如何将外太空的寒冷转变为新型能源

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。

在我小的时候，每到夏天，

我都会从加拿大的家里飞去看望

住在印度的祖父母。

加拿大夏季的气候还算宜人——

温度通常在 22ºC （72ºF）左右，

并不算很热。

然而，孟买是个闷热潮湿的地方，

夏天的平均气温大概是 30ºC （90ºF）。

每次到了孟买，我都会好奇，

“人们怎么能在如此的天气
生活、工作和睡觉呢？”

更糟糕的是，
我的祖父母家里没有空调。

但即使我用尽浑身解数，

也没能说服他们买一台。

但是这种情况正在得到快速改善。

如今，冷却系统的耗能总共占到了

全球电力供应的 17%，

其中就包括我在暑假

热切渴望拥有的空调系统，

在超市中保证我们的食品

安全新鲜的制冷系统。

以及保证我们的数据中心
正常运行的工业级制冷系统。

这些系统一共贡献了

全球温室气体排放量的 8%。

但是令我夜不能寐的是，

我们用于冷却的能源
可能在 2050 年之前增加 6 倍，

主要是由于亚洲以及
非洲国家能源消耗的增长。

我亲眼目睹了这一切。

我祖父母家周围的每个公寓

如今几乎都安装了空调。

这对生活在中高温地带的

居民的健康、幸福以及生产活动

明显是有益的。

但是，对于气候变化，
最应为我们敲响警钟的是，

我们的地球越温暖，

我们对冷却系统的需求就越大——

而这些系统本身
又是温室气体排放的源头。

这就有可能会引起反馈循环，

在本世纪晚些时候，

单单是这些冷却系统就会成为

最大的温室气体来源。

在最坏的情况下，

到了 2100 年底，每年我们
用来冷却的电能就有可能

超过10 万亿千瓦时。

这是如今全球电力供应的一半，

还仅仅是用于冷却。

不过，这也为我们
提供了一个绝佳的机会。

把冷却系统的效率提升 10%-20%，

就会对温室气体排放
产生巨大的影响，

不论是在今天，还是几十年后。

并且，还能帮助我们
避免最坏情况下的反馈循环。

我是一名科学家，致力于研究光和热，

尤其是新材料如何能够

以我们一度难以想象的方式

改变这些自然基本元素的流动方式。

所以，虽然我非常清楚
冷却系统在炎热的暑期

所扮演的重要角色，

但我之所以对这个问题非常感兴趣，

是因为六年前我遇到的一个智力题。

古代人是怎么
在沙漠气候中制造出冰的？

这是一座冰屋的照片，

也叫做“冰坑”，
坐落于伊朗的西南部。

伊朗境内遍布着几十处这样的废墟，

中东的其他地方也有
类似建筑存在的证据，

并且一直延伸到中国。

几世纪前操作冰屋的人

会在傍晚太阳落山的时候，

将水倾倒在图中左侧的水池里。

随后，神奇的一幕发生了。

即使周围空气的温度可能在冰点以上，

比如 5ºC （41ºF），

水依然会结冰。

人们会在黎明时分收集生成的冰，

储存在图片右侧的建筑中备用，

整个过程一直重复到夏天结束。

如果你在空气温度
高于冰点的晴朗的夜晚

注意过地面上的霜，

你就会发现二者的相似之处。

但是，等等——

水是怎么在零点以上结冰的呢？

蒸发可能在其中起到了一定的作用，

但是还不够导致水变成冰。

一定有些别的东西
降低了它的温度。

想象在窗台上有一块
正在冷却的馅饼。

想让它冷却，它自身的热量
需要传递到凉爽些的地方，

也就是它周围的空气中。

听起来可能难以置信，

那一池水的热量实际上
扩散到了寒冷的太空中。

这怎么可能呢？

就像大多数天然材料，
这一池的水也会

以光的形式散发它的热量。

这个概念被称作热辐射。

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

散发自身的热量，

我们实际上可以利用
热成像仪观察到这一现象，

并生成像这样的图像。

所以，那一池水把自身的热量

散播到了上方的大气中。

大气以及其中的分子

吸收并反射回了部分的热量。

而导致气候变化的温室效应
就是这样发生的。

但很重要的一点在于，

我们的大气不会吸收所有的热量。

如果吸收了，我们将会
住在一个更温暖的星球。

在某些波长下，

尤其是在 8 和 13 微米之间的波长下，

我们的大气相当于一个“传输窗口”。

这个窗口允许某些热量
以红外光的形式上升，

或者说逃逸，同时带走水池的热量。

并且它会逃逸到十分冷的地方。

从上层大气

到外太空的这段区域，

温度可以低至 -270ºC，

或者 -454ºF。

所以这一池水向天空释放的热量

比天空反射回来的热量要多。

因此，

这池水会冷却到低于周围的环境温度。

这种效应被称作 “夜空冷却”，

或者“辐射冷却”。

这一自然现象的重要性早已被

气候学家及气象学家所熟知。

当我了解到这些时，

我在斯坦福的博士研究已经接近尾声了。

我为如此简单的冷却方法所震惊，

