如何将外太空的寒冷转变为新型能源
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0:02 - 0:03在我小的时候,每到夏天,
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0:04 - 0:07我都会从加拿大的家里飞去看望
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0:07 - 0:09住在印度的祖父母。
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0:09 - 0:12加拿大夏季的气候还算宜人——
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0:12 - 0:16温度通常在 22ºC (72ºF)左右,
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0:16 - 0:19并不算很热。
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0:19 - 0:22然而,孟买是个闷热潮湿的地方,
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0:22 - 0:26夏天的平均气温大概是 30ºC (90ºF)。
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0:26 - 0:28每次到了孟买,我都会好奇,
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0:28 - 0:32“人们怎么能在如此的天气
生活、工作和睡觉呢?” -
0:34 - 0:37更糟糕的是,
我的祖父母家里没有空调。 -
0:38 - 0:41但即使我用尽浑身解数,
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0:41 - 0:43也没能说服他们买一台。
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0:44 - 0:47但是这种情况正在得到快速改善。
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0:48 - 0:52如今,冷却系统的耗能总共占到了
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0:52 - 0:54全球电力供应的 17%,
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0:55 - 0:57其中就包括我在暑假
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0:57 - 1:00热切渴望拥有的空调系统,
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1:00 - 1:02在超市中保证我们的食品
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1:02 - 1:05安全新鲜的制冷系统。
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1:05 - 1:09以及保证我们的数据中心
正常运行的工业级制冷系统。 -
1:10 - 1:13这些系统一共贡献了
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1:13 - 1:15全球温室气体排放量的 8%。
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1:16 - 1:17但是令我夜不能寐的是,
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1:17 - 1:22我们用于冷却的能源
可能在 2050 年之前增加 6 倍, -
1:22 - 1:27主要是由于亚洲以及
非洲国家能源消耗的增长。 -
1:27 - 1:29我亲眼目睹了这一切。
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1:29 - 1:32我祖父母家周围的每个公寓
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1:32 - 1:34如今几乎都安装了空调。
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1:34 - 1:37这对生活在中高温地带的
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1:37 - 1:40居民的健康、幸福以及生产活动
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1:40 - 1:43明显是有益的。
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1:44 - 1:48但是,对于气候变化,
最应为我们敲响警钟的是, -
1:48 - 1:50我们的地球越温暖,
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1:50 - 1:52我们对冷却系统的需求就越大——
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1:53 - 1:57而这些系统本身
又是温室气体排放的源头。 -
1:57 - 2:00这就有可能会引起反馈循环,
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2:01 - 2:02在本世纪晚些时候,
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2:02 - 2:05单单是这些冷却系统就会成为
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2:05 - 2:06最大的温室气体来源。
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2:07 - 2:08在最坏的情况下,
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2:08 - 2:12到了 2100 年底,每年我们
用来冷却的电能就有可能 -
2:12 - 2:14超过10 万亿千瓦时。
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2:15 - 2:18这是如今全球电力供应的一半,
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2:18 - 2:19还仅仅是用于冷却。
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2:21 - 2:25不过,这也为我们
提供了一个绝佳的机会。 -
2:25 - 2:30把冷却系统的效率提升 10%-20%,
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2:30 - 2:34就会对温室气体排放
产生巨大的影响, -
2:34 - 2:36不论是在今天,还是几十年后。
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2:38 - 2:42并且,还能帮助我们
避免最坏情况下的反馈循环。 -
2:43 - 2:46我是一名科学家,致力于研究光和热,
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2:47 - 2:50尤其是新材料如何能够
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2:50 - 2:52以我们一度难以想象的方式
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2:52 - 2:55改变这些自然基本元素的流动方式。
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2:55 - 2:58所以,虽然我非常清楚
冷却系统在炎热的暑期 -
2:58 - 2:59所扮演的重要角色,
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3:00 - 3:02但我之所以对这个问题非常感兴趣,
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3:02 - 3:06是因为六年前我遇到的一个智力题。
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3:07 - 3:13古代人是怎么
在沙漠气候中制造出冰的? -
3:14 - 3:17这是一座冰屋的照片,
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3:17 - 3:20也叫做“冰坑”,
坐落于伊朗的西南部。 -
3:21 - 3:25伊朗境内遍布着几十处这样的废墟,
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3:25 - 3:28中东的其他地方也有
类似建筑存在的证据, -
3:28 - 3:30并且一直延伸到中国。
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3:30 - 3:33几世纪前操作冰屋的人
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3:33 - 3:36会在傍晚太阳落山的时候,
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3:36 - 3:39将水倾倒在图中左侧的水池里。
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3:39 - 3:41随后,神奇的一幕发生了。
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3:41 - 3:44即使周围空气的温度可能在冰点以上,
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3:44 - 3:48比如 5ºC (41ºF),
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3:48 - 3:49水依然会结冰。
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3:51 - 3:55人们会在黎明时分收集生成的冰,
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3:55 - 3:57储存在图片右侧的建筑中备用,
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3:58 - 4:00整个过程一直重复到夏天结束。
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4:00 - 4:03如果你在空气温度
高于冰点的晴朗的夜晚 -
4:03 - 4:06注意过地面上的霜,
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4:06 - 4:09你就会发现二者的相似之处。
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4:09 - 4:10但是,等等——
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4:10 - 4:14水是怎么在零点以上结冰的呢?
