Setiap musim panas semasa kecil saya,
saya pergi dari rumah saya di Kanada untuk menjenguk kakek nenek saya
di Mumbai, India.
Musim panas di Kanada cukup sejuk --
sekitar 22 derajat Celcius atau 72 derajat Farenheit
ini musim panas yang biasa, dan tidak terlalu panas
Sedangkan Mumbai, adalah tempat yang panas dan lembab
sekitar 30-an Celcius atau 90-an Farenheit.
Saat saya mendarat di Mumbai, saya berpikir,
"Bagaimana orang bisa hidup, bekerja atau tidur dalam cuaca seperti ini?"
Parahnya, kakek nenek saya tidak memiliki pendingin ruangan.
Dan meskipun saya berusaha sebisa mungkin,
Saya tidak berhasil membujuk mereka untuk membelinya.
Tetapi kondisi berubah dan dengan cepat.
Sistem pendingin saat ini secara keseluruhan menyumbang 17 persen
dari listrik yang kita gunakan di seluruh dunia.
Ini termasuk semuanya dari pendingin ruangan
yang saya sangat inginkan pada liburan musim panas saya
pada sistem pendingin yang membuat makanan tetap baik dan dingin
di supermarket,
hingga sistem skala industri yang menjaga agar pusat data tetap bekerja.
Secara keseluruhan, sistem-sistem ini menyumbang delapan persen
dari emisi gas rumah kaca secara global.
Tapi, ini yang membuat saya gelisah tiap malam
bahwa penggunaan energi untuk pendingin bisa meningkat enam kali lipat pada 2050,
terutama penggunaan yang meningkat pada negara-negara di Asia dan Afrika.
Saya menyaksikan ini secara langsung.
Hampir setiap apartemen di sekitar dan di tempat nenek saya
sekarang mempunyai pendingin ruangan.
Dan itu, sungguh merupakan hal yang baik
untuk kesehatan, kesejahteraan, dan produktivitas
bagi orang yang hidup di iklim panas.
Namun, salah satu hal paling mengkhawatirkan tentang perubahan iklim
bahwa semakin panas planet kita,
semakin kita butuh sistem pendingin --
sistem yang menjadi penghasil besar emisi gas rumah kaca.
Ini berpotensi menyebabkan suatu umpan balik,
dengan sistem pendingin saja
dapat menjadi penghasil emisi gas rumah kaca terbesar
pada abad ini.
Pada kasus terburuk,
kita mungkin memerlukan lebih dari 10 triliun kWh listrik setiap tahun,
hanya untuk pendinginan pada tahun 2100.
Itu setengah dari listrik kita yang tersedia saat ini.
Hanya untuk sistem pendingin.
Tetapi ini mungkin dapat mengarahkan kita pada peluang yang besar.
Peningkatan efisiensi dari setiap sistem pendingin sebesar 10 atau 20 persen
dapat berpengaruh besar pada emisi gas rumah kaca kita,
saat ini dan di masa depan.
Dan itu dapat mencegah kasus umpan balik tersebut.
Saya adalah ilmuwan yang banyak bekerja tentang cahaya dan panas.
Khususnya, bagaimana bahan baru dapat mengubah aliran
dari unsur dasar alam ini
dalam cara yang kami dulu kira mustahil.
Seiring saya memahami arti pendinginan,
selama liburan musim panas saya,
saya bergairah mengerjakan masalah ini
karena teka-teki intelektual yang saya temui sekitar enam tahun yang lalu.
Bagaimana manusia zaman dulu dapat membuat es di iklim gurun?
Ini adalah foto rumah es,
juga bernama Yakhchal, yang terletak di barat laut Iran.
Ada lusinan runtuhan seperti ini di seluruh Iran,
dengan bukti dari bangunan yang hampir sama di seluruh Timur Tengah
dan sampai ke Cina.