但也十分的困惑。

为什么我们还没有
充分利用这一现象呢？

在过去的数十年中，
科学家和工程师已经对这一想法

展开了研究。

但是他们发现，至少还需要
解决一个大问题。

这个现象被称作“夜空冷却”是有原因的。

为什么呢？

因为有种小东西叫做太阳。

当地球表面正在冷却时，

它需要朝向天空。

在中午时分，

在我们最需要冷却什么东西的时候，

很遗憾，这些东西也需要面朝太阳。

而太阳会将大多数材料加热，

足以完全抵消这种冷却效果。

我和同事花费了很多时间

思考如何打造

一种微型材料——

它的尺寸比光本身的波长更小——
从而利用阳光

做一些新奇且实用的事情。

利用这个领域的知识，

即纳米光子学，或超材料研究，

我们首次发现了在白天

让这个构想成为现实的方式。

为了实现这个目的，
我设计了这张显微图片中的

多层光学材料，

它比人的头发丝细 40 多倍，

并且能够同时实现两种功能。

首先，它可以恰到好处的

散发出大气能够向外传导的热量。

我们把这扇窗开向宇宙。

其次，它不会被太阳加热，

而是可以像镜子一样
高效的反射太阳光。

我第一次测试这种材料
是在斯坦福的楼顶，

就在图片里的这个位置。

我将这个设备放置在室外，

几分钟后，当我走上前查看，

就立刻知道它凑效了。

我是怎么知道的呢？

它摸起来挺凉快的。

（掌声）

为了强调这多么的违反直觉：

把类似这样的材料

放置在阳光下，

它们的温度反而会降低。

这是我们第一次的测试数据，

即使把它放在太阳光下，

材料表面的温度始终维持在
比周围大气温度

还要低 5 ºC （9 ºF）的水平。

我们用来制造这种材料的方法

实际上已经规模化了。

这让我激动万分，

因为我们不仅做出了很酷的东西，

并且很可能有机会
实现大规模的实际应用。

这也引出了下一个大问题。

怎么通过这个想法来节约能源？

我们相信，这项技术最直接的节能方式

是提高当今

空调和制冷系统的效率。

为了做到这一点，我们
已经建造了流体冷却板，

正如图片中展示的一样。

这些节能板看起来很像
太阳能热水器，

却有着截然相反的功能——
使用我们发明的材料

被动的冷却水。

然后，这些面板可以与一个

几乎每个冷却系统
都拥有的部件，冷凝器

进行结合，以提高该系统的潜在效率。

如图所示，我们的初创公司
SkyCool Systems

如今已经在加利福尼亚州的
戴维斯市完成了实地测试。

在这项演示中，

我们证明了可以将现场

冷却系统的效率提高最多 12%。

在未来的一两年内，

我非常期待这项技术
能够在空调和制冷领域

开展第一个商业规模的试验。

在未来，我们也许能够将这类面板

与更高效的建筑冷却系统相结合，

从而减少三分之二的能源消耗。

最终，我们也许能够打造

一个完全不需要
电力供应的冷却系统。

作为迈向这一目标的第一步，

我和斯坦福的同事

已经证明了，通过更好的工程设计，

我们可以让材料维持在比气温

低 42ºC 以上的温度。

谢谢。

（掌声）

不妨想象一下——

在炎热的夏天，拥有一些
低于冰点的东西。

我对于冷却技术的
巨大潜能感到十分激动，

并且我认为仍然有
许多事情需要完成。

作为科学家，我也被
这项工作所凸显的

意义深远的机会所吸引。

我们可以利用寒冷的黑暗太空

加速地球上每一个

与能源相关的过程。

我想强调的其中一个工程
就是太阳能电池。

它们会在太阳光下被加热，

但随着温度升高，效率会逐渐下降。

在 2015 年，我们展示了
在太阳能电池的顶部

加上一些精心设计的微观结构，

就可以更好的利用冷却效果

来使太阳能电池被动的保持低温。

这保证了电池更高的操作效率。

我们正在探索更多类似的机会。

我们想知道，是否可以
使用太空中的低温

来帮助我们节约用水，

又或者在离网的状态下实现。

也许，我们甚至可以
直接利用这种低温来发电。

地球表面与寒冷的太空之前

存在着很大的温差。

至少在概念上，这种差异

能够被用来启动所谓的“热力发动机”

进行发电。

我们能不能制造
一个夜间发电装置，

当太阳能电池不工作的时候，

来产生大量的替代电能？

我们能不能从黑暗当中产生光？

这种能力的核心在于

管理我们周围的热辐射。

在我们的四周，红外线辐射无处不在；

如果我们能够让它为我们所用，

就可以彻底改变遍布在我们身边的

热量和能量流动。

这种能力，再加上
宇宙的寒冷黑暗，

能够指引我们的未来——
作为一个文明，

我们或许能够
在非常大的尺度上更智能的管理

我们的热能足迹。

在面对气候变化时，

我相信，在我们的工具箱中
拥有这样一种能力

将被证明是至关重要的。

因此，下一次你在户外散步，

在惊叹太阳对地球的生命
如此重要的同时，

也不要忘记，天空的其他部分
也可以为我们提供一些东西。

谢谢。

（掌声）