Como podemos converter o frio do espaço em um recurso renovável

E se fosse possível usar a fria escuridão do espaço para resfriar as construções na Terra? Nesta palesta surpreendente, o físico Aaswath Raman detalha a tecnologia que ele está desenvolvendo para coletar o "resfriamento radiante noturno", um fenômeno natural em que a luz infravermelha escapa da Terra para o espaço levando consigo o calor. Esse fenômeno poderia reduzir drasticamente a energia utilizada pelos sistemas de resfriamento. Aprenda como essa abordagem poderia nos levar a um futuro onde possamos aproveitar a energia do universo.

Todo verão, durante minha infância,

eu deixava o Canadá
para visitar os meus avós,

que moravam em Mumbai, na Índia.

Os verões canadenses são amenos,
na melhor das hipóteses.

A temperatura de um dia típico de verão
é de 22 °C, não muito quente.

Mas Mumbai é um lugar quente e úmido,
facilmente chegando aos 30 ºC.

Assim que chegava lá, eu pensava:

"Como alguém pode viver, trabalhar
ou dormir com esse tempo?"

Para piorar, meus avós
não tinham ar-condicionado.

Embora eu tentasse o meu melhor,

nunca consegui convencer
os meus avós a comprarem um.

Mas isso está mudando, e depressa.

Os sistemas de resfriamento
representam atualmente 17%

de toda energia elétrica mundial.

Isso inclui desde os ares-condicionados,

que eu tanto queria nas minhas férias,

aos sistemas de resfriamento
que mantêm a comida segura e fria

nos supermercados,

aos sistemas de escala industrial
que mantêm centros de dados funcionando.

Ao todo, esses sistemas representam 8%

da emissão de gases do efeito estufa.

Mas o que não me deixa dormir

é que o consumo de energia
será seis vezes maior em 2050,

principalmente nos países
asiáticos e africanos.

Presenciei isso.

Quase todos os apartamentos
da vizinhança dos meus avós

têm ar-condicionado.

E isso é algo bom

para a saúde, o bem-estar
e a produtividade

das pessoas que vivem
em climas mais quentes.

Mas uma das coisas mais alarmantes
sobre as mudanças climáticas

é que quanto mais quente fica o planeta,

mais vamos precisar
de sistemas de resfriamento

que são grandes emissores
de gases do efeito estufa.

Isso tem o potencial de causar um ciclo,
em que os sistemas de resfriamento

podem se tornar a maior fonte
de emissão de gases do efeito estufa

no final do século.

No pior dos casos,

precisaremos de mais de 10 trilhões de kWh
de energia elétrica por ano,

apenas para resfriamento, até 2100.

Isso é metade do que consumimos hoje.

Só para resfriamento.

Mas isso também é
uma oportunidade incrível.

Uma melhoria de 10% ou 20%
na eficiência do sistema de resfriamento

poderia causar um enorme impacto
na emissão de gases do efeito estufa,

hoje e no fim do século.

E nos ajudaria a reverter
o pior dos cenários.

Sou um cientista que pensa
muito sobre luz e calor,

principalmente em como novos materiais
podem alterar a circulação

desses elementos básicos da natureza

de formas que nunca imaginamos antes.

Apesar de sempre entender
o valor do resfriamento

durante as minhas férias,

acabei trabalhando nesse problema

por causa de um problema
bem complicado seis anos atrás.

Como os antigos faziam gelo
em climas desérticos?

Essa é uma casa de gelo,

também chamada de Yakhchal,
localizada no sudoeste do Irã.

Existem dezenas de estruturas
em ruínas como essa no Irã,

e construções similares
ao longo do Oriente Médio

até à China.

As pessoas que trabalhavam
nessa casa de gelo muitos séculos atrás

despejavam água na piscina à esquerda

durante as primeiras horas
do anoitecer, ao pôr do sol.

E algo incrível acontecia.

Embora a temperatura
estivesse acima de zero,

algo próximo de 5 ºC,

a água congelava.

Então o gelo produzido
era coletado de manhã cedo

e armazenado na construção à direita,

durante todos os meses de verão.

