-
Title:
Как превратить холод космоса в возобновляемый ресурс
-
Description:
Что, если мы сможем охлаждать здания на Земле с помощью холодной тьмы космоса? В этом потрясающем выступлении физик Аасват Раман описывает свою экспериментальную технологию, где используется «ночное охлаждение» — естественное явление, когда инфракрасный свет улетучивается из Земли в космос, унося тепло вместе с собой, — что может значительно уменьшить использование электроэнергии нашими системами охлаждения. Узнайте больше о том, как эта методика приведёт нас в будущее, где мы будем разумно использовать энергию Вселенной.
-
Speaker:
Аасват Раман
-
В детстве я каждое лето
-
улетал из родной Канады
в гости к бабушке и дедушке
-
в Индию, в город Мумбаи.
-
В Канаде лето довольно умеренное:
-
средняя температура днём
около 22 градусов по Цельсию
-
или 72 градусов по Фаренгейту,
и не слишком жарко.
-
А вот в Мумбаи очень жарко и влажно,
-
хорошо за 30 градусов по Цельсию
или за 90 градусов по Фаренгейту.
-
Прилетая туда, я спрашивал себя:
-
«Как можно жить, работать
и спать в такую погоду?»
-
К тому же в доме у бабушки
и дедушки не было кондиционера.
-
И, несмотря на все мои старания,
-
я так и не смог уговорить их
его приобрести.
-
Но ситуация меняется, причём очень быстро.
-
Сегодня на работу систем охлаждения
уходит 17 процентов
¶
-
используемого электричества во всём мире.
-
К ним относятся и кондиционеры,
-
которых мне так отчаянно не хватало
во время летних каникул,
-
и холодильные системы,
которые не дают нашей еде испортиться
-
в супермаркетах,
-
и системы промышленных масштабов
для поддержания центров обработки данных
-
в рабочем состоянии.
-
На все эти системы
приходится восемь процентов
-
глобальных выбросов парниковых газов.
-
Но вот что не даёт мне покоя:
¶
-
к 2050 году расход электроэнергии
на охлаждение может вырасти в шесть раз,
-
главным образом из-за более широкого
распространения в странах Азии и Африки.
-
Я видел это своими глазами.
-
Почти в каждой квартире
в районе, где живёт моя бабушка,
-
теперь есть кондиционер.
-
И, конечно же, это хорошо
-
для здоровья, самочувствия
и работоспособности
-
жителей жарких стран.
-
Но в глобальном потеплении
наибольшую тревогу вызывает то,
-
что чем больше нагревается наша планета,
-
тем больше нам нужны системы охлаждения,
-
которые сами по себе являются крупными
источниками выбросов парниковых газов.
-
В итоге может образоваться порочный круг,
-
и системы охлаждения
-
сами станут одним из крупнейших
источников парниковых газов
-
к концу XXI века.
-
В худшем случае
-
к 2100 году нам нужно будет
каждый год тратить
-
более 10 триллионов киловатт-часов
электричества только на охлаждение.
-
Это половина всей нашей
электроэнергии сегодня.
-
Только на охлаждение.
-
Но этот же факт указывает нам
на удивительную возможность.
-
Повышение производительности каждой
системы охлаждения на 10–20 процентов
-
может значительно снизить
выброс парниковых газов,
-
как сегодня, так и к концу века,
-
и может помочь нам избежать
того самого порочного круга.
-
Я учёный и часто размышляю
о свете и тепле.
¶
-
В частности, о том, как новые материалы
позволяют изменить ход
-
этих основных природных явлений так,
-
как раньше считалось невозможным.
-
И хотя ещё во время
своих летних каникул я понимал,
-
как много значит охлаждение,
-
на самом деле я стал работать
над этой проблемой
-
из-за головоломки, о которой
узнал лет шесть назад.
-
Как древние люди создавали лёд в пустыне?
-
Это ледяной дом,
-
он же «яхчал», который находится
на юго-западе Ирана.
-
Во всём Иране десятки руин таких домов,
-
также есть свидетельства подобных строений
и в других странах Ближнего Востока
-
вплоть до Китая.
-
Люди, много веков назад
работавшие в этом ледяном доме,
¶
-
заливали воду в резервуар слева
-
ранним вечером, на закате солнца.
-
А потом происходило невероятное.
-
Несмотря на то, что температура
воздуха была выше нуля, —
-
скажем, пять градусов по Цельсию
или 41 градус по Фаренгейту, —
-
вода замерзала.
-
Получившийся лёд вынимали рано утром
-
и откладывали на хранение в здание справа
-
для использования в летние месяцы.
