چطور می‌توانیم از سرمای فضا به عنوان منبع انرژی تجدیدپذیر استفاده کنیم

چه می‌شد اگر می‌توانستیم از سرمای تاریک فضا برای سرمایش ساختمان‌هایمان استفاده کنیم؟ دراین برنامه حیرت‌انگیز، دانشمند فیزیکدان، آسواف رامان جزییاتی از توسعه تکنولوژی که از «سرمایش تشعشی شبانه» بهره‌برداری می‌کند -- پدیده ‌ای طبیعی که نور مادون‌قرمز از جو زمین خارج می‌شود و وارد فضا می‌شود و گرمای خود را با خود خارج می‌کند -- که می‌تواند به‌طور بسزایی، انرژی مورد استفاده برای سیستم‌های سرمایشی‌مان را کاهش دهد. می‌توانید با دیدن این برنامه از این که با کمک این راهکار، چه طور می‌توانیم هوشمندانه، درک عمیق‌تری از جریان انرژی جهان داشته باشیم آشنا شوید.

وقتی بچه بودم هر تابستان،

از خانهمان در کانادا،
برای دیدن پدر و مادر بزرگم،

به سمت بمبئی در هند پرواز می کردم.

تابستان های کانادا در بهترین شرایط،
نسبتا معتدل هست

حدود ۲۲ درجه سلسیوس
یا ۷۲ درجه فارانهایت

دمای یک روز تابستانی معمول
و نه چندان گرم است.

بمبئی در عوض،
گرم و مرطوب است،

۳۰ درجه سلسیوس
یا ۹۰ درجه فارنهایت

تا میرسیدم آن جا، میپرسیدم،

«چه طور میشود کسی در این هوا
زندگی و کار کند یا بخوابد؟»

برای این که شرایط برتر شود، پدربزرگ
و مادربزرگم دستگاه تهویه مطبوع نداشتند

و حتی وقتی که خیلی تلاش میکردم،

هیچ وقت نمیتوانستم آنها را
راضی کنم که یکی بخرند.

ولی امروزه اوضاع به سرعت در حال تغییر است.

سیستم های سرمایشی به طور کلی ۱۷ درصد

مصرف برق را در دنیا
به خود اختصاص داده اند.

که همه چیز را شامل میشود،
از دستگاه تهویه مطبوع گرفته

که چه عاجزانه
در تعطیلات تابستان میخواستم،

تا یخچالها، که غذا را برایمان در مغازه

تازه و خنک نگه میدارند.

تا در مقیاس سیستم های صنعتی، که
سرورهای اطلاعاتی ما را سرپا نگه میدارند.

به طور کلی، همه این سیستمها روی هم ۸ درصد

گازهای گلخانه را منتشر میکنند.

ولی چیزی که باعث میشود شبها بیدار بمانم

این است که مصرف انرژی سرمایشی، ممکن است
تا سال ۲۰۵۰ تا ۶ برابر افزایش بیابد،

بیشتر به خاطر افزایش استفاده آن
در کشورهای آسیایی و آفریقایی.

که به نظرم موضوع قابل توجهی است.

تقریبا همه آپارتمانهای
اطراف خانه مادر بزرگم،

در حال حاضر تهویه مطبوع دارند.

و این به ناچار، نکته مثبتی است

برای سلامتی، راحتی و بهرهوری بهتر مردمی

که در اقلیمهای گرمتر زندگی میکنند.

البته یکی از زنگخطرهای تغییرات اقلیمی

این است که هرچه زمین گرمتر شود،

بیشتر به وسایل سرمایشی،
نیاز پیدا خواهیم کرد --

دستگاههای که خود تولید کنندگان بزرگ
گازهای گلخانهای محسوب میشوند.

این خود میتواند باعث ایجاد
یک چرخه بازخوردی شود،

که سیستمهای سرمایشی به تنهایی

میتوانند یکی از منابع بزرگ تولید
گازهای گلخانهای

در قرن حاضر شوند.

در بد ترین حالت،

شاید بیش از ۱۰ تریلیون کیلووات ساعت در سال

فقط برای سرمایش، تا سال ۲۱۰۰
به الکتریسیته نیاز داشته باشیم.

که نصف، برق مورد استفاده فعلی است،

که فقط برای سرمایش استفاده شود.

ولی این خودش میتواند
فرصت بینظیری ایجاد کند.

۱۰ تا ۲۰ درصد افزایش بازده
در دستگاههای سرمایشی معمول

میتواند تاثیر بسزایی
در کاهش انتشار گازهای گلخانهای

چه امروز چه در قرن پیش رو داشته باشد.