Você já viu algo muito semelhante

se observou a geada se formando
em uma noite de céu aberto,

mesmo quando a temperatura
estava bem acima de zero.

Mas espere.

Como a água congela
se a temperatura está acima de zero?

Talvez a evaporação tenha contribuído,

mas não teria sido suficiente
para transformar a água em gelo.

Alguma outra coisa a congelou.

Imagine uma torta esfriando
no parapeito da janela.

Para esfriar, o calor precisa
fluir para um lugar mais frio,

isto é, para o ar ao seu redor.

Embora pareça improvável,

o calor daquela piscina de água está
fluindo para o frio do espaço.

Como isso é possível?

Veja, a piscina de água,
como muitos materiais naturais,

emite calor pela luz.

Esse conceito é conhecido
como radiação térmica.

Todos nós emitimos calor
por luz infravermelha,

um para o outro e para o ambiente.

Podemos visualizar isso
através de câmeras térmicas,

que produzem imagens
como esta que estou mostrando.

Aquela piscina de água está emitindo calor

para a atmosfera.

A atmosfera e suas moléculas

absorvem o calor e o enviam de volta.

Esse é o efeito estufa responsável
pelas mudanças climáticas.

Mas há algo fundamental a ser entendido.

A nossa atmosfera
não absorve todo o calor.

Se fizesse isso, o planeta
seria bem mais quente.

Em alguns comprimentos de onda,

particularmente entre 8 e 13 micrômetros,

a nossa atmosfera tem
uma janela de transmissão.

Essa janela permite que um pouco do calor
emitido por luz infravermelha escape,

levando embora o calor da piscina,

indo para um lugar que é muito mais frio,

o frio da atmosfera superior

até o espaço,

onde o frio chega a -270 ºC.

A piscina consegue emitir mais luz ao céu

do que este emite de volta.

E por causa disso,

a piscina fica mais fria
que a temperatura ao seu redor.

Esse efeito é conhecido
como resfriamento radiante noturno

ou resfriamento radiante.

E os cientistas e os meteorologistas
sempre o consideraram

um fenômeno natural muito importante.

Quando soube disso,

já estava no fim do meu PhD em Stanford.

Fiquei maravilhado com a simplicidade
do método de resfriamento,

e também muito confuso.

Por que não fazemos uso disso?

Os cientistas e os engenheiros
investigaram essa ideia

nas décadas anteriores.

E um grande problema foi descoberto.

Havia uma razão para o nome
"resfriamento radiante noturno".

Por quê?

É uma pequena coisa chamada Sol.

A superfície que está sendo resfriada

precisa estar a céu aberto.

E durante o meio do dia,

se quisermos esfriar algo,

o sol estará lá em cima, infelizmente.

E o sol aquece a maioria dos materiais

suficientemente para impedir
o efeito de resfriamento.

Eu e meus colegas gastamos o nosso tempo

pensando em como construir materiais
em escalas bem pequenas

para que coisas novas e úteis
sejam feitas com a luz,

escalas que são bem menores
que o comprimento da luz.

Com a ajuda de áreas da nanofotônica
e de pesquisas em metamaterias,

percebemos que existe um jeito
de tornar isso possível durante o dia

pela primeira vez.

Então, criei um material
óptico de multicamadas,

que pode ser visto nesta imagem.

Ele é 40 vezes mais fino
que um fio de cabelo

e consegue fazer duas coisas
ao mesmo tempo.

Primeiro, ele libera seu calor

exatamente onde a nossa atmosfera
permite que esse calor escape melhor.

Voltamos a janela para o espaço.

Segundo, o sol não consegue aquecê-lo.

É um ótimo espelho para o sol.

Testei isso pela primeira vez
no telhado de Stanford,

que estou mostrando aqui.

Deixei o equipamento
do lado de fora por um tempo,

voltei após alguns minutos

e, no mesmo instante, vi que funcionava.

Como?

Toquei nele e estava frio.

(Aplausos)

Apenas para enfatizar o quão
estranho e contraintuitivo é isso:

esse material e outros similares

ficam mais gelados
quando não estão na sombra,

mesmo se o sol estiver
brilhando sobre ele.