-
Возможно, вы и сами
наблюдали нечто подобное,
-
если замечали, как в ясную ночь
на земле образуется иней,
-
даже если температура воздуха
намного выше нуля.
-
Но постойте.
-
Как же вода замерзала
при температуре воздуха выше нуля?
-
Возможно, дело в испарении,
-
но одного испарения мало,
чтобы превратить воду в лёд.
-
Должно быть, воду охладило что-то другое.
-
Подумайте, как пирог
остывает на подоконнике.
¶
-
Чтобы пирог остыл, его тепло
должно уходить туда, где холоднее.
-
А именно — в окружающий его воздух.
-
В это трудно поверить,
-
но тепло от воды из резервуара
уходит в холод космоса.
-
-
Как и большинство природных
материалов, вода из резервуара
-
отдаёт своё тепло в качестве света.
-
Это явление называется
тепловым излучением.
-
Даже сейчас мы все отдаём тепло
в форме инфракрасного излучения
-
друг другу и окружающему миру.
-
Мы можем наглядно представить этот процесс
-
на съёмках с тепловых камер,
как на этом изображении.
-
Итак, тепло от воды из резервуара уходит
-
вверх по атмосфере.
-
Молекулы в атмосфере
-
поглощают часть этого тепла
и отдают его обратно.
-
По сути, это и есть парниковый эффект,
который в ответе за глобальное потепление.
-
Но вот самое главное, что нужно понимать.
¶
-
Атмосфера не поглощает всё тепло,
-
иначе на нашей планете
было бы гораздо жарче.
-
На определённых длинах волн,
-
а именно в диапазоне
между восемью и 13 микронами,
-
наша атмосфера имеет
так называемое окно прозрачности.
-
Благодаря этому окну
часть тепла из инфракрасного света
-
фактически улетучивается,
унося с собой тепло воды из резервуара.
-
А улетучивается оно туда,
где очень, очень холодно:
-
в холод верхних слоёв атмосферы
-
и ещё дальше, в открытый космос,
-
где температура доходит
до -270 градусов по Цельсию
-
или -454 градусов по Фаренгейту.
-
Получается, что наш резервуар с водой
отдаёт в небо больше тепла,
-
чем получает от неба в ответ.
-
И именно поэтому
-
в резервуаре более низкая температура,
чем в его окружении.
-
Этот эффект известен как ночное охлаждение
-
или радиационное охлаждение.
-
Климатологи и метеорологи
всегда считали его
-
очень важным природным явлением.
-
-
когда заканчивал писать
диссертацию в Стэнфорде.
-
Я был поражен кажущейся
простотой этого метода охлаждения,
-
а также весьма озадачен.
-
Почему мы этим не пользуемся?
-
В предыдущие десятилетия учёные и инженеры
-
исследовали эту идею.
-
Но обнаружилась как минимум
одна большая проблема.
-
Эффект назван «ночным
охлаждением» не просто так.
-
Почему же?
-
Всё дело в одной мелочи
под названием Солнце.
-
Чтобы поверхность могла охладиться,
-
она должна быть под открытым небом.
-
Но в середине дня,
-
когда нам больше всего
хочется чего-нибудь холодного,
-
на небе, к несчастью, светит солнце.
-
А солнце так нагревает
большинство материалов,
-
что полностью нейтрализует
охлаждающий эффект.
-
Мы с коллегами много думаем о том,
¶
-
как строить материалы
-
в очень малых масштабах,
-
чтобы находить новое
и полезное применение свету —
-
в масштабах меньше,
чем длина волны самого света.
-
С помощью открытий из науки
-
под названием нанофотоника,
или исследование метаматериалов,
-
мы поняли, что у нас
впервые появилась возможность
-
сделать это днём.
-
Для этого я разработал
многослойный оптический материал,
¶
-
показанный на этом изображении
из микроскопа.
-
Он более чем в 40 раз тоньше
человеческого волоса.
-
И он может делать две вещи одновременно.
-
Во-первых, он отдаёт своё тепло
-
именно туда, где оно лучше всего
рассеивается в атмосфере.
-
Наша цель — окно в космос.
-
Во-вторых, он не нагревается на солнце.
-
Он отлично отражает солнечный свет.
-
Впервые я протестировал
этот материал на крыше Стэнфорда,
-
которую вы видите на экране.
-
Я оставил там устройство
на несколько минут,
-
а когда подошёл к нему,
-
то в считанные секунды понял,
что оно работает.
-
Как?
-
На ощупь оно было холодным.
-
-
Просто подчеркну,
насколько это странно и нелогично:
¶
-
этот и другие подобные ему материалы
-
остывают, если вынести их из тени,
-
несмотря на то, что на них светит солнце.