Orang-orang yang membuat rumah es ini berabad-abad yang lalu
akan menuangkan air ke kolam yang Anda lihat di sisi kiri
pada sore hari, saat matahari mulai tenggelam,
Lalu terjadi sesuatu yang menakjubkan.
Meskipun suhu udara mungkin di atas titik beku,
misal 5 derajat Celcius atau 41 derajat Fahrenheit,
air tadi bisa membeku.
Es yang dihasilkan lalu dikumpulkan di pagi hari
dan disimpan untuk penggunaan di gedung yang Anda lihat di sisi kanan.
begini terus dilakukan, sepanjang musim panas.
Anda mungkin pernah melihat sesuatu yang serupa
jika Anda perhatikan embun membeku di tanah pada malam yang cerah,
bahkan saat suhu udaranya jauh di atas titik beku.
Tunggu.
Bagaimana air dapat membeku jika suhu udara di atas titik beku?
Penguapan mungkin punya pengaruh,
tetapi itu tidak cukup untuk menyebabkan air menjadi es.
Pasti sesuatu yang lain membekukannya.
Bayangkan kue yang didinginkan dekat jendela.
Biar bisa dingin, panasnya harus mengalir ke tempat yang lebih sejuk,
Tak lain, udara yang mengelilinginya.
Meski tidak masuk akal kedengarannya,
untuk kolam air itu, panasnya sebenarnya mengalir ke luar angkasa.
Bagaimana bisa?
Kolam air itu, seperti kebanyakan bahan alami
mengirimkan panasnya sebagai cahaya.
Konsep ini dinamakan radiasi termal.
Sebenarnya, kita semua mengantarkan panas sebagai cahaya inframerah sekarang
kepada satu sama lain dan sekeliling kita.
Kita dapat menggambarkan ini menggunakan kamera termal
dan gambar yang dihasilkan, seperti yang saya tunjukkan sekarang.
Jadi kolam air itu mengantarkan panasnya
ke atas menuju atmosfer.
Atmosfer dan molekul di dalamnya
menyerap sebagian panasnya itu dan mengirimnya kembali.
Itu sebenarnya efek rumah kaca yang bertanggungjawab atas perubahan iklim.
Tetapi ini adalah hal paling penting untuk difahami,
Atmosfer kita tidak menyerap semua panas itu.
Jika diserap semua, kita akan berada di planet yang jauh lebih panas.
Pada panjang gelombang tertentu,
khususnya di antara delapan dan 13 mikron,
atmosfer kita mempunyai apa yang disebut jendela transmisi.
Jendela ini memungkinkan sebagian panas yang naik sebagai cahaya inframerah
untuk keluar secara efektif, membawa panas kolam air.
Dan ia dapat pergi ke tempat yang jauh lebih dingin.
Ke atmosfer atas yang dingin
dan ke luar angkasa
yang dinginnya dapat mencapai minus 270 derajat Celcius,
atau minus 454 derajat Fahrenheit.
Jadi kolam air itu dapat mengantarkan panas ke langit yang lebih banyak
daripada yang dikembalikan oleh langit.
Dan karena itu,
kolam akan mendingin di bawah suhu lingkungannya.
Efek ini dikenal dengan pendinginan langit malam,
atau pendinginan radiatif.
Dan ini sudah dipahami oleh ilmuwan iklim dan ahli cuaca
sebagai fenomena alami yang sangat penting.
Saat saya menemukan semua ini,
yaitu saat akhir S3 saya di Stanford.
Dan saya kagum dengan betapa sederhana cara pendinginan
tetapi juga membingungkan.
Mengapa kita tidak memanfaatkan ini?
Nah, ilmuwan dan insinyur telah meneliti ide ini
dalam puluhan tahun sebelumnya.
Tetapi ada satu masalah besar.
Dinamakan pendinginan langit malam untuk suatu alasan.
Mengapa?
Baik, ini hal kecil bernama matahari.
Jