宇宙の「冷たさ」を再生可能な資源に変えるには

宇宙の冷たい闇を地球上のビルの冷却に利用できたらどうでしょうか？この刺激的なトークでは物理学者アースワス・ラマンが夜間の放射冷却、すなわち赤外線が地表から宇宙に逃げ、熱を奪う自然現象を利用するために開発中の技術を詳述します。放射冷却は冷却システムのエネルギーの消費量を劇的に削減できるかもしれません。このアプローチによって、私たちが宇宙のエネルギーを賢明に利用する未来にどう近づけるかを学びましょう。

子供のころ毎年夏になると

カナダの家から祖父母のいる

インドのムンバイに旅行しました

カナダの夏は気温が上がっても
穏やかという程度です

気温は摂氏22度
華氏なら72度くらいが

一般的な夏の気温で
さほど暑くありません

ところがムンバイは暑く多湿で

摂氏30度 華氏なら90度にもなります

ムンバイに到着するとすぐに

「どうしたらこんな気候で生活し 働き
寝ることができるの？」と尋ねました

更に悪い事には祖父母は
エアコンを持っていませんでした

かなり頑張ってはみましたが

エアコンを買うよう
説得するのは無理でした

でも そんな状況は
急速に変わりつつあります

冷却系で使われる電力は
世界の全電力使用の

17パーセントにも上ります

この数字は
私が夏休みに

喉から手が出るほど
欲しかったエアコンも

食料を安全に冷たく保存できる
スーパーマーケットの冷蔵システムも

含んでいますし

データセンターが稼働するための
工業的な規模のシステムも含みます

冷却システム全体で
世界の温室効果ガス発生量の

８パーセントを占めます

しかし私を悩ませるのは

冷却に利用されるエネルギーは
2050年までに６倍に膨らみ

アジアやアフリカの国々での利用拡大により
激増する可能性があります

私はこの目で見てきました

祖母の家の周りでも
ほとんどのアパートで

今はエアコンがあります

これは 高温の環境で暮らす
人々にとって

健康や生活条件や
生産性といった点では

とても良いことです

ただ 気候変動に関わって
憂慮すべきなのは

地球が暖まるにつれて

どんどん冷却システムが
必要になる上に

そのシステム自体が温室効果ガスの
巨大な発生源となるのです

こうして悪循環に陥るかもしれません

冷却システムだけでも

21世紀の後半には
温室効果ガスの最大の発生源となる

可能性があるのです

最悪のケースでは

2100年までに
毎年10兆キロワット時を超える電力が

冷却のために必要になるかもしれません

この数字は現在の電力供給量の
半分に当たります

冷却だけでです

しかし同時に これは私たちに
チャンスを与えてくれます

全冷却システムの効率が
１〜２割向上するだけで

温室効果ガスの発生量に
大きな影響を与えられるかもしれません

今でも そしてこの先でも

ひどい悪循環を避けるのに
役立つかもしれません

私は光や熱を研究する科学者です

特に新しい材料が
それまでは不可能と考えられていた方法で

自然の基本的要素の流れを
改変できるか研究しています

夏休みの経験から

冷却の価値を理解しつつ

この問題に取り組み始めたのは

６年前に遭遇した
知的難問がきっかけです

古代の人々が砂漠の気候で
どのように氷を作れたのか？

この画像は氷の部屋

ヤクチャルと言われるもので
イランの南西にあるものです

このような建物はイラン中に数十とあり

同じような建物が 他の中東の国々や
中国に至るまで存在することが

確認されています

何世紀も前に このような
氷の部屋を利用していた人々は

左手に見えるような水槽に

日没後の夕刻の早い時間に
水を注ぎました

すると不思議なことが起きるのです

気温は氷点下になっていなくても

例えば摂氏５度
華氏41度くらいで

水が凍るのです

生成された氷は早朝に回収され

右手に見える建物に保存しました

夏の期間中もずっとです

同じような光景を
目にしたことがあるかもしれません

良く晴れた夜に
気温が氷点よりずっと高くても

霜が降りているのに
気づいたことがあるでしょう

でも待ってください

どうして気温が氷点を上回るのに
水が凍るのでしょうか？

蒸発の影響もあるかもしれませんが
水が凍るほどではありません

別の何かが冷却したに違いありません

パイを窓枠に置いて
冷やすことを考えてください

パイを冷ますには 温度の低い方に
熱を逃す必要があります

つまり周囲の空気にです

信じがたく聞こえますが

熱は水槽の水から
冷たい宇宙へと流れるのです

どのようにして起こるのか？

多くの自然の物体と同じように
水槽の水は

熱を光として放出します

熱放射の概念として知られています

この瞬間にも私たちは誰でも
熱を赤外線として

周囲に放出しています

熱線カメラで可視化することができますが

そのイメージは
今見て頂いている様な画像です

水槽の水は熱を大気に

放出します

大気と大気中の分子は

熱の一部を吸収し再度放出します

これこそが気候変動の原因となる
温室効果です

ここが理解すべき重要な部分です

大気は熱をすべて吸収することはありません

もしそうなるなら
地球はもっと温暖な惑星になったはずです

ある波長—

具体的には8〜13ミクロンの波長が

大気の伝送窓として知られています

この大気の伝送窓は 赤外線としての熱を
効果的に大気の外側に逃がし

水槽の熱を運び出すことを可能にします

熱は遥かに冷たい場所へと
逃げていくのです

大気上部の冷たい所へと

更に遠い宇宙へと

そこは 摂氏マイナス270度
あるいは

華氏マイナス454度にもなります

水槽の水は空から輻射される熱より

さらに多くの熱を空に放出します

そのため

水槽は周囲の温度より低くなるのです

この効果は夜間冷却
あるいは 放射冷却として

知られています

気候学者と気象学者には
とても重要な自然現象として

知られてきました

この事実を知ったのは

スタンフォードの博士課程を
終える頃でした

この冷却方法としての
明らかな単純さに

とても驚きました

この手法をぜひ使おう！

現在 科学者や技術者が
10年近くこのアイデアについて

研究しています

ところが ひとつ
大きな問題があります

「夜間」冷却と呼ばれるのには
理由があります

なぜか？

それは太陽のせいです

冷却する表面は

空に向いている必要があります

日中は

一番冷たくなってほしいものが

残念ながら太陽に向いてしまい

太陽はほとんどの物体を加熱し

冷却効果を完全に相殺してしまいます

私は仲間とともに多くの時間を費やし

極小スケールで材料を
作る方法を考えています

光を利用して その材料で
新しい価値あることができるように

そのスケールは光の波長よりも
小さなものです

この分野をナノフォトニクスとか

メタマテリアル研究と呼びますが
ここから発想を得て

史上初めて 日中でも
放射冷却を可能にする方法が

あるかもしれないと気づいたのです

実現のために
多層光材料を設計しました

これは その顕微鏡画像です

厚さは 標準的な髪の毛の太さの
40分の１未満です

２つのことを同時に行うことができます

１つ目は放熱

大気が熱を最も逃がしやすい所に向けてです

放熱先は宇宙にしました

２つ目は太陽による加熱を防止します

太陽光を とてもよく反射します

最初にテストしたのは
スタンフォードの屋上でしたが

ご覧の通りです

このデバイスを少しの間放置して

数分後に近寄りました

数秒もせず機能していることが分かりました

なぜ？

触ったら冷たかったのです

（拍手）

これが どれだけ奇妙で
直観から外れているかというと

この材料やその類似物は

日陰から日向に移して
太陽が射していても

冷たくなるのです

お見せしているのは
最初の実験のデータです

この材料の温度は
気温と比べて摂氏５度以上

あるいは華氏９度以上
低い状態を保ちました

直射日光が当たっていたのにです

私たちが使った素材を
大規模に製造する方法は

すでに存在しています

とてもワクワクしています

なぜならただ冷たくするだけではなく

何かを実現して世に役立つ機会を
得られたかもしれないからです

そのことが次の大きな疑問へと導きます

このアイデアで省エネを
どう実現するか？

この技術でエネルギーを節約する
最も直接的な方法は

現代の空調や冷蔵の

システム効率を増強することであると
信じています

そのために液冷パネルを製作しました

このようなものです

これらのパネルは
太陽熱温水器のような形状ですが

まったく逆の働きをします
エネルギーを使わず水を冷却します

私たちの作った特殊な材料でです

このパネルは ほとんどの
冷却システムが備える

凝縮器という部品と
組み合わせることができ

システムの基本的な効率を向上します

私たちのスタートアップ企業
SkyCool Systemsは

カリフォルニア州デイビスで
実地試験を完了しました

この時のデモでは

冷却システムの効率を12パーセントも

向上できたことを示しました

１年か２年すると

空調と冷蔵システムの双方で
商用規模での試験運用が

開始されることに大変興奮しています

将来 このようなパネルを取り付けることで

ビル空調の冷却システムが高効率となり

エネルギー消費を３分の２
減らせるかもしれません

最終的には電力を全く必要としない

冷却システムを作れるかもしれないのです

それに向かう第１歩として

スタンフォードの同僚と私は

技術を駆使して

気温より摂氏42度以上低い温度に
維持できることを実証しました

ありがとう

（拍手）

夏の暑い日に

何かを氷点下にすることを想像してください

冷却に対して私たちができるすべてに
ワクワクしながら

更にできる事があると考えていて

この研究が指し示す
とても意義深い機会に

科学者として惹かれます

宇宙の冷たい暗黒を
地球上のあらゆる

エネルギー関連工程の
効率向上に使うことができるのです

その一例として取り上げたいのは
太陽電池です

太陽熱で温度が上昇し
それに連れ効率が下がります

2015年には 意図的に微細構造を

太陽電池パネルの表面に装備することで
冷却効果を利用して

エネルギーを使わず 太陽電池のセルを
低温に保てることを実証しました

太陽電池セルがより効率的に稼働できます

私たちはこのような機会を模索しています

私たちは宇宙の冷たさを
水の節約や

独立電源システムに役立てられないか

検討しているところです

宇宙の冷たさから 直接
エネルギーを作れるかもしれないのです

地球表面と冷たい宇宙の間には

温度差が存在します

温度差は 少なくとも理論上

熱機関の原動力として利用でき
電気を発生させられます

そうだとすると
夜間発電機器を作成し

太陽電池が機能しない間の
実用的な量の電力を

作る事ができるのでしょうか？

暗闇から光を作り出せるのでしょうか？

この力の中核になるのは
私たちに身近な

熱放射を管理できるかどうかです

私たちは赤外線に包まれています

もし赤外線を私たちの
思う通りに操れたら

日々 私たちに浸透している
熱とエネルギーの流れを

根底から変えることができるのです

この力は 宇宙の冷たい暗闇とともに

私たちに未来を見せてくれます

私たちが文明として 非常に大規模に
熱エネルギーの消費を

賢明に管理し得る未来です

気候変動と立ち向かう際に

手段の１つとして
この力を持つことが

不可欠だとわかってくるでしょう

この次に外を歩き回るときには

地球の生命にとって太陽が
どれほど大切なものかに驚きつつ

空の他の部分からも恩恵を得られることを
忘れてはいけません

ありがとうございました

（拍手）