De koude van het heelal gebruiken als hernieuwbare energiebron

Wat als we de koude duisternis van de ruimte konden gebruiken om gebouwen op aarde te koelen? In deze verbluffende lezing beschrijft natuurkundige Aaswath Raman de technologie die hij ontwikkelt om 'nachtelijke hemelkoeling' te benutten -- een natuurlijk fenomeen waarbij infraroodlicht aan de aarde ontsnapt en naar de ruimte gaat, daarbij warmte meevoert -- wat de hoeveelheid energie die wordt gebruikt door onze koelsystemen dramatisch kan verminderen. Leer hoe deze benadering ons zou kunnen leiden naar een toekomst waarin we op intelligente wijze gebruik maken van de energie van het universum.

Toen ik opgroeide, vloog ik elke zomer

van mijn thuis in Canada
naar mijn grootouders

in Mumbai, India.

Nu zijn Canadese zomers
in het beste geval vrij mild --

ongeveer 22°C of 72°F

is een typische zomerdag –-
en niet te warm.

Mumbai is daarentegen
een warme en vochtige plaats

met temperaturen boven de 30°C of 90°F.

Zodra ik aankwam, vroeg ik:

"Hoe kan iemand wonen, werken
of slapen in een dergelijke weer?"

En dan hadden mijn grootouders
niet eens een airconditioner.

Hoe ik ook mijn best deed,

ik kon hen nooit overtuigen
om er een aan te schaffen.

Maar dit is aan het veranderen, en snel.

Koelsystemen verbruiken
vandaag gezamenlijk

wereldwijd 17% van alle elektriciteit.

Dit omvat alles: van de airconditioners

die ik zo graag wilde
tijdens mijn zomervakanties,

tot de koelsystemen om ons voedsel
veilig en koud te houden

in onze supermarkten

en de grootschalige systemen die
onze datacenters aan de gang houden.

Samen zijn deze systemen goed voor 8%

van de wereldwijde uitstoot
van broeikasgassen.

Waar ik niet van slaap, is dat tegen 2050

ons energieverbruik voor koeling
zes maal groter zou kunnen worden,

voornamelijk door een intensiever gebruik
in Aziatische en Afrikaanse landen.

Ik heb dit met eigen ogen gezien.

Bijna elk appartement
in de buurt van mijn oma

heeft nu een airconditioner.

En dat is vooral een goede zaak

voor gezondheid, welzijn en productiviteit

van mensen die in warmere klimaten wonen.

Een van de meest verontrustende dingen
over de klimaatwijziging is echter

dat naarmate onze planeet warmer wordt,

we meer koelsystemen
gaan nodig hebben --

systemen die zelf grote
uitstoters van broeikasgassen zijn.

Dat kan een terugkoppeling veroorzaken

waardoor koelsystemen alleen al

een van onze grootste bronnen
van broeikasgassen kunnen worden

later deze eeuw.

In het ergste geval hebben we

wellicht jaarlijks meer dan 10 biljoen
kilowattuur elektriciteit nodig.

Alleen voor koeling, tegen het jaar 2100.

Dat is de helft van onze
elektriciteitsvoorziening vandaag.

Alleen voor koeling.

Maar dit wijst ook op een geweldige kans.

Een 10 of 20% verbetering van
de efficiëntie van elk koelsysteem

kan een enorme impact hebben
op onze uitstoot van broeikasgassen,

zowel vandaag als later deze eeuw.

We zouden die terugkoppelingslus
van het ergste geval kunnen vermijden.

Als wetenschapper denk ik veel na
over licht en warmte.

Vooral over hoe we
met nieuwe materialen

de stroom van deze basiselementen
van de natuur kunnen wijzigen

op manieren die we misschien
ooit onmogelijk achtten.

Ofschoon de waarde van koeling
me al duidelijk was

sinds mijn zomervakanties,

begon ik me met dit probleem
bezig te houden

vanwege een intellectueel raadsel waar
ik ongeveer zes jaar geleden op stuitte.

Hoe konden oude volkeren ijs
maken in een woestijnklimaat?

Dit is een foto van een ijshuis,

of een ‘yakhchal’,
in het zuidwesten van Iran.

Er zijn tientallen ruïnes
van dergelijke structuren in heel Iran,

met sporen van soortgelijke bouwwerken
in de rest van het Midden-Oosten,

helemaal tot in China.

De mensen die vele eeuwen geleden
dit ijshuis in gebruik hadden,

goten water in het bekken
-- dat je daar links ziet --

in de vroege avonduren
bij zonsondergang.

En dan gebeurde er iets verbazends.

Hoewel de temperatuur van de lucht
boven het vriespunt kon zijn,

misschien wel 5°C of 41°F,

bevroor het water toch.

Het gevormde ijs werd dan verzameld
in de vroege ochtenduren

en voor gebruik opgeslagen
in het gebouw daar rechts,

de hele zomer lang.

