Como podemos tornar o frio do espaço numa nova energia renovável

E se pudéssemos usar a escuridão fria do espaço para arrefecer os edifícios na Terra? Nesta palestra arrebatadora, o físico Aaswath Raman fala em pormenor sobre a tecnologia que está a desenvolver para aproveitar o "arrefecimento noturno" — um fenómeno natural onde a luz infravermelha escapa da Terra e vai em direção ao espaço, levando o calor com ela — que pode reduzir drasticamente a energia usada pelos sistemas de arrefecimento. Aprendam mais sobre como esta abordagem nos poderia levar a um futuro em que explorássemos a energia do universo de forma inteligente.

Todos os verões, quando estava a crescer,

viajava da minha casa, no Canadá,
para visitar os meus avós

que viviam em Mumbai, na Índia.

Os verões canadianos são amenos

— cerca de 22 graus Celsius
ou 72 graus Fahrenheit

é um dia de verão normal,
não é muito quente.

Contudo Mumbai é um lugar quente e húmido

entre os 30 graus Celsius
ou 90 graus Fahrenheit.

Quando lá cheguei. perguntei:

"Como alguém pode viver, trabalhar
ou dormir com este clima?"

Para piorar as coisas, os meus avós
não tinham ar condicionado.

E embora tentasse o meu melhor

nunca os consegui
persuadir a comprarem um.

Mas isto está a mudar rapidamente.

Hoje os sistemas de arrefecimento
fazem parte de cerca de 17%

de toda a eletricidade
que usamos a nível mundial.

Isto incluí tudo, desde o ar condicionado

que tanto queria
nas minhas férias de verão,

até aos sistemas frigoríficos que
mantêm a comida fresca e segura

nos supermercados,

até aos sistemas à escala industrial

que mantêm operacionais
os centros de dados.

Coletivamente, estes sistemas
são responsáveis

por 8% da emissão global
de gases de efeito de estufa.

Mas o que não me deixa dormir

é que a energia usada para o arrefecimento
pode aumentar seis vezes mais até 2050,

principalmente devido ao aumento
do consumo na Ásia e em países africanos.

Eu vi isto diretamente.

Quase todos os apartamentos
nos arredores da casa da minha avó

têm hoje ar condicionado.

Isso é uma coisa boa para a saúde,

para o bem-estar e para a produtividade

das pessoas que vivem
em climas mais quentes.

Contudo, uma das coisas mais
alarmantes sobre a alteração climática

é que, quanto mais quente
o planeta se torna,

mais vamos precisar
de sistemas de arrefecimento

— sistemas que são grandes emissores
de gases de efeito de estufa.

Isto tem o potencial de criar
um círculo vicioso

em que só os sistemas de arrefecimento

podem tornar-se uma das maiores
fontes de emissão de gases,

no futuro.

No pior dos casos, podemos vir a precisar

de mais de 10 biliões
de quilowatts/hora todos os anos,

só para arrefecimento, no ano de 2100.

Isso é metade do atual
fornecimento de eletricidade.

Só para arrefecimento.

Mas isto também aponta
para uma oportunidade incrível.

Uma melhoria de 10 ou 20% na eficiência
de todos os sistemas de arrefecimento

poderia ter um impacto enorme nas
emissões de gases de efeito de estufa,

tanto hoje como no futuro.

E podia ajudar-nos a evitar
esse ciclo vicioso, do pior dos cenários.

Sou um cientista que pensa
muito na luz e no calor.

Em particular, na forma como
os novos materiais nos permitem alterar

o fluxo dos elementos básicos da natureza

de formas que antes
achávamos serem impossíveis.

Então, embora entendesse
o valor do arrefecimento

durante as minhas férias de verão,

acabei por trabalhar neste problema

devido a um "puzzle" intelectual
que encontrei há uns seis anos.

Como é que as pessoas, antigamente,
conseguiam fazer gelo em climas desérticos?

Isto é uma foto de uma casa de gelo,

também chamada "yakhchal",
situada no sudoeste do Irão.

Há dezenas de ruínas
destas estruturas no Irão,

com indícios de edifícios
parecidos pelo resto do Médio Oriente

e em todo o percurso até à China.

As pessoas que trabalhavam
nas casas de gelo, há muitos séculos,

enchiam de água o tanque
que veem à esquerda.

nas horas da tarde,
quando o Sol se punha.

E algo incrível acontecia.

Mesmo com a temperatura
do ar pouco acima de zero,

por exemplo, a cinco graus Celsius
ou 41 graus Fahrenheit,

a água congelava.

