Cómo convertir el frío del espacio exterior en un recurso renovable

¿Qué pasaría si pudiéramos usar la fría oscuridad del espacio exterior para refrescar edificios en la Tierra? En esta charla alucinante, el físico Aaswath Raman detalla la tecnología que está desarrollando para aprovechar el "enfriamiento del cielo nocturno", un fenómeno natural en que la luz infrarroja escapa de la Tierra y se dirige al espacio, llevando calor junto con ella, lo que podría reducir drásticamente el consumo de energía utilizada por nuestros sistemas de enfriamiento. Aprenda más acerca de cómo este enfoque podría conducirnos hacia un futuro en el que intentemos acceder de forma inteligente a la energía del universo.

Cada verano cuando era niño,

volaba desde mi casa en Canadá
para visitar a mis abuelos,

quienes vivían en Mumbai, India.

Los veranos canadienses son
bastante leves como mucho...

unos 22 º C o 72 º Fahrenheit

es un típico día de verano,
y no demasiado caliente.

Mumbai, por otro lado,
es un lugar cálido y húmedo

bien en los 30 º C o 90 º Fahrenheit.

Tan pronto llegaba, preguntaba,

"¿Cómo podría alguien vivir,
trabajar o dormir con ese clima?".

Para empeorar las cosas, mis abuelos
no tenían aire acondicionado.

Y aunque lo intenté mucho, mucho,

nunca logré persuadirlos para tener uno.

Pero esto está cambiando, y rápido.

Actualmente, los sistemas de refrigeración
representan colectivamente el 17 %

de la electricidad que usamos
en todo el mundo.

Incluye todo,
desde los aires acondicionados

como el que deseaba desesperadamente
durante mis vacaciones de verano,

a sistemas de refrigeración que mantienen
nuestra comida segura y fría

en nuestros supermercados,

a sistemas industriales que mantienen
operativos nuestros centros de datos.

En conjunto, estos sistemas
representan el 8 %

de las emisiones globales
de gases de efecto invernadero.

Pero lo que me despierta en la noche

es que la energía para la refrigeración
podría multiplicarse por 6 para el 2050,

impulsado principalmente por el aumento
del uso en países asiáticos y africanos.

Lo he visto de primera mano.

Casi todos los apartamentos en
y alrededor de la casa de mi abuela

ahora tiene un acondicionador de aire.

Y eso es, enfáticamente, algo bueno

para la salud, el bienestar
y la productividad

de personas que viven
en climas más cálidos.

Sin embargo, una de las cosas más
alarmantes sobre el cambio climático

es que cuanto más cálido
se pone nuestro planeta,

más necesitemos sistemas de enfriamiento,

sistemas que son en sí mismos grandes
emisores de gases de efecto invernadero.

Esto podría causar
un ciclo de retroalimentación,

en el que los sistemas de enfriamiento

podrían convertirse en una
de nuestras mayores fuentes

de gases de efecto invernadero a futuro.

En el peor caso, es posible que

necesitemos más de 10 billones
de kilovatios-hora de electricidad/año,

solo para enfriamiento, para el año 2100.

Eso es la mitad de nuestro
suministro de electricidad hoy.

Solo para enfriamiento.

Pero esto también nos señala
una oportunidad increíble.

Una mejora del 10 o 20 % en eficiencia
de cada sistema de enfriamiento

podría tener un impacto enorme en las
emisiones de gases de efecto invernadero,

tanto ya como más tarde este siglo.

Y podría ayudarnos a evitar ese ciclo de
retroalimentación en el peor de los casos.

Soy un científico que piensa mucho
en la luz y el calor.

En particular, cómo los nuevos materiales
nos permiten alterar el flujo

de estos elementos básicos
de la naturaleza

de una forma que alguna vez
podríamos haber pensado imposible.

Aunque siempre entendí
el valor de la refrigeración

durante mis vacaciones de verano,

de hecho, terminé trabajando
en este problema

debido a un acertijo intelectual
que encontré hace unos seis años.

¿Cómo pudieron los pueblos antiguos
hacer hielo en climas desérticos?

Esta es una imagen de una casa de hielo,

también llamada Yakhchal,
ubicada en el suroeste de Irán.

Hay ruinas de docenas de
tales estructuras en todo Irán,

con evidencia de edificios similares
en todo el resto del Medio Oriente

y todo el camino a China.

Las personas que operaron esta
casa de hielo hace muchos siglos,

vertían agua en el estanque
que ven a la izquierda

en las primeras horas de la tarde,
cuando se pone el sol.

Y luego sucedía algo asombroso.

Aunque la temperatura del aire
estuviera sobre del punto de congelación,

es decir 5 º C o 41 º Fahrenheit,

el agua se congelaba.

