如何把外太空的低溫轉變為可再生的資源

如果我們能用外太空的寒冷黑暗來冷卻地球上的建築物，那會如何？在這場驚奇的演說中，物理學家奧斯瓦斯拉曼 (Aaswath Raman) 詳細說明了他正在開發的技術，這項技術駕馭「夜空冷卻」這種自然的現象，讓紅外線把熱帶離地球，送上太空前去，大大減少我們的冷卻系統所需要的能源。來進一步了解這種方式如何能引領我們在未來能夠智慧地發掘宇宙的能量。

在我成長過程中，每年夏天，

我會從我在加拿大的家，
搭飛機去看我的祖父母，

他們住在印度孟買。

現在加拿大的夏天很暖和，

最高大約攝氏 22 度或華氏 72 度，

這是典型的夏日，不算太熱。

另一方面，孟買
是個又熱又濕的地方，

會超過攝氏 30 度或華氏 90 度。

一抵達孟買，我就會問：

「怎麼可能有人在這種天氣
生活、工作，或睡覺？」

更糟的是，我的祖父母沒有冷氣。

我已經盡了我最大的努力，

但我始終無法
說服他們裝一台冷氣。

但這狀況在改變，且改變得很快。

現今的冷卻系統所用的電量加總起來

佔全世界用電量的 17%。

包括從我暑假

超想要的冷氣，

到超級市場中確保我們的食物安全

且存放於低溫的冷藏系統，

到確保我們資料儲存中心
能順利運作的工業規模冷卻系統。

這些系統所排放的溫室氣體加起來

佔全球總排放的 8%。

但，讓我睡不著覺的，

是我們用在冷卻上的能量，
到 2050 年時可能會增為六倍，

主要的原因是亞洲
和非洲國家的用量增加。

我親眼見過。

幾乎我祖母家附近的每一間公寓，

現在都有冷氣了。

那很明顯是件好事，

就溫暖氣候地區居民的健康、

幸福，以及生產力而言。

然而關於氣候變遷最大的警訊之一，

就是當地球變得更暖和，

我們就會更需要冷卻系統，

這些系統本身就是
溫室氣體排放的來源。

這就有可能會形成一個惡性循環，

光是冷卻系統

就能在這個世紀後期變成最大的

溫室氣體來源。

在最糟的狀況中，

到 2100 年時，
光為了冷卻，我們可能每年

就會需要超過
十兆千瓦小時的電力。

那是現今我們電力總供應量的一半。

光為了冷卻。

但這也為我們點出了
一個很棒的機會。

如果每一種冷卻系統在效能上
都能有 10%~20% 的改善，

就會對溫室氣體的排放
有非常大的影響，

對於現今以及本世紀後期都是如此。

且它能協助我們避免發生
最糟狀況的惡性循環。

我是一位常常在思考
光和熱的科學家。

我特別著重研究新材料
如何能協助我們改變

大自然這些基本元素的流動方式，

用我們以前認為
不可能的方式來做到。

所以，我一直都懂

暑假降溫的重要性，

由於六年前我遇到的智力難題，

我實際上已經完成了
解決這個問題的工作。

古人怎麼能在沙漠氣候下製冰？

這張照片中的是一間冰室，

也叫做「Yakhchal」，
位在伊朗西南部。

在伊朗各地，有數十個
這類建築物的遺跡，

有證據顯示，這類建築物
還遍及了中東其它地區，

一路延伸到中國。

幾百年前使用這些冰室的人

會把水倒入照片左側的池子中，

時機是太陽下山，
剛剛進入傍晚的時候。

接著，神奇的事就會發生。

雖然空氣中的溫度還在冰點以上，

比如攝氏 5 度，或華氏 41 度，

水卻會結冰。

一大清早，產出的冰
就會被收集起來，

儲存放在右邊的建築物裡備用，

夏季的所有月份就是這樣渡過。

你們其實有可能見過
類似的現象發生，

如果你有注意過，在晴天晚上，
即使空氣溫度在冰點以上，

地面也會形成霜，就是類似的現象。

但，等等。

如果空氣溫度沒有低於冰點，
為什麼水會結冰？

蒸發的效應就很重要了，

但光是這點還不夠讓水變成冰。

還要有其他東西來將水冷卻。

想像一個派，在窗臺上冷卻。

若要讓它冷下來，
就要讓熱流到比較冷的地方。

也就是，流到它周圍的空氣中。

雖然這聽起來很不合情理，

一池水的熱怎麼可能
流到低溫的外太空中。

這怎麼有可能發生？

嗯，那池水和大部分的
自然材料一樣，

以光的方式將熱發送出去。

這概念就是大家所知的「熱輻射」。

事實上，我們現在都在
用紅外線光的方式把我們的熱

發送給彼此和周遭的環境。

使用熱感攝影機
就能將這現象視覺化，

它們所產出的影像，
就會類似各位現在看到的這一張。

所以，這一池水把它的熱

向上發送到大氣中。

大氣以及大氣中的分子

會吸收其中一些熱，再發送回來。

那其實就是造成
氣候變遷的溫室效應。

但在這裡要了解一個關鍵。

我們的大氣並不會吸收所有的熱。

如果會的話，地球就會更暖和許多。

在某些波長，

特別是在 8~13 微米之間，

我們的大氣有個所謂的傳送窗口。

這扇窗會讓其中一些
以紅外線方式向上發送的熱

有效地發散傳送，將池水的熱給帶走。

這些熱會發散到一個更冷的地方 :