که میتواند چرخه بازگشت را،
در آن بدترین حالت، تعدیل کند.

من یک دانشمند هستم که بسیار در زمینه
نور و گرما فکر می کنم.

مشخصا این که مواد جدید
چه طور این اجازه را به ما میدهند

که جریان این عناصر
پایه طبیعت را تغییر دهیم

به روشی که زمانی
به نظرمان غیر ممکن میآمد.

با وجود این که همیشه
ارزش سرمایش را میدانستم،

طی تعطیلات تابستانم،

وقتی داشتم روی موضوعی
کار میکردم واقعا گیج شدم

مسئله عجیبی که
حدود ۶ سال پیش به آن برخوردم.

این که چه طور مردم باستان میتوانستند
در آبوهوای کویری یخ درست کنند؟

این تصویری از یک یخدان است

که به آن یخچال نیز میگویند
و در جنوب غرب ایران واقع شده است.

از این سازههای تخریب شده
در ایران بسیار زیاد هست

و شواهدی بر وجود ساختمانهایی
مشابه در آسیای میانه،

و حتی در چین وجود دارد.

مردمی که این یخدانها را،
قرنها پیش ابداع کردند

آب را در این حوضها،

در ساعات اولیه روز
در زمان طلوع خورشید میریختند.

و بعد، اتفاقی جالب می افتاد.

حتی، اگر چه ممکن بود،
دمای هوا بالای صفر درجه باشد،

مثلا ۵ درجه سلسیوس
یا ۴۱ درجه فارنهایت،

آب یخ میبست.

یخ تولید شده بعدا
در ساعات اولیه صبح جمع آوری

و در ساختمانی که
در سمت راست میبینید،

طی کل ماههای تابستان، انباشته میشد.

فکر کنم عملکری
بسیار شبیه به این را دیدهاید.

اگر تا به حال تشکیل شدن شبنم یخزده
در یک شب صاف دقت کرده باشید،

حتی وقتی که دمای هوا بالای
نقطه انجماد باشد،این اتفاق میافتد.

ولی صبر کنید.

چه طور آب در دمایی بالاتر
از دمای انجماد یخ ببندد؟

تبخیر میتواند بسیار تاثیرگذار باشد،

ولی این به تنهایی
برای این که آب یخ بزند کافی نیست.

چیز دیگری باید آن را خنک تر کرده باشد.

کیکی را تصور کنید
که لبه پنجره در حال خنک شدن است.

برای این که بتواند سرد شود باید بتواند
گرمای خود را به جایی خنکتر منتقل کند.

مثلا، هوایی که آن را احاطه کرده.

آن طور که غیر ممکن به نظر میرسد،

گرمای آن استخر آب باید
به فضا منتقل شود.

چه طور ممکن است؟

خب، آن حوض آب
مانند خیلی از مواد طبیعی

گرمای خود را به صورت نور متصاعد میکند.

این مفهومی شناخته شده
به نام تشعشع حرارتی است.

در واقع، هم اکنون، ما گرمای خود را
به صورت نور فروسرخ،

به یکدیگر و اطرافمان منتشر میکنیم.

میتوانیم حرارت را با،
دوربینهای حرارتی آشکار کنیم

و تصویری که تولید میکند مانند
تصویری است که در حال حاضر نشان میدهم

پس حوض آب دارد گرمای خود را

به سمت اتمسفر میفرستد.

اتمسفر و مولوکولهای تشکیل دهنده آن

مقداری از آن گرما را جذب
و بقیه را بازتاب می کنند.

که درواقع همان اثر گلخانهای است
که دلیل تغییر اقلیم شده.

نکته اصلی که باید درک کنیم این است که

اتمسفر ما تمام گرما را جذب نمیکند.

اگر این طور بود، کره زمین خیلی
از چیزی که هست گرمتر میشد.

در واقع، در طول موجهای مشخص،

بین ۸ تا ۱۳ میکرون،

اتمسفر ما دارای قابلیتی
به نام پنجره انتقال است.

این پنجره اجازه میدهد که قسمتی از حرارت
که به صورت نور فروسرخ بالا میرود،

به صورت قابل توجهی از
جو خارج شود و حرارت حوض را

به فضایی بسیار خنکتر منتقل کند.

سرمای لایه فوقانی اتمسفر،

تا فضای بیرون از جو،

که میتواند تا ۲۷۰- درجه سلسیوس سرد باشد

یا ۴۵۴- درجه فارنهایت.

پس آن حوض آب میتواند مقدار
گرمای بیشتری را به آسمان انتقال دهد

تا مقداری که بخواهد از آسمان جذب کند.

و به این خاطر،

حوضچه پایینتراز دمای محیطش خنک میشود.