El hielo generado se recolectaba
a primera hora de la mañana

y se almacenaba para su uso
en el edificio que ven a la derecha,

todos los meses de verano.

Probablemente hayan visto algo
muy similar actuando

si han notado que se forma
escarcha en una noche clara,

incluso si la temperatura está
muy por encima del punto de congelación.

Pero esperen.

¿Cómo se congela el agua si la temperatura
está sobre el punto de congelación?

La evaporación podría tener un efecto,

pero no es suficiente para hacer
que el agua se convierta en hielo.

Algo más debe haberla enfriado.

Piensen en un pastel
enfriándose en una ventana.

Para que se enfríe, su calor necesita
fluir a algún lugar más fresco.

Es decir, al aire que lo rodea.

Por inverosímil que parezca,

en ese estanque, su calor
está fluyendo al frío del espacio.

¿Cómo es esto posible?

Ese estanque, como la mayoría
de los materiales naturales,

envía su calor como luz.

Este es un concepto conocido
como radiación térmica.

De hecho, todos estamos enviando nuestro
calor como luz infrarroja en este momento,

el uno al otro y nuestro entorno.

Podemos visualizar esto
con cámaras térmicas

y las imágenes que producen,
como las que les muestro ahora.

Entonces ese estanque
está enviando su calor

hacia arriba hacia la atmósfera.

La atmósfera y las moléculas en ella

absorben algo de ese calor y lo devuelven.

Ese es realmente el efecto invernadero
que es responsable del cambio climático.

Pero aquí está lo crítico para comprender.

Nuestra atmósfera
no absorbe todo ese calor.

Si lo hiciera, estaríamos
en un planeta mucho más cálido.

En ciertas longitudes de onda,

en particular entre 8 y 13 micras,

nuestra atmósfera tiene lo que se conoce
como una ventana de transmisión.

Esta ventana permite que parte del calor
que sube como luz infrarroja

escape de manera efectiva,
eliminando el calor de ese estanque.

Y puede escapar a un lugar
que es mucho, mucho más frío.

El frío de esta atmósfera superior

y todo el camino al espacio exterior,

que puede ser tan frío
como -270 º C,

o -454 º Fahrenheit.

Así, este estanque
pueda enviar más calor al cielo

de lo que el cielo le devuelve.

A causa de eso,

el estanque se enfriará por debajo de
la temperatura de su entorno.

Este es un efecto conocido como
enfriamiento nocturno

o enfriamiento radiativo.

Y siempre ha sido entendido por
los climatólogos y los meteorólogos

como un fenómeno natural muy importante.

Cuando me encontré con esto,

hacia el final de mi
doctorado en Stanford,

me sorprendió su aparente simplicidad
como método de enfriamiento;

realmente me desconcertó.

¿Por qué no estamos haciendo uso de esto?

Científicos e ingenieros
habían investigado esta idea

décadas anteriores,

pero resultó haber al menos
un gran problema.

Se llamaba enfriamiento nocturno
por una razón.

¿Por qué?

Bueno, es algo pequeño llamado "sol".

Para que la superficie que se enfríe,

necesita poder mirar al cielo

Y durante la mitad del día,

es cuando es posible que
más deseemos algo frío,

desafortunadamente, eso significa
que mirarás al sol.

Y el sol calienta la mayoría de materiales

lo suficiente para contrarrestar
por completo este efecto de enfriamiento.

Mis colegas y yo pasamos mucho tiempo

pensando en cómo estructurar materiales

en escalas de longitud muy pequeña

de modo que puedan hacer
cosas nuevas y útiles con la luz...

escalas de longitud más pequeñas
que la longitud de onda de la luz.

Usando ideas de este campo,

conocida como investigación de
nanofotónica o metamateriales,

nos dimos cuenta de que
podría haber una manera

de hacer esto posible
durante el día por primera vez.

Para hacer esto,
diseñé un material óptico multicapa

que les muestro aquí en una
imagen de microscopio.

Es más de 40 veces más delgado
que un cabello humano típico.

Y es capaz de hacer
dos cosas al mismo tiempo.

Primero, envía su calor

precisamente donde nuestra
atmósfera permite escapar el calor mejor.

Orientamos la ventana al espacio.

Lo segundo que hace es evitar
que el sol lo caliente.

Es un muy buen espejo
para la luz del sol.

La primera vez que la probé
fue en la azotea en Stanford

que les estoy mostrando aquí.

Dejé el dispositivo un tiempo,

y caminé hacia él
después de unos minutos,

y en segundos,
supe que estaba funcionando.

¿Cómo?

Lo toqué y se sintió frío.

(Aplausos)

Solo para enfatizar cuán raro
y contradictorio es esto:

este material y otros similares

se enfriarán cuando
los saquemos de la sombra,

a pesar de que el sol brille sobre él.