大氣上層的低溫當中，

以及一路到外太空中，

外太空的溫度可以
低到攝氏 -270 度，

或華氏 -454 度。

所以那池水發送到天空中的熱

就多於天空發送回來的熱。

基於這個理由，

那池水會冷卻到比環境更低的溫度。

那就是一般所知的夜空冷卻，

或稱輻射冷卻。

氣候科學家和氣象學家一直都知道

這是個非常重要的自然現象。

當我接觸到這些資訊時，

我已經快要拿到
史丹佛的博士學位了。

這種冷卻方法表面是如此簡單，
背後卻又是個複雜的謎，

這讓我感到困惑。

我們為什麼不好好利用它？

在過去數十年，科學家和工程師

都在研究這個機制。

但結果發現，至少有一個大問題。

它被稱為夜空冷卻，是有原因的。

為什麼？

因為有個小東西，叫做太陽。

要進行冷卻的表面，

必需要能夠面向天空。

在日正當中時，

我們最希望的就是能冷到最低點，

很不幸的，在那時候
你得要向上看向太陽。

而太陽會把大部分的物質加熱，

熱到足以完全抵消掉這種冷卻效應。

同事和我花了很多時間思考

要如何建構出波長極短的材料，

讓它們能與光反應
產生新的、有用的東西——

波長要小於光本身的波長。

使用這個領域的洞見，

也就是一般所知的
奈米光子或超材料研究，

我們首次發現可能有種辦法
能夠在白天實現這一點，

我為此設計了一種多層的光學材料，

在這張顯微鏡影像中可以看見。

它比一般人髮的 40 分之一還要薄。

它能夠同時做兩件事。

首先，它能精準地把熱發送到大氣層

達到最佳的降溫效果。

我們對準了通往太空的窗戶。

第二是它能避免被太陽加溫。

它是面很好的太陽光反射鏡。

我第一次測試它時，
是在史丹佛的屋頂上，

各位在照片上可以看見。

我把這個裝置留在那裡一陣子，

幾分鐘之後，我走向它，

在幾秒鐘之內，我就知道它有用。

如何知道的？

我摸了它，摸起來是冷的。

（掌聲）

再強調一下這個現象
有多怪異且和直覺不符：

這種材料及其它相似的材料

如果離開陰影反而會變得更冷，

即使是被陽光直射著。

各位現在看到的
是我們第一次實驗的資料，

當時那材料的溫度比空氣的溫度

低攝氏 5 度或華氏 9 度，

即使太陽光直射在它上面。

實際量產這種材料的方法已然存在。

我非常興奮，

因為我們不只是
發明出了很酷的東西，

我們可能真的有機會
做出很有用的東西來。

那就帶出了下一個大問題。

要如何用這個點子，來節省能源？

我們相信，若要用這項技術
來節省能源，最直接的方式

就是對現今的冷氣

和冰箱系統進行效能的提升。

為此，我們打造了液態的冷卻板，

就像畫面上的這種。

它們的外型和太陽能熱水器很相似，

差別在於功能相反，

它們能用我們的特殊材料
