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← Como podemos tornar o frio do espaço numa nova energia renovável

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Showing Revision 12 created 09/01/2018 by Margarida Ferreira.

  1. Todos os verões, quando estava a crescer,

  2. viajava da minha casa, no Canadá,
    para visitar os meus avós
  3. que viviam em Mumbai, na Índia.
  4. Os verões canadianos são amenos
  5. — cerca de 22 graus Celsius
    ou 72 graus Fahrenheit
  6. é um dia de verão normal,
    não é muito quente.
  7. Contudo Mumbai é um lugar quente e húmido
  8. entre os 30 graus Celsius
    ou 90 graus Fahrenheit.
  9. Quando lá cheguei. perguntei:
  10. "Como alguém pode viver, trabalhar
    ou dormir com este clima?"
  11. Para piorar as coisas, os meus avós
    não tinham ar condicionado.
  12. E embora tentasse o meu melhor
  13. nunca os consegui
    persuadir a comprarem um.
  14. Mas isto está a mudar rapidamente.
  15. Hoje os sistemas de arrefecimento
    fazem parte de cerca de 17%

  16. de toda a eletricidade
    que usamos a nível mundial.
  17. Isto incluí tudo, desde o ar condicionado
  18. que tanto queria
    nas minhas férias de verão,
  19. até aos sistemas frigoríficos que
    mantêm a comida fresca e segura
  20. nos supermercados,
  21. até aos sistemas à escala industrial
  22. que mantêm operacionais
    os centros de dados.
  23. Coletivamente, estes sistemas
    são responsáveis
  24. por 8% da emissão global
    de gases de efeito de estufa.
  25. Mas o que não me deixa dormir

  26. é que a energia usada para o arrefecimento
    pode aumentar seis vezes mais até 2050,
  27. principalmente devido ao aumento
    do consumo na Ásia e em países africanos.
  28. Eu vi isto diretamente.
  29. Quase todos os apartamentos
    nos arredores da casa da minha avó
  30. têm hoje ar condicionado.
  31. Isso é uma coisa boa para a saúde,
  32. para o bem-estar e para a produtividade
  33. das pessoas que vivem
    em climas mais quentes.
  34. Contudo, uma das coisas mais
    alarmantes sobre a alteração climática
  35. é que, quanto mais quente
    o planeta se torna,
  36. mais vamos precisar
    de sistemas de arrefecimento
  37. — sistemas que são grandes emissores
    de gases de efeito de estufa.
  38. Isto tem o potencial de criar
    um círculo vicioso
  39. em que só os sistemas de arrefecimento
  40. podem tornar-se uma das maiores
    fontes de emissão de gases,
  41. no futuro.
  42. No pior dos casos, podemos vir a precisar
  43. de mais de 10 biliões
    de quilowatts/hora todos os anos,
  44. só para arrefecimento, no ano de 2100.
  45. Isso é metade do atual
    fornecimento de eletricidade.
  46. Só para arrefecimento.
  47. Mas isto também aponta
    para uma oportunidade incrível.
  48. Uma melhoria de 10 ou 20% na eficiência
    de todos os sistemas de arrefecimento
  49. poderia ter um impacto enorme nas
    emissões de gases de efeito de estufa,
  50. tanto hoje como no futuro.
  51. E podia ajudar-nos a evitar
    esse ciclo vicioso, do pior dos cenários.
  52. Sou um cientista que pensa
    muito na luz e no calor.