Les muestro datos aquí
de nuestro primer experimento,

en que ese material se mantuvo
más de 5 º C,

o 9 º Fahrenheit, más frío
que la temperatura del aire,

a pesar de que el sol brillaba
directamente sobre él.

El método de fabricación que usamos
para hacer este material

ya existe a grandes escalas de volumen.

Estaba muy emocionado,

porque no solo hacemos algo genial,

sino que podríamos tener la oportunidad
de hacer algo real y hacerlo útil.

Eso me lleva a la siguiente gran pregunta.

¿Cómo se ahorra energía con esta idea?

Creemos que la forma más directa
de ahorrar energía con esta tecnología

es como un impulso de eficiencia

a los sistemas actuales de
aire acondicionado y refrigeración.

Para hacerlo, construimos
paneles de enfriamiento,

como los que se muestran aquí.

Tienen una forma similar
a calentadores de agua solares,

excepto que hacen lo contrario:
enfrían el agua, pasivamente,

usando nuestro material especializado.

Estos paneles pueden integrarse
con un componente

de casi todos los sistemas
de enfriamiento, llamado condensador,

para mejorar la eficiencia
subyacente del sistema.

Nuestro emprendimiento, SkyCool Systems,

completó recientemente una prueba de
campo en Davis, California, que muestro.

En esa demostración,

mostramos que en realidad
podríamos mejorar la eficiencia

de ese sistema de enfriamiento
hasta un 12 % en campo.

Para el próximo año o dos,

estoy muy emocionado de que esto tenga
sus primeros pilotos a escala comercial

tanto en el espacio de aire acondicionado
como en el de refrigeración.

En el futuro, podríamos ser capaces
de integrar este tipo de paneles

con sistemas de enfriamiento
de edificios de mayor eficiencia

para reducir su consumo
de energía en dos tercios.

Y eventualmente, podríamos construir
un sistema de enfriamiento

que no requiriera consumo
de electricidad en absoluto.

Como primer paso hacia eso,

mis colegas en Stanford y yo

hemos demostrado que se podría mantener

algo más de 42 º C
por debajo de la temperatura del aire

con mejor ingeniería.

Gracias.

(Aplausos)

Imaginen eso...

algo que está bajo cero
en un caluroso día de verano.

Aunque estoy muy entusiasmado con todo
lo que podemos hacer para refrescarnos,

y creo que aún queda mucho por hacer,

como científico, también me atrae
una oportunidad más profunda

que creo que este trabajo destaca.

Podemos usar la fría oscuridad del espacio

para mejorar la eficiencia

de cada proceso relacionado
con la energía aquí en la Tierra.

Uno de esos procesos que me gustaría
destacar son las células solares.

Se calientan bajo el sol

y se vuelven menos eficientes
cuanto más calientes están.

En 2015 demostramos que
con clases deliberadas de microestructuras

encima de una célula solar,

podríamos aprovechar mejor
este efecto de enfriamiento

para mantener una célula solar
pasivamente a una temperatura más baja.

Esto permite que la célula funcione
de manera más eficiente.

Estamos investigando aún más
este tipo de oportunidades.

Nos preguntamos si podemos
usar el frío del espacio

para ayudarnos
con la conservación del agua.

O tal vez con escenarios fuera de la caja.

Quizás podríamos generar energía
directamente con este frío.

Hay una gran diferencia de temperatura
entre nosotros en la Tierra

y el frío del espacio.

Esa diferencia, al menos conceptualmente,

podría usarse para mover
algo llamado un motor de calor

para generar electricidad.

¿Podríamos hacer un dispositivo
de generación de energía nocturno

que generara cantidades
útiles de electricidad

cuando las celdas solares no funcionan?

¿Podríamos generar luz desde la oscuridad?

Es fundamental para esta capacidad
poder administrar

la radiación térmica
que está a nuestro alrededor.

Estamos constantemente bañados
en luz infrarroja;

si pudiéramos someterla
a nuestra voluntad,

podríamos cambiar profundamente
los flujos de calor y energía

que impregnan
nuestro entorno todos los días.

Esta habilidad, junto con
la fría oscuridad del espacio,

nos señala un futuro en el que nosotros,
como civilización,

podríamos administrar nuestra huella de
energía térmica de más inteligentemente

en las escalas más grandes.

Para enfrentar el cambio climático,

creo que esta habilidad
en nuestro kit de herramientas

demostrará ser esencial.

Entonces, la próxima vez
que estén caminando afuera,

sí, maravíllense de cómo el sol es
esencial para la vida misma en la Tierra,

pero no olviden que el resto del cielo
también tiene algo que ofrecernos.

Gracias.

(Aplausos)