Esses dados são do primeiro experimento,

onde o material ficou 5 ºC mais frio
que a temperatura do ar,

mesmo com o sol brilhando
diretamente nele.

O processo de fabricação que usamos
para fazer esse material

já existe em grande escala.

Eu fiquei empolgado

não apenas porque estamos
fazendo algo bacana,

mas porque talvez tenhamos a oportunidade
de fazer algo efetivo e também útil.

O que me leva à próxima questão:

como economizar energia com essa ideia?

Acreditamos que o jeito mais direto
de economizar energia com essa tecnologia

é por um aumento de rendimento

para os ares-condicionados
e os sistemas de resfriamento.

Para isso, criamos painéis
com fluido de resfriamento,

como esses aqui.

Esses painéis são similares
aos painéis solares,

só que fazem o contrário:

esfriam a água usando
o nosso material específico.

Os painéis podem ser integrados
com um componente

comum em sistemas
de resfriamento, um condensador,

que reforça a eficiência
básica do sistema.

A nossa startup, SkyCool Systems,

fez recentemente um ensaio
de campo em Davis, na Califórnia.

Nessa demonstração,

demonstramos que poderíamos
melhorar a eficiência

do sistema de resfriamento em 12%.

Nos próximos anos,

estou bem animado em ver
as primeiras unidades em escala comercial

para refrigeração e ar-condicionado.

No futuro, talvez possamos
desenvolver esses painéis

com uma eficiência mais alta,
construindo sistemas de resfriamento

com uma redução do consumo
de energia em dois terços.

E finalmente, talvez possamos
construir um sistema de resfriamento

que não precise de energia elétrica.

Dando um primeiro passo nesse sentido,
eu e meus colegas de Stanford

demonstramos que é possível manter

algo mais de 42 ºC abaixo
da temperatura do ar

com mais desenvolvimento.

Obrigado.

(Aplausos)

Então apenas imagine

algo que está abaixo de zero
em um dia quente de verão.

Apesar de estar bem animado
sobre as possibilidades de resfriamento,

e acho que ainda há muito para se fazer,

como cientista, estou mais atraído
a uma grande oportunidade

que esse trabalho evidencia.

Podemos usar a fria escuridão do espaço

para melhorar a eficiência

de cada processo do planeta
que envolva energia.

Um deles é a célula solar.

Elas se aquecem sob o sol

e quanto mais quente ficam
menos eficientes são.

Em 2015,

demonstramos que, com microestruturas
em cima de uma célula solar,

poderíamos nos beneficiar
do efeito de resfriamento

para manter uma célula solar
em uma temperatura mais baixa.

Isso permite que a célula
seja mais eficiente.

Estamos examinando
mais a fundo essas oportunidades.

Nos perguntamos se podemos
usar o frio do espaço

para nos ajudar com a conservação da água,

ou talvez com sistemas
independentes de energia.

Talvez até seja possível
gerar energia com esse frio.

Existe uma grande diferença
de temperatura entre a Terra

e o frio do espaço.

Essa diferença, teoricamente,

poderia impulsionar um motor térmico

para gerar eletricidade.

Podemos então fazer um dispositivo
com geração de energia à noite

que produza quantidade
suficiente de eletricidade

no lugar das células solares?

Podemos gerar luz da escuridão?

Para isso acontecer,
é essencial saber como lidar

com a radiação térmica
que está ao nosso redor.

Somos constante banhados
por luz infravermelha.

Se pudéssemos controlá-la,

poderíamos mudar os fluxos
de calor e de energia

que estão difundidos
ao nosso redor todos os dias.

Essa habilidade e a fria
escuridão do espaço

nos apontam um futuro
onde nós, como civilização,

possamos lidar de modo mais inteligente
com a nossa pegada de energia térmica

em grande escala.

Conforme confrontamos
as mudanças climáticas,

acredito que essa habilidade

vai se revelar indispensável.

Então, na próxima vez
que você andar por aí,

sinta-se impressionado com a importância
do sol para a vida na Terra,

mas não se esqueça que o resto do céu
também tem algo a nos oferecer.

Obrigado.

(Aplausos)