-
Здесь показаны результаты
самого первого эксперимента,
-
где материал оставался
на пять градусов по Цельсию
-
или на девять градусов по Фаренгейту,
холоднее температуры воздуха,
-
хотя находился под прямыми
солнечными лучами.
-
Метод изготовления этого материала,
который использовали мы,
-
на самом деле уже существует
в крупных масштабах.
-
Поэтому я очень обрадовался,
-
ведь мы не только делаем что-то классное,
-
но у нас появилась возможность
сделать что-то по-настоящему полезное.
-
Отсюда следует ещё один важный вопрос.
-
Как эта идея помогает
экономить электроэнергию?
¶
-
Мы считаем, что наша технология напрямую
помогает сэкономить электроэнергию,
-
повысив производительность
-
нынешних кондиционеров
и холодильных систем.
-
Для этого мы сделали
панели жидкостного охлаждения,
-
как те, что показаны здесь.
-
По форме эти панели похожи
на солнечные нагреватели,
-
но их функция противоположна —
они пассивно охлаждают воду
-
с помощью нашего специального материала.
-
Затем в эти панели
можно встроить конденсатор,
-
который есть почти в каждой
системе охлаждения,
-
чтобы улучшить
её общую производительность.
-
Наш стартап, SkyCool Systems,
-
недавно закончил полевые испытания
в Дэвисе, Калифорния, что показано здесь.
-
В этой демонстрации
-
мы показали, что можем
улучшить производительность
-
этой системы охлаждения в поле
на целых 12 процентов.
-
-
мне не терпится увидеть
наш первый выход на массовый рынок
-
в области и кондиционеров,
и холодильной техники.
-
Возможно, в будущем
мы сможем встраивать такие панели
-
в более мощные системы охлаждения,
-
тем самым снизив расход
электроэнергии на две трети.
-
И, быть может, мы дойдём до того,
что изобретём систему охлаждения,
-
для работы которой
вообще не потребуется электричество.
-
В качестве первого шага к этому
-
мы с коллегами в Стэнфорде
-
продемонстрировали,
что с лучшей техникой
-
можно поддерживать температуру,
более чем на 42 градуса по Цельсию
-
ниже температуры воздуха.
-
-
-
-
что-то очень холодное
в жаркий летний день.
-
И хотя я очень рад тому,
чего мы можем добиться в охлаждении, —
-
и, я думаю, нам ещё многое
предстоит сделать, —
-
как учёного, меня привлекает
более глубокая возможность,
-
которая отражается в этой работе.
-
Мы можем использовать
холодную тьму космоса,
-
чтобы повысить эффективность
-
всего на Земле,
что связано с электроэнергией.
-
В частности, я бы хотел поговорить
о солнечных батареях.
-
Они нагреваются на солнце,
-
и чем горячее становятся,
тем менее эффективны.
-
В 2015 году мы показали,
как определённые виды микроструктур
-
поверх солнечной батареи
-
помогают нам лучше использовать
охлаждающий эффект
-
и пассивно поддерживать более низкую
температуру солнечной батареи.
-
Это обеспечивает более
эффективную работу батареи.
-
Мы продолжаем изучать такие возможности.
-
Мы задумываемся об использовании
космического холода
-
для экономии водных ресурсов.
-
Или в работе автономных
систем электроснабжения.
-
Возможно, с этим холодом мы даже сможем
напрямую создавать электроэнергию.
-
Существует огромная разница
в температурах между нами на Земле
-
и в холодном космосе.
-
Эту разницу, по крайней мере в теории,
-
можно использовать в работе
теплового двигателя,
-
чтобы производить электричество.
-
Тогда возможно ли
изобрести ночное устройство,
-
которое производило бы
достаточно электроэнергии,
-
когда солнечные батареи не работают?
-
Возможно ли производить свет из тьмы?
-
В сердце этой способности —
возможность управлять
¶
-
тепловым излучением вокруг нас.
-
Мы постоянно окутаны инфракрасным светом;
-
подчинив его своей воле,
-
мы бы коренным образом
изменили потоки тепла и энергии,
-
которые ежедневно пронизывают наш мир.
-
Вместе с холодной тьмой космоса
такая способность
-
указывает на будущее, где наша цивилизация
-
может более разумно управлять
своим следом тепловой энергии
-
в самых крупных масштабах.
-
Я думаю, что в борьбе с изменением климата
¶
-
такая способность в нашем арсенале
-
окажется жизненно необходимой.
-
Итак, когда вы в следующий раз
будете гулять по улице,
-
конечно, восхищайтесь важностью солнца
для самой жизни на земле,
-
но не забывайте, что и остальному небу
есть что нам предложить.
-
-