O gelo criado era recolhido
no início da manhã

e guardado no edifício
que veem à direita,

durante todos os meses de verão.

Já devem ter visto algo parecido

se já viram a geada a criar-se
no solo numa noite limpa,

mesmo com a temperatura
do ar muito acima de zero.

Mas esperem.

Como é que a água congelava,
se a temperatura do ar é acima de zero?

A evaporação pode ter ajudado,

mas não é suficiente
para tornar a água em gelo.

Outra coisa deve tê-la congelado.

Pensem numa tarte a arrefecer à janela.

Para arrefecer, o calor tem
que ir para algum lado mais frio,

nomeadamente o ar à sua volta.

Por impossível que pareça,

nesse tanque de água, o seu calor
está a fluir até o frio do espaço.

Como é que é possível?

Bem, o tanque de água,
como muitos materiais naturais,

envia o seu calor sob a forma de luz.

Este é um conceito conhecido
por radiação térmica.

Neste momento, todos nós estamos a enviar
o nosso calor, como luz infravermelha,

uns para os outros e para os arredores.

Podemos ver isto com câmaras térmicas

e a imagem que produzem,
como as que estou a mostrar agora.

Então, o tanque de água
está a enviar o calor

para cima, para a atmosfera.

A atmosfera e as suas moléculas

absorvem algum do calor
e enviam-no de volta.

Esse é o efeito de gases de estufa
responsável pela alteração climática.

Mas aqui está o que
precisamos de entender.

A atmosfera não absorve todo esse calor.

Se assim fosse, estávamos
num planeta muito mais quente.

Em certos comprimentos de onda,

em particular entre os 8 e os 13 mícrones,

a atmosfera é conhecida
como uma janela de transmissão.

Esta janela permite que algum calor,
que sobe como luz infravermelha,

escape efetivamente,
levando com ele o calor do tanque.

E pode escapar para um lugar
que é muito mais frio.

O frio desta atmosfera mais elevada

e todo o percurso até ao espaço,

que pode chegar até aos
-270 graus Celsius,

ou -454 graus Fahrenheit.

Esse tanque de água é capaz
de enviar mais calor para o céu

e o céu manda-o de volta.

Isso é porque

o tanque irá arrefecer abaixo
da temperatura que a rodeia.

Este é um efeito conhecido
por arrefecimento noturno

ou arrefecimento radiante.

E sempre foi entendido por
cientistas climáticos e meteorologistas

como um fenómeno natural
muito importante.

Quando me deparei com isto,

estava quase a acabar o meu
doutoramento em Stanford.

Fiquei fascinado pela aparente
simplicidade do método de arrefecimento,

mas também confuso.

Porque não usamos isto?

Cientistas e engenheiros
tinham investigado esta ideia

em décadas anteriores.

Mas acabou por existir, pelo
menos, um grande problema.

Era o chamado de arrefecimento
noturno por um motivo.

Porquê?

Bem, é uma pequena coisa chamada Sol.

Então, a superfície que está a arrefecer,

tem que poder estar virada para o céu.

E a meio do dia,

quando podemos ansiar por algo frio,

infelizmente, isso significa
que olhamos para o Sol.

O Sol aquece muitos dos materiais

o suficiente para contrariar
o efeito de arrefecimento.

Eu e os meus colegas
passamos muito tempo

a pensar como podemos
estruturar os materiais

em escalas de comprimento
muito pequenas

para que possam fazer coisas
novas e úteis com a luz

— escalas mais pequenas do que
o comprimento das ondas de luz.

Usando conhecimentos desta área,

conhecidos como a nanofotónica
ou a pesquisa metamaterial,

percebemos que poderá existir
uma forma de isto ser possível de dia.

pela primeira vez.

Para tal, concebi um material
ótico de multicamadas

mostrado aqui numa imagem microscópica.

É 40 vezes mais fino
do que um cabelo humano médio,

E é capaz de fazer duas coisas
simultaneamente.

Primeiro, envia o calor para fora

precisamente para onde a nossa
atmosfera deixa sair melhor esse calor.

Apontamos para a janela para o espaço.

A segunda coisa que faz
é evitar ser aquecido pelo Sol.

É um bom espelho à luz solar.

A primeira vez que o testei
foi num telhado em Stanford

que estou a mostrar aqui.

Deixei o dispositivo fora
durante algum tempo,

e voltei após alguns minutos,

e, em segundos, soube
que estava a funcionar.

Como?

Toquei nele e estava frio.

(Aplausos)

Só para realçar o quão estranho
e contraintuitivo isto é:

este material e outros parecidos

ficam mais frios quando
os tiramos da sombra,

mesmo que estejam expostos ao Sol.