  53. Em particular, na forma como
    os novos materiais nos permitem alterar
  54. o fluxo dos elementos básicos da natureza
  55. de formas que antes
    achávamos serem impossíveis.
  56. Então, embora entendesse
    o valor do arrefecimento
  57. durante as minhas férias de verão,
  58. acabei por trabalhar neste problema
  59. devido a um "puzzle" intelectual
    que encontrei há uns seis anos.
  60. Como é que as pessoas, antigamente,
    conseguiam fazer gelo em climas desérticos?
  61. Isto é uma foto de uma casa de gelo,
  62. também chamada "yakhchal",
    situada no sudoeste do Irão.
  63. Há dezenas de ruínas
    destas estruturas no Irão,
  64. com indícios de edifícios
    parecidos pelo resto do Médio Oriente
  65. e em todo o percurso até à China.
  66. As pessoas que trabalhavam
    nas casas de gelo, há muitos séculos,

  67. enchiam de água o tanque
    que veem à esquerda.
  68. nas horas da tarde,
    quando o Sol se punha.
  69. E algo incrível acontecia.
  70. Mesmo com a temperatura
    do ar pouco acima de zero,
  71. por exemplo, a cinco graus Celsius
    ou 41 graus Fahrenheit,
  72. a água congelava.
  73. O gelo criado era recolhido
    no início da manhã
  74. e guardado no edifício
    que veem à direita,
  75. durante todos os meses de verão.
  76. Já devem ter visto algo parecido
  77. se já viram a geada a criar-se
    no solo numa noite limpa,
  78. mesmo com a temperatura
    do ar muito acima de zero.
  79. Mas esperem.
  80. Como é que a água congelava,
    se a temperatura do ar é acima de zero?
  81. A evaporação pode ter ajudado,
  82. mas não é suficiente
    para tornar a água em gelo.
  83. Outra coisa deve tê-la congelado.
  84. Pensem numa tarte a arrefecer à janela.

  85. Para arrefecer, o calor tem
    que ir para algum lado mais frio,
  86. nomeadamente o ar à sua volta.
  87. Por impossível que pareça,
  88. nesse tanque de água, o seu calor
    está a fluir até o frio do espaço.
  89. Como é que é possível?

  90. Bem, o tanque de água,
    como muitos materiais naturais,
  91. envia o seu calor sob a forma de luz.
  92. Este é um conceito conhecido
    por radiação térmica.
  93. Neste momento, todos nós estamos a enviar
    o nosso calor, como luz infravermelha,
  94. uns para os outros e para os arredores.
  95. Podemos ver isto com câmaras térmicas
  96. e a imagem que produzem,
    como as que estou a mostrar agora.
  97. Então, o tanque de água
    está a enviar o calor
  98. para cima, para a atmosfera.
  99. A atmosfera e as suas moléculas
  100. absorvem algum do calor
    e enviam-no de volta.
  101. Esse é o efeito de gases de estufa
    responsável pela alteração climática.
  102. Mas aqui está o que
    precisamos de entender.

  103. A atmosfera não absorve todo esse calor.
  104. Se assim fosse, estávamos
    num planeta muito mais quente.
  105. Em certos comprimentos de onda,
  106. em particular entre os 8 e os 13 mícrones,
  107. a atmosfera é conhecida
    como uma janela de transmissão.
  108. Esta janela permite que algum calor,
    que sobe como luz infravermelha,
  109. escape efetivamente,
    levando com ele o calor do tanque.
  110. E pode escapar para um lugar
    que é muito mais frio.
  111. O frio desta atmosfera mais elevada
  112. e todo o percurso até ao espaço,
  113. que pode chegar até aos
    -270 graus Celsius,
  114. ou -454 graus Fahrenheit.
  115. Esse tanque de água é capaz
    de enviar mais calor para o céu
  116. e o céu manda-o de volta.
  117. Isso é porque
  118. o tanque irá arrefecer abaixo
    da temperatura que a rodeia.
  119. Este é um efeito conhecido
    por arrefecimento noturno
  120. ou arrefecimento radiante.
  121. E sempre foi entendido por
    cientistas climáticos e meteorologistas
  122. como um fenómeno natural
    muito importante.
  123. Quando me deparei com isto,