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4:14 - 4:16蒸发可能在其中起到了一定的作用,
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4:16 - 4:20但是还不够导致水变成冰。
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4:20 - 4:22一定有些别的东西
降低了它的温度。 -
4:23 - 4:25想象在窗台上有一块
正在冷却的馅饼。 -
4:26 - 4:29想让它冷却,它自身的热量
需要传递到凉爽些的地方, -
4:29 - 4:31也就是它周围的空气中。
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4:32 - 4:34听起来可能难以置信,
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4:35 - 4:40那一池水的热量实际上
扩散到了寒冷的太空中。 -
4:42 - 4:44这怎么可能呢?
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4:44 - 4:48就像大多数天然材料,
这一池的水也会 -
4:48 - 4:50以光的形式散发它的热量。
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4:51 - 4:53这个概念被称作热辐射。
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4:54 - 4:58实际上,我们现在都在以红外光的形式
向彼此以及我们周围的环境 -
4:58 - 5:00散发自身的热量,
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5:01 - 5:03我们实际上可以利用
热成像仪观察到这一现象, -
5:03 - 5:06并生成像这样的图像。
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5:07 - 5:09所以,那一池水把自身的热量
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5:09 - 5:11散播到了上方的大气中。
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5:11 - 5:13大气以及其中的分子
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5:13 - 5:16吸收并反射回了部分的热量。
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5:16 - 5:20而导致气候变化的温室效应
就是这样发生的。 -
5:20 - 5:23但很重要的一点在于,
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5:23 - 5:26我们的大气不会吸收所有的热量。
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5:27 - 5:30如果吸收了,我们将会
住在一个更温暖的星球。 -
5:30 - 5:31在某些波长下,
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5:32 - 5:35尤其是在 8 和 13 微米之间的波长下,
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5:35 - 5:39我们的大气相当于一个“传输窗口”。
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5:39 - 5:45这个窗口允许某些热量
以红外光的形式上升, -
5:45 - 5:48或者说逃逸,同时带走水池的热量。
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5:49 - 5:53并且它会逃逸到十分冷的地方。
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5:54 - 5:56从上层大气
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5:56 - 5:57到外太空的这段区域,
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5:57 - 6:01温度可以低至 -270ºC,
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6:01 - 6:04或者 -454ºF。
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6:05 - 6:09所以这一池水向天空释放的热量
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6:09 - 6:10比天空反射回来的热量要多。
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6:10 - 6:11因此,
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6:12 - 6:15这池水会冷却到低于周围的环境温度。
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6:16 - 6:20这种效应被称作 “夜空冷却”,
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6:20 - 6:21或者“辐射冷却”。
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6:21 - 6:25这一自然现象的重要性早已被
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6:25 - 6:27气候学家及气象学家所熟知。
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6:29 - 6:30当我了解到这些时,
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6:30 - 6:33我在斯坦福的博士研究已经接近尾声了。
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6:33 - 6:37我为如此简单的冷却方法所震惊,
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6:38 - 6:39但也十分的困惑。
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6:39 - 6:41为什么我们还没有
充分利用这一现象呢? -
6:43 - 6:46在过去的数十年中,
科学家和工程师已经对这一想法 -
6:46 - 6:47展开了研究。
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6:47 - 6:50但是他们发现,至少还需要
解决一个大问题。 -
6:51 - 6:54这个现象被称作“夜空冷却”是有原因的。
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6:54 - 6:55为什么呢?