دلیلش پدیدهای به نام سرمایش شبانه

یا سرمایش تابشی است.

که همیشه برای اقلیمشناسان و هواشناسان

پدیده مهمی در طبیعت به شمار میرود.

وقتی به این نتایج رسیدم،

در مرحله نهایی مقطع دکترا
در استنفورد بودم.

بسیار از ساز و کار ساده ولی درعین حال
پیچیده آن به عنوان راهکار خنک کننده

به وجد آمده بودم،

پس چرا ما از آن استفاده نمیکنیم؟

دانشمندان و مهندسان
جوانب این ایده را،

در دهههای پیش بررسی کردهاند.

ولی انگار حداقل یک مشکل اساسی وجود داشت.

پدیدهای به نام سرمایش شبانه
بیدلیل نامگذاری نشده.

چرا؟

فقط به خاطر یک چیز کوچک،
به نام حورشید.

پس سطحی که
کار سرد کردن را برعهده دارد،

باید به سمت آسمان باشد.

طی اواسط روز،

که ممکن است بیش از پیش
به چیز خنکی نیاز پیدا کنیم

بدبختانه خورشید به ما
چنین اجازهای نمیدهد.

خورشید دمای بیشتر
مواد را افزایش میدهد

به طوری که اثر سرمایش شبانه را
خنثی و بیاثر میکند.

من و همکارانم زمان زیادی را صرف کردهایم،

که چه طور میتوانیم موادی بسازیم که

در مقیاسهای بسیار کوچک

که بتوانند کارهای جدید و
به درد بخوری با نور خورشید انجام بدهند.

ابعادی کوچکتر از طول موج نور،

با فهمی که در زمینه

نانو فوتونیک یا متامتریالها
به دست آوردیم،

متوجه شدیدم که ممکن است راهی برای این که
در طول روز سرمایش اتفاق بیفتد باشد.

برای اولین بار.

برای این کار من یک ماده نوری
چند لایه طراحی کردم

- در این تصویر میکروسکوپی
به نمایش گذاشته شده-

که ۴۰ برابر نازکتر
از یک تار موی انسان است.

که میتواند دو کار را
بهطور همزمان انجام بدهد.

اولا گرما را به بیرون انتقال میدهد

مشخصا اگر حرارت را جایی خارج از
اتمسفر رها کند برای ما بهتراست.

هدف ما پنجره انتقال بود.

دومین کاری که میکند این است که
توسط خورشید گرمتر نمیشود.

آیینه خوبی در مقابل نور خورشید است.

اولین باری که آن را آزمایش کردم
روی پشت بام استنفورد بود

که در اینجا میبیند.

دستگاه را مدت زمانی بیرون گذاشتم،

بعد از چند دقیقه به سراغش رفتم،

بعد از چند لحظه متوجه شدم که کار میکند.

چه طور فهمیدم؟

به آن دست زدم و حس کردم سرد است.

(تشویق)

فقط برای تاکید برعملکرد عجیب
وغیر معمول این مواد باید بگویم:

این ماده و مواد شبیه به آن،

وقتی آنها را از زیر سایه
بردارند خنکتر میشوند.

با وجود اینکه خورشید بر آن میتابد.

من دارم به شما از اولین
آزمایشمان، دادههایی نشان میدهم.

که دمای ماده ۵ درجه سلسیوس

یا ۹ درجه فارنهایت
سردتر از دمای هوا ثابت میماند.

حتی وقتی آفتاب به صورت مستقیم
بر آن میتابد.

شیوه ساختی که برای این ماده استفاده کردیم،

در حال حاضر در مقیاس وسیع وجود دارد.

خیلی هیجانزده بودم،

به این خاطر که نه تنها
میتوانیم چیزی را خنک کنیم،

بلکه ممکن است این امکان باشد که بتوانیم
از آن به صورت کاربردی استفاده کنیم.

که برای من سوال اصلی دوم را ایجاد میکرد.

واقعا چه طور میتوان با این
مصالح در انرژی صرفهجویی کرد؟

ما اعتقاد داریم مشخصترین راه برای
استفاده از این فناوری در صرفهجویی انرژی

بهینه کردن

سیستمهای تهویه مطبوع و یخچالهاست.

به این منظور صفحههای خنک کننده

مانند این که میبینید ساختیم.

این صفحهها شکلی شبیه به
آبگرمکنهای خورشیدی دارند،

منتها برعکس عمل میکنند،
به صورت منفعلانه آب را خنک میکنند،

با استفاده از مواد خاصی که ما ساختهایم.