Estou a mostrar-vos dados
da primeira experiência,

em que esse material ficou
mais frio cinco graus Celsius,

ou nove graus Fahrenheit,
do que a temperatura do ar,

apesar de o Sol estar a incidir
diretamente nele.

O método de manufatura
que usamos para criar este material

já existe em grande escala de volume.

Eu estava muito entusiasmado,

porque não só fizemos algo fixe,

mas também podemos ter
a oportunidade de fazer algo real e útil.

Isso leva-me à próxima grande questão.

Como é que realmente poupamos
energia com esta ideia?

Achamos que a forma mais direta
de poupar energia com esta tecnologia

é um reforço de energia

para os sistemas de ar condicionado
de refrigeração atuais.

Para isso, criamos painéis
de arrefecimento de líquidos,

como os que aqui estão.

Estes painéis têm uma forma
parecida com a dos painéis solares,

mas fazem o oposto — eles
arrefecem a água, passivamente,

usando o nosso material especializado.

Estes painéis podem ser
instalados com um componente

que quase todos esses
sistemas têm, um condensador,

para aumentar a eficiência
subjacente do sistema.

A nossa "start-up", SkyCool Systems,

completou há pouco um teste no terreno
em Davis, na Califórnia, como podem ver.

Nessa demonstração,

mostrámos que podíamos
melhorar a eficiência

dos sistemas de arrefecimento
em 12% no terreno.

Dentro de um ou dois anos,

estou muito entusiasmado para ver
os primeiros pilotos em escala comercial

tanto no sistema de arrefecimento
como na refrigeração do espaço.

No futuro, poderemos
integrar este tipo de painéis

com sistemas de arrefecimento
de maior eficiência

para reduzir o uso
de energia em dois terços.

E, eventualmente, poderemos
construir um sistema de arrefecimento

que não precise de consumir eletricidade.

Como primeiro passo para lá chegar,

os meus colegas em Stanford e eu

mostrámos que podemos manter

algo mais do que 42 graus Celsius
abaixo da temperatura do ar

com melhor engenharia.

Obrigado.

(Aplausos)

Então imaginem só,

algo que é abaixo de zero
num dia quente de verão.

Embora esteja entusiasmado sobre
o que podemos fazer para o arrefecimento

— e acho que ainda há muito a fazer —

como cientista, também estou interessado
numa oportunidade mais profunda,

que acho que este trabalho destaca.

Podemos usar a fria escuridão do espaço

para melhorar a eficiência

de todos os processos relacionados
com a energia aqui na Terra.

Um dos processos que gostava
de destacar são os painéis solares.

Eles aquecem sob o Sol

e tornam-se menos eficientes
à medida que aquecem.

Em 2015, mostrámos que
com microestruturas deliberadas

em cima de um painel solar,

poderíamos tirar maior vantagem
deste efeito de arrefecimento

para manter o painel solar, passivamente,
a uma temperatura mais baixa.

Isto faz com que o painel
funcione melhor.

Estamos a explorar ainda mais
este tipo de oportunidades.

Estamos a perguntar
se podemos usar o frio do espaço

para nos ajudar a conservar a água.

Ou talvez em cenários fora da rede.

Talvez também pudéssemos
gerar energia com este frio.

Há uma grande diferença
de temperatura entre nós, aqui na Terra,

e o frio do espaço.

Essa diferença, pelo menos
a nível conceptual,

poderia ser usada para
alimentar um motor térmico

para gerar eletricidade.

Será que poderemos criar
um gerador de eletricidade noturno

que crie quantidades úteis de eletricidade

quando os painéis solares não funcionam?

Poderemos criar luz
a partir da escuridão?

O objetivo desta capacidade
é ser capaz de gerir

a radiação térmica que está à nossa volta.

Estamos constantemente banhados
em luz infravermelha.

Se a pudéssemos manipular,
à nossa vontade,

poderíamos mudar os fluxos
do calor e da energia

que estão connosco todos os dias.

Esta capacidade, juntamente
com a fria escuridão do espaço,

aponta para um futuro
em que nós, como civilização,

poderemos conseguir gerir
de forma mais racional

a pegada de energia térmica
em grande escala.

Para enfrentar a alteração climática,

creio que ter esta capacidade

se irá tornar essencial.

Então, da próxima vez
que estiverem a andar na rua,

pensem bastante em como o Sol
é essencial para a vida humana na Terra,

mas não se esqueçam que o resto do céu
também tem algo para oferecer.

Obrigado.

(Aplausos)