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6:55 - 6:57因为有种小东西叫做太阳。
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6:58 - 7:01当地球表面正在冷却时,
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7:01 - 7:02它需要朝向天空。
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7:03 - 7:04在中午时分,
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7:04 - 7:07在我们最需要冷却什么东西的时候,
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7:08 - 7:10很遗憾,这些东西也需要面朝太阳。
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7:11 - 7:12而太阳会将大多数材料加热,
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7:12 - 7:15足以完全抵消这种冷却效果。
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7:16 - 7:18我和同事花费了很多时间
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7:18 - 7:20思考如何打造
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7:20 - 7:22一种微型材料——
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7:22 - 7:25它的尺寸比光本身的波长更小——
从而利用阳光 -
7:25 - 7:28做一些新奇且实用的事情。
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7:28 - 7:30利用这个领域的知识,
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7:30 - 7:33即纳米光子学,或超材料研究,
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7:33 - 7:36我们首次发现了在白天
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7:36 - 7:38让这个构想成为现实的方式。
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7:38 - 7:41为了实现这个目的,
我设计了这张显微图片中的 -
7:41 - 7:43多层光学材料,
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7:43 - 7:46它比人的头发丝细 40 多倍,
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7:46 - 7:49并且能够同时实现两种功能。
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7:49 - 7:51首先,它可以恰到好处的
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7:51 - 7:55散发出大气能够向外传导的热量。
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7:55 - 7:57我们把这扇窗开向宇宙。
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7:58 - 8:01其次,它不会被太阳加热,
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8:01 - 8:03而是可以像镜子一样
高效的反射太阳光。 -
8:04 - 8:07我第一次测试这种材料
是在斯坦福的楼顶, -
8:07 - 8:08就在图片里的这个位置。
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8:09 - 8:12我将这个设备放置在室外,
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8:12 - 8:15几分钟后,当我走上前查看,
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8:15 - 8:17就立刻知道它凑效了。
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8:18 - 8:19我是怎么知道的呢?
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8:19 - 8:20它摸起来挺凉快的。
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8:21 - 8:26(掌声)
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8:27 - 8:31为了强调这多么的违反直觉:
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8:31 - 8:33把类似这样的材料
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8:33 - 8:36放置在阳光下,
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8:36 - 8:38它们的温度反而会降低。
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8:38 - 8:40这是我们第一次的测试数据,
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8:40 - 8:43即使把它放在太阳光下,
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8:43 - 8:47材料表面的温度始终维持在
比周围大气温度 -
8:47 - 8:50还要低 5 ºC (9 ºF)的水平。
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8:51 - 8:54我们用来制造这种材料的方法
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8:54 - 8:57实际上已经规模化了。
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8:57 - 8:58这让我激动万分,
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8:58 - 9:01因为我们不仅做出了很酷的东西,
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9:01 - 9:06并且很可能有机会
实现大规模的实际应用。 -
9:07 - 9:09这也引出了下一个大问题。
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9:09 - 9:11怎么通过这个想法来节约能源?
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9:12 - 9:15我们相信,这项技术最直接的节能方式
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9:15 - 9:17是提高当今
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9:17 - 9:20空调和制冷系统的效率。
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9:21 - 9:23为了做到这一点,我们
已经建造了流体冷却板, -
9:23 - 9:24正如图片中展示的一样。
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9:24 - 9:27这些节能板看起来很像
太阳能热水器, -
9:27 - 9:30却有着截然相反的功能——
使用我们发明的材料 -
9:30 - 9:32被动的冷却水。
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9:33 - 9:35然后,这些面板可以与一个
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9:35 - 9:38几乎每个冷却系统
都拥有的部件,冷凝器 -
9:38 - 9:41进行结合,以提高该系统的潜在效率。
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9:41 - 9:43如图所示,我们的初创公司
SkyCool Systems -
9:43 - 9:47如今已经在加利福尼亚州的
戴维斯市完成了实地测试。 -
9:48 - 9:49在这项演示中,
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9:49 - 9:52我们证明了可以将现场
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9:52 - 9:55冷却系统的效率提高最多 12%。