این پنل ها میتوانند
با اجزای دیگر ترکیب شود

تقریبا هر دستگاه خنک کنندهای
قسمتی به نام کندانسور دارد.

برای این که بتواند
بازده سیستم را افزایش دهد.

استارت آپ ما، به نام سیستم خنکای آسمان،

آزمایشی را اخیرا،
در دیویس کالیفرنیا انجام داده.

در آن آزمایش

ما ثابت کردهایم که میتوانیم
بهرهوری سیستم خنککننده را

تا ۱۲ درصد افزایش بدهیم.

طی یکی دو سال آینده،

من خیلی مشتاقم که اولین
خروجی را در مقیاس بازار ببینم.

در زمینه تهویه مطبوع و هم یخچال.

در آینده ممکن است،
بتوانیم این نوع پنلها را با

سیستم های سرمایشی با بازدهی بالا
در ساختمانها ترکیب کنیم،

تا بتوانیم مصرف انرژی را
تا دو سوم کاهش بدهیم.

و در نهایت ممکن است بتوانیم
یک سیستم سرمایشی بسازیم

که اصلا به برق نیاز نداشته باشد.

به عنوان اولین قدم،

من و همکارانم در استنفورد

نشان دادهایم که میتوانیم،

چیزی بیشتر از ۴۲ درجه سلسیوس
پایینتر از دمای هوا،

با مهندسی کاراتر ایجاد کرد.

ممنونم.

(تشویق)

پس تصور کنید،

چیزی که دمایش در یک روز
گرم تابستانی زیر نقطه انجماد باشد،

همچنان که من از کارهایی که میتوانیم،
برای تولید سرما انجام دهیم هیجانزدهام،

به نظرم کارهای زیادی هست
که میتوان انجام داد،

به عنوان یک دانشمند،
به یک قابلیت کلیتر توجه دارم

که به نظرم کار ما به آن اهمیت میدهد.

میتوانیم از سرمای این فضای تاریک،

برای بالا بردن بازده

هر چیزی که بر روی زمین
به انرژی مربوط است، استفاده کنیم.

یکی از موضوعات،که مایلم به آن اشاره کنم،
سلولهای خورشیدی هستند.

آنها زیر آفتاب گرم میشوند

و هر چه گرمتر میشوند
راندمانشان پایینتر میآید.

در ۲۰۱۵ ما نشان دادیم
با میکروساختارهای مشخصی

که روی سلولها پیادهسازی شدهاند،

میتوانم نتیجه بهتری
با تاثیر سرمایشی آنها بگیریم

که میتواند به صورت ایستا سلولهای
خورشیدی را، در دمای پایین تری نگه دارد.

و به سلول ها این امکان را میدهد
که بهترعمل کند.

ما داریم امکان استفاده از
این قابلیت را بررسی میکنیم.

از خودمان میپرسیم که
آیا سرمای فضا میتواند،

ما را در مدیریت آب کمک کند.

یا با روشهای که به برق نیاز نداشته باشیم.

شاید اصلا بتوانبم بهطور مستقیم
از این سرما برق تولید کنیم.

یک تفاوت دمایی بزرگی بین ما و

سرمای فضا وجود دارد.

این تفاوت، حداقل درحد نظریه

میتواند چیزی به نام
موتور حرارتی ایجاد کند

که برق تولید کند.

آیا میتوانیم یک ژنراتور شبانه درست کنیم،

که بتواند مقادیری برق تولید کند

زمانی که سلول های خورشیدی کار نمیکنند؟

آیا میتوانیم از تاریکی، نور تولید کنیم؟

برای دستیابی به این قابلیت باید بتوانیم،

تابش حرارتی که اطرافمان هست
را مدیریت کنیم.

ما همواره با نور فروسرخ شسته میشویم؛

اگر میتوانستیم از آن در
راستای نیازمان استفاده کنیم،

ممکن است به طور چشمگیری
جریان انرژی و حرارت را

که روزانه در اطراف ما وجود دارد عوض کنیم.

این قابلیت همراه سرمای تاریک فضا،

آیندهای را نشان میدهد،
که ما به عنوان یک تمدن

ممکن است بتوانیم رد پای انرژی حرارتی
خود را هوشمندانهتر مدیریت کنیم

در بزرگترین مقیاسها.

در راستای مقابله ما با تغییرات اقلیمی،

من باور دارم که استفاده از این قابلیت،

ثابت شده که ضروری است.

پس دفعه بعد که بیرون چرخی میزنید،

بله، از این که وجود خورشید برای حیات زمین
چه قدر ضرروری است به وجد بیایید،

فقط فراموش نکنید بقیه آسمان
هم چیزی برای گفتن دارد.

ممنونم.

(تشویق)