被動地讓水冷卻。

這些冷卻板可以和一個元件整合，

幾乎所有冷卻系統
都有這個元件：冷凝器，

目的是要改善系統的根本效率。

我們的新創公司叫
SkyCool Systems，

目前已經在加州戴維斯
完成了實地測試，如照片所示。

在那次展示中，

我們展現了我們在實做上真的能夠

改善冷卻系統的效率達 12%。

在接下來的一、兩年，

我很興奮地期待能看到
商業規模的測試開始進行，

用在包括冷氣以及冰箱上。

在未來，我們可能可以
把這些冷卻板整合到

更高效能的建築冷卻系統中，

將這些系統所需要使用的
能源減少三分之二。

最終，我們可能可以打造一個完全

不需要電力輸入的冷卻系統。

要做到這點，第一步，

我和史丹佛的同事

已經讓大家看到，確實可以

將物體維持在比空氣溫度
低攝氏 42 度的狀態，

用更好的工程方式就能做到。

謝謝。

（掌聲）

想像一下，

在炎熱的夏日，有低於冰點的東西。

所以，雖然我對於我們
能為冷卻做出的貢獻感到很興奮，

但我認為還有很多還沒完成的，

身為科學家，我也被
這項發明所強調出來的

深刻機會給深深吸引著。

我們可以利用太空的寒冷黑暗

來改善地球上

每一項與能源有關過程的效能。

我想要特別提出來的
其中一種過程，就是太陽能板。

在太陽下，它們會被加溫，

當它們本身越熱，就越沒沒效率。

2015 年，我們展示出在太陽能板上方

刻意加上微結構，

就能夠更善加利用這種冷卻效應，

來被動地將太陽能板保持在較低的溫度。

這樣太陽能板就能更有效地運作。

我們還在進一步研究這些機會。

我們在問的問題是，
我們是否能用太空的低溫

來協助我們做水資源保存。

或許協助我們不再使用電網。

我們甚至可以直接用這低溫來發電。

我們地球這裡的溫度和太空的低溫

有很大的落差。

那種落差，至少在概念上，

可以被用來驅動所謂的熱引擎，

來產生電力。

那麼我們是否能夠做出
一種夜晚的發電裝置，

能夠產生夠用的電力，

在太陽能板不能運作時代勞呢？

我們能否用黑暗來產生光？

這項能力的關鍵，在於要能夠管理

我們周遭的熱輻射。

我們經常處在紅外線光之中；

如果我們願意改變這一切，

我們就能深深地改變每天在我們周圍

比比皆是的熱與能量之流動。

這種能力，再加上太空的寒冷黑暗，

就能為我們的文明指點未來的方向，

讓我們能更智慧地
管理我們的熱能足跡，

且能做到非常大的規模。

我們正在面臨氣候變遷，

我相信把這能力放入我們的工具箱

非常的重要。

所以，下次當你在外面四處走動時，

是的，當我們對太陽
在地球生命的重要性感到驚艷時，

也別忘了天空中的其它部分，
也能為我們提供某些資源。

謝謝。

（掌聲）