  124. estava quase a acabar o meu
    doutoramento em Stanford.
  125. Fiquei fascinado pela aparente
    simplicidade do método de arrefecimento,
  126. mas também confuso.
  127. Porque não usamos isto?
  128. Cientistas e engenheiros
    tinham investigado esta ideia
  129. em décadas anteriores.
  130. Mas acabou por existir, pelo
    menos, um grande problema.
  131. Era o chamado de arrefecimento
    noturno por um motivo.
  132. Porquê?
  133. Bem, é uma pequena coisa chamada Sol.
  134. Então, a superfície que está a arrefecer,
  135. tem que poder estar virada para o céu.
  136. E a meio do dia,
  137. quando podemos ansiar por algo frio,
  138. infelizmente, isso significa
    que olhamos para o Sol.
  139. O Sol aquece muitos dos materiais
  140. o suficiente para contrariar
    o efeito de arrefecimento.
  141. Eu e os meus colegas
    passamos muito tempo

  142. a pensar como podemos
    estruturar os materiais
  143. em escalas de comprimento
    muito pequenas
  144. para que possam fazer coisas
    novas e úteis com a luz
  145. — escalas mais pequenas do que
    o comprimento das ondas de luz.
  146. Usando conhecimentos desta área,
  147. conhecidos como a nanofotónica
    ou a pesquisa metamaterial,
  148. percebemos que poderá existir
    uma forma de isto ser possível de dia.
  149. pela primeira vez.
  150. Para tal, concebi um material
    ótico de multicamadas

  151. mostrado aqui numa imagem microscópica.
  152. É 40 vezes mais fino
    do que um cabelo humano médio,
  153. E é capaz de fazer duas coisas
    simultaneamente.
  154. Primeiro, envia o calor para fora
  155. precisamente para onde a nossa
    atmosfera deixa sair melhor esse calor.
  156. Apontamos para a janela para o espaço.
  157. A segunda coisa que faz
    é evitar ser aquecido pelo Sol.
  158. É um bom espelho à luz solar.
  159. A primeira vez que o testei
    foi num telhado em Stanford
  160. que estou a mostrar aqui.
  161. Deixei o dispositivo fora
    durante algum tempo,
  162. e voltei após alguns minutos,
  163. e, em segundos, soube
    que estava a funcionar.
  164. Como?
  165. Toquei nele e estava frio.
  166. (Aplausos)

  167. Só para realçar o quão estranho
    e contraintuitivo isto é:

  168. este material e outros parecidos
  169. ficam mais frios quando
    os tiramos da sombra,
  170. mesmo que estejam expostos ao Sol.
  171. Estou a mostrar-vos dados
    da primeira experiência,
  172. em que esse material ficou
    mais frio cinco graus Celsius,
  173. ou nove graus Fahrenheit,
    do que a temperatura do ar,
  174. apesar de o Sol estar a incidir
    diretamente nele.
  175. O método de manufatura
    que usamos para criar este material
  176. já existe em grande escala de volume.
  177. Eu estava muito entusiasmado,
  178. porque não só fizemos algo fixe,
  179. mas também podemos ter
    a oportunidade de fazer algo real e útil.
  180. Isso leva-me à próxima grande questão.
  181. Como é que realmente poupamos
    energia com esta ideia?

  182. Achamos que a forma mais direta
    de poupar energia com esta tecnologia
  183. é um reforço de energia
  184. para os sistemas de ar condicionado
    de refrigeração atuais.
  185. Para isso, criamos painéis
    de arrefecimento de líquidos,
  186. como os que aqui estão.
  187. Estes painéis têm uma forma
    parecida com a dos painéis solares,
  188. mas fazem o oposto — eles
    arrefecem a água, passivamente,
  189. usando o nosso material especializado.
  190. Estes painéis podem ser
    instalados com um componente
  191. que quase todos esses
    sistemas têm, um condensador,
  192. para aumentar a eficiência
    subjacente do sistema.
  193. A nossa "start-up", SkyCool Systems,
  194. completou há pouco um teste no terreno
    em Davis, na Califórnia, como podem ver.
  195. Nessa demonstração,
  196. mostrámos que podíamos
    melhorar a eficiência
  197. dos sistemas de arrefecimento
    em 12% no terreno.
  198. Dentro de um ou dois anos,