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9:55 - 9:57在未来的一两年内,
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9:57 - 10:01我非常期待这项技术
能够在空调和制冷领域 -
10:01 - 10:04开展第一个商业规模的试验。
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10:04 - 10:08在未来,我们也许能够将这类面板
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10:08 - 10:11与更高效的建筑冷却系统相结合,
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10:11 - 10:14从而减少三分之二的能源消耗。
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10:14 - 10:18最终,我们也许能够打造
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10:18 - 10:20一个完全不需要
电力供应的冷却系统。 -
10:21 - 10:22作为迈向这一目标的第一步,
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10:23 - 10:24我和斯坦福的同事
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10:24 - 10:26已经证明了,通过更好的工程设计,
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10:26 - 10:31我们可以让材料维持在比气温
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10:31 - 10:32低 42ºC 以上的温度。
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10:33 - 10:34谢谢。
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10:34 - 10:38(掌声)
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10:39 - 10:40不妨想象一下——
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10:40 - 10:44在炎热的夏天,拥有一些
低于冰点的东西。 -
10:46 - 10:50我对于冷却技术的
巨大潜能感到十分激动, -
10:50 - 10:54并且我认为仍然有
许多事情需要完成。 -
10:54 - 10:57作为科学家,我也被
这项工作所凸显的 -
10:57 - 10:59意义深远的机会所吸引。
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11:00 - 11:03我们可以利用寒冷的黑暗太空
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11:03 - 11:05加速地球上每一个
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11:05 - 11:08与能源相关的过程。
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11:09 - 11:12我想强调的其中一个工程
就是太阳能电池。 -
11:13 - 11:14它们会在太阳光下被加热,
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11:14 - 11:17但随着温度升高,效率会逐渐下降。
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11:17 - 11:21在 2015 年,我们展示了
在太阳能电池的顶部 -
11:21 - 11:23加上一些精心设计的微观结构,
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11:23 - 11:26就可以更好的利用冷却效果
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11:26 - 11:29来使太阳能电池被动的保持低温。
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11:30 - 11:32这保证了电池更高的操作效率。
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11:33 - 11:36我们正在探索更多类似的机会。
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11:36 - 11:39我们想知道,是否可以
使用太空中的低温 -
11:39 - 11:41来帮助我们节约用水,
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11:41 - 11:44又或者在离网的状态下实现。
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11:44 - 11:48也许,我们甚至可以
直接利用这种低温来发电。 -
11:49 - 11:51地球表面与寒冷的太空之前
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11:51 - 11:53存在着很大的温差。
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11:53 - 11:55至少在概念上,这种差异
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11:55 - 11:57能够被用来启动所谓的“热力发动机”
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11:57 - 11:59进行发电。
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12:00 - 12:04我们能不能制造
一个夜间发电装置, -
12:04 - 12:06当太阳能电池不工作的时候,
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12:06 - 12:08来产生大量的替代电能?
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12:08 - 12:10我们能不能从黑暗当中产生光?
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12:12 - 12:16这种能力的核心在于
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12:16 - 12:19管理我们周围的热辐射。
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12:19 - 12:22在我们的四周,红外线辐射无处不在;
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12:23 - 12:25如果我们能够让它为我们所用,
-
12:25 - 12:28就可以彻底改变遍布在我们身边的
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12:28 - 12:31热量和能量流动。
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12:31 - 12:35这种能力,再加上
宇宙的寒冷黑暗, -
12:35 - 12:38能够指引我们的未来——
作为一个文明, -
12:38 - 12:43我们或许能够
在非常大的尺度上更智能的管理 -
12:43 - 12:45我们的热能足迹。
-
12:46 - 12:48在面对气候变化时,
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12:48 - 12:51我相信,在我们的工具箱中
拥有这样一种能力 -
12:51 - 12:52将被证明是至关重要的。
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12:53 - 12:56因此,下一次你在户外散步,
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12:57 - 13:03在惊叹太阳对地球的生命
如此重要的同时, -
13:03 - 13:08也不要忘记,天空的其他部分
也可以为我们提供一些东西。 -
13:08 - 13:09谢谢。
-
13:09 - 13:14(掌声)
- Title:
- 如何将外太空的寒冷转变为新型能源
- Speaker:
- 阿斯瓦特·拉曼
- Description:
-
如果我们能使用外太空的寒冷黑暗来冷却地球上的建筑会怎么样?在这个令人大开眼界的演讲中,物理学家阿斯瓦特·拉曼(Aaswath Raman)详细解释了他打造的“夜空冷却”技术——一种红外光逃逸地球冲向太空,并带走热量的自然现象——如何能够极大地减少我们的冷却系统所使用的能量。一起来了解这种方法如何引导我们走向智能地利用宇宙能量的未来。
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 13:30
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