
  208. algo más de 42 º C
    por debajo de la temperatura del aire
  209. con mejor ingeniería.
  210. Gracias.
  211. (Aplausos)
  212. Imaginen eso...
  213. algo que está bajo cero
    en un caluroso día de verano.
  214. Aunque estoy muy entusiasmado con todo
    lo que podemos hacer para refrescarnos,
  215. y creo que aún queda mucho por hacer,
  216. como científico, también me atrae
    una oportunidad más profunda
  217. que creo que este trabajo destaca.
  218. Podemos usar la fría oscuridad del espacio
  219. para mejorar la eficiencia
  220. de cada proceso relacionado
    con la energía aquí en la Tierra.
  221. Uno de esos procesos que me gustaría
    destacar son las células solares.
  222. Se calientan bajo el sol
  223. y se vuelven menos eficientes
    cuanto más calientes están.
  224. En 2015 demostramos que
    con clases deliberadas de microestructuras
  225. encima de una célula solar,
  226. podríamos aprovechar mejor
    este efecto de enfriamiento
  227. para mantener una célula solar
    pasivamente a una temperatura más baja.
  228. Esto permite que la célula funcione
    de manera más eficiente.
  229. Estamos investigando aún más
    este tipo de oportunidades.
  230. Nos preguntamos si podemos
    usar el frío del espacio
  231. para ayudarnos
    con la conservación del agua.
  232. O tal vez con escenarios fuera de la caja.
  233. Quizás podríamos generar energía
    directamente con este frío.
  234. Hay una gran diferencia de temperatura
    entre nosotros en la Tierra
  235. y el frío del espacio.
  236. Esa diferencia, al menos conceptualmente,
  237. podría usarse para mover
    algo llamado un motor de calor
  238. para generar electricidad.
  239. ¿Podríamos hacer un dispositivo
    de generación de energía nocturno
  240. que generara cantidades
    útiles de electricidad
  241. cuando las celdas solares no funcionan?
  242. ¿Podríamos generar luz desde la oscuridad?
  243. Es fundamental para esta capacidad
    poder administrar
  244. la radiación térmica
    que está a nuestro alrededor.
  245. Estamos constantemente bañados
    en luz infrarroja;
  246. si pudiéramos someterla
    a nuestra voluntad,
  247. podríamos cambiar profundamente
    los flujos de calor y energía
  248. que impregnan
    nuestro entorno todos los días.
  249. Esta habilidad, junto con
    la fría oscuridad del espacio,
  250. nos señala un futuro en el que nosotros,
    como civilización,
  251. podríamos administrar nuestra huella de
    energía térmica de más inteligentemente
  252. en las escalas más grandes.
  253. Para enfrentar el cambio climático,
  254. creo que esta habilidad
    en nuestro kit de herramientas
  255. demostrará ser esencial.
  256. Entonces, la próxima vez
    que estén caminando afuera,
  257. sí, maravíllense de cómo el sol es
    esencial para la vida misma en la Tierra,
  258. pero no olviden que el resto del cielo
    también tiene algo que ofrecernos.
  259. Gracias.
  260. (Aplausos)