  199. estou muito entusiasmado para ver
    os primeiros pilotos em escala comercial
  200. tanto no sistema de arrefecimento
    como na refrigeração do espaço.
  201. No futuro, poderemos
    integrar este tipo de painéis
  202. com sistemas de arrefecimento
    de maior eficiência
  203. para reduzir o uso
    de energia em dois terços.
  204. E, eventualmente, poderemos
    construir um sistema de arrefecimento
  205. que não precise de consumir eletricidade.
  206. Como primeiro passo para lá chegar,
  207. os meus colegas em Stanford e eu
  208. mostrámos que podemos manter
  209. algo mais do que 42 graus Celsius
    abaixo da temperatura do ar
  210. com melhor engenharia.
  211. Obrigado.

  212. (Aplausos)

  213. Então imaginem só,

  214. algo que é abaixo de zero
    num dia quente de verão.
  215. Embora esteja entusiasmado sobre
    o que podemos fazer para o arrefecimento
  216. — e acho que ainda há muito a fazer —
  217. como cientista, também estou interessado
    numa oportunidade mais profunda,
  218. que acho que este trabalho destaca.
  219. Podemos usar a fria escuridão do espaço
  220. para melhorar a eficiência
  221. de todos os processos relacionados
    com a energia aqui na Terra.
  222. Um dos processos que gostava
    de destacar são os painéis solares.
  223. Eles aquecem sob o Sol
  224. e tornam-se menos eficientes
    à medida que aquecem.
  225. Em 2015, mostrámos que
    com microestruturas deliberadas
  226. em cima de um painel solar,
  227. poderíamos tirar maior vantagem
    deste efeito de arrefecimento
  228. para manter o painel solar, passivamente,
    a uma temperatura mais baixa.
  229. Isto faz com que o painel
    funcione melhor.
  230. Estamos a explorar ainda mais
    este tipo de oportunidades.
  231. Estamos a perguntar
    se podemos usar o frio do espaço
  232. para nos ajudar a conservar a água.
  233. Ou talvez em cenários fora da rede.
  234. Talvez também pudéssemos
    gerar energia com este frio.

  235. Há uma grande diferença
    de temperatura entre nós, aqui na Terra,
  236. e o frio do espaço.
  237. Essa diferença, pelo menos
    a nível conceptual,
  238. poderia ser usada para
    alimentar um motor térmico
  239. para gerar eletricidade.
  240. Será que poderemos criar
    um gerador de eletricidade noturno
  241. que crie quantidades úteis de eletricidade
  242. quando os painéis solares não funcionam?
  243. Poderemos criar luz
    a partir da escuridão?
  244. O objetivo desta capacidade
    é ser capaz de gerir

  245. a radiação térmica que está à nossa volta.
  246. Estamos constantemente banhados
    em luz infravermelha.
  247. Se a pudéssemos manipular,
    à nossa vontade,
  248. poderíamos mudar os fluxos
    do calor e da energia
  249. que estão connosco todos os dias.
  250. Esta capacidade, juntamente
    com a fria escuridão do espaço,
  251. aponta para um futuro
    em que nós, como civilização,
  252. poderemos conseguir gerir
    de forma mais racional
  253. a pegada de energia térmica
    em grande escala.
  254. Para enfrentar a alteração climática,

  255. creio que ter esta capacidade
  256. se irá tornar essencial.
  257. Então, da próxima vez
    que estiverem a andar na rua,
  258. pensem bastante em como o Sol
    é essencial para a vida humana na Terra,
  259. mas não se esqueçam que o resto do céu
    também tem algo para oferecer.
  260. Obrigado.

  261. (Aplausos)