Je hebt eigenlijk waarschijnlijk
al iets vergelijkbaars gezien

bij rijmvorming na een heldere nacht,

zelfs bij een luchttemperatuur
boven het vriespunt.

Maar wacht.

Hoe kan water bevriezen
boven het vriespunt?

Verdamping kan een rol spelen,

maar dat is niet genoeg om water
tot ijs te laten bevriezen.

Iets anders moet het hebben afgekoeld.

Denk aan een taart
die afkoelt op een vensterbank.

Om af te koelen, moet haar warmte
naar een koelere plaats kunnen stromen.

In dit geval naar de omringende lucht.

Hoe ongeloofwaardig het ook mag klinken,

voor dat bekken met water gaat die warmte
in feite naar de koude van de ruimte.

Hoe kan dat?

Dat bekken water stuurt, zoals
de meeste natuurlijke materialen,

zijn warmte uit als licht.

Dat heet thermische straling.

In feite stralen we allemaal onze warmte
uit als infrarood licht,

naar elkaar en naar onze omgeving.

We kunnen dit met thermische
camera's visualiseren.

Ze produceren beelden
zoals ik jullie nu toon.

Die plas water straalt
zijn warmte de atmosfeer in.

De atmosfeer en de moleculen erin

absorberen een deel van die warmte
en sturen die terug.

Dat is in feite het broeikaseffect,
verantwoordelijk voor de klimaatopwarming.

Maar wat nu komt, is van cruciaal
belang om te begrijpen.

Onze atmosfeer absorbeert
niet al die warmte.

Als dat zo was, zouden we op
een veel warmere planeet leven.

Bij bepaalde golflengten,

vooral tussen 8 en 13 micrometer, heeft

onze atmosfeer een transmissie-venster.

Dit venster laat een deel van de warmte
die opstijgt als infrarood licht

daadwerkelijk ontsnappen, waardoor
de warmte van dat bekken afneemt.

Ze verdwijnt naar
een veel, veel koudere plaats.

In de bovenste atmosfeer,

en in de ruimte al helemaal,

kan het -270°C of -454°F zijn.

Daardoor kan de plas water meer warmte
naar de hemel uitstralen

dan dat de hemel terugstuurt.

En daardoor zal het bekken afkoelen
tot onder de omgevingstemperatuur.

Dit effect staat bekend
als nachthemelkoeling

of stralingskoeling.

Klimaatwetenschappers en
meteorologen kennen het al lang

als een zeer belangrijk
natuurverschijnsel.

Dit kwam ik te weten

tegen het einde van
mijn doctoraat in Stanford.

Ik stond versteld van de schijnbare
eenvoud van deze koelmethode,

maar was ook in verwarring.

Waarom maken wij er geen gebruik van?

Wetenschappers en ingenieurs
hadden dit idee wel onderzocht

in voorgaande decennia.

Maar er bleek ten minste
één groot probleem te zijn.

Er was een reden dat het
nachtelijke koeling heette.

Waarom?

Er is daar dat dingetje
dat we de zon heten.

Om een oppervlak af te koelen,

moet het naar de hemel gericht zijn.

En in de loop van de dag,

wanneer we het meest
naar koude verlangen,

staat daar helaas de zon.

En de zon warmt de meeste materialen

genoeg op om dit koelend effect
volledig teniet te doen.

Mijn collega's en ik
hebben lang nagedacht

over hoe we materialen
kunnen structureren

bij zeer kleine lengteschalen

zodat ze nieuwe en nuttige dingen
met licht kunnen doen --

lengteschalen kleiner dan
de golflengte van het licht zelf.

Met behulp van inzichten op dit gebied,

bekend als nanophotonica
of metamaterialenonderzoek,

beseften we dat er wellicht een manier was

om dit voor het eerst
overdag mogelijk te maken.

Om dit te doen, ontwierp ik
een meerlagig optisch materiaal

hier getoond op een microscoopbeeld.

Het is meer dan 40 keer dunner
dan een typische menselijke haar.

Het kan twee dingen tegelijk doen.

Ten eerste, warmte uitstralen

precies daar waar onze atmosfeer
die warmte het beste doorlaat.

We mikten op het venster naar de ruimte.

Het tweede is dat het niet makkelijk
wordt opgewarmd door de zon.

Het is een zeer goede
spiegel voor zonlicht.

De eerste keer testte ik dit
op een dak in Stanford.

Ik toon het hier.

Ik liet de opstelling een tijdje buiten

en toen ik er na een paar
minuten terug bij kwam,

wist ik gelijk dat het werkte.

Hoe?

Ik raakte het aan en het voelde koud aan.

(Applaus)

Gewoon om te benadrukken
hoe raar en contra-intuïtief dit is:

dit en andere soortgelijke materialen

worden kouder als we
ze uit de schaduw halen,

ook al valt er zonlicht op.

Ik toon jullie gegevens
van ons allereerste experiment,

waar dit materiaal meer dan 5°C of 9°F

kouder bleef dan de luchttemperatuur,

hoewel de zon er direct op scheen.

De productiemethode die we gebruikten
om dit materiaal te maken

bestaat al op grote schaal.

Ik was echt enthousiast,

want niet alleen maken we iets cools,

maar misschien hebben
we wel de mogelijkheid

om er echt iets mee te doen
en er iets bruikbaars van te maken.

Dat brengt me bij de volgende grote vraag:

hoe bespaar je nu energie met dit idee?

We geloven dat de meest directe manier om
energie te besparen met deze technologie

is door de efficiëntie te verhogen

van de huidige airconditioning-
en koelsystemen.

Daarvoor hebben we
vloeistof-koelpanelen gebouwd,

zoals die hier getoond.

Deze panelen zien eruit als zonneboilers,

maar ze doen het tegenovergestelde –-
ze koelen het water passief

door ons gespecialiseerde materiaal.

Deze panelen kunnen dan
samengaan met een component

die je in bijna elke koelsysteem
vindt, de condensor,

om de onderliggende efficiëntie
van het systeem te verbeteren.

Onze start-up, SkyCool Systems,

heeft onlangs een veldproef voltooid
in Davis, Californië, hier afgebeeld.

In deze demonstratie laten we zien

dat we de efficiëntie van dat koelsysteem

met maar liefst 12% kunnen verbeteren.

In de komende paar jaar

kijk ik echt uit naar de eerste
proefprojecten op commerciële schaal

voor zowel airconditioning
als voor koeling.

In de toekomst kunnen we misschien
dit soort panelen integreren

met meer efficiënte
koelsystemen voor gebouwen

om hun energieverbruik
met tweederde te verminderen.

En tenslotte gaan we misschien
een koelsysteem kunnen bouwen

dat helemaal geen
elektriciteit meer vereist.

Als eerste stap in die richting:

mijn collega's van Stanford en ik

hebben aangetoond dat je iets

op ruim 42°C onder de luchttemperatuur
kan houden met een betere techniek.

(Applaus)
Dank je.

Stel je eens voor --

iets onder het vriespunt
op een hete zomerdag.

Terwijl ik erg enthousiast ben over alles
wat we kunnen doen om te koelen,

en ik denk dat er nog
veel te doen overblijft,

ben ik als wetenschapper ook aangetrokken
tot een meer diepgaande kans

waar dit werk volgens mij naar wijst.

We kunnen de koude duisternis
van de ruimte gebruiken

om de efficiëntie te verbeteren

van ieder energie-gerelateerd
proces hier op aarde.

Een voorbeeld van zo'n proces dat ik
graag wil belichten zijn zonnecellen.

Ze warmen op onder de zon

en worden minder efficiënt
naarmate ze warmer zijn.

In 2015 hebben we aangetoond dat we
met aangepaste vormen van microstructuren

bovenop een zonnecel,

beter gebruik kunnen
maken van dit koeleffect,

zodat een zonnecel passief
op een lagere temperatuur blijft.

Hierdoor kan de cel efficiënter werken.

We testen dit soort
mogelijkheden verder uit.

We onderzoeken of we de koude
van de ruimte kunnen gebruiken

voor het beter omgaan met water.

Of misschien met
netonafhankelijke scenario's.

Misschien kunnen we zelfs rechtstreeks
energie opwekken met deze koude.

Er is een groot temperatuurverschil
tussen ons hier op aarde

en de koude van de ruimte.

Dat verschil kan, ten minste in principe,

worden gebruikt om een
warmtemachine aan te drijven

om elektriciteit te genereren.

Kunnen wij dan een nachtelijke
energiecentrale maken

die bruikbare hoeveelheden
elektriciteit genereert

wanneer de zonnecellen niet werken?

Kunnen we licht
maken van duisternis?

Centraal hierin staat dit vermogen

om de warmtestraling overal
om ons heen te beheren.

We baden voortdurend in infrarood licht.

Als we dat aan onze wil
konden onderwerpen,

konden we de stromen
van warmte en energie,

die ons elke dag doordringen,
fundamenteel veranderen.

Deze mogelijkheid, in combinatie
met de koude donkerte van het heelal,

wijst ons naar een toekomst
waarin wij als beschaving

onze thermische energie voetafdruk
intelligenter zouden kunnen beheren

tot zelfs op de allergrootste schalen.

Nu we geconfronteerd worden
met de klimaatverandering,

denk ik dat deze mogelijkheid
in onze gereedschapskist

essentieel zal blijken te zijn.

Als je nog eens buiten rondloopt,

verwonder je dan hoe de zon
essentieel is voor het leven op aarde,

maar vergeet niet dat de rest
van de hemel ons ook iets te bieden heeft.

Dank je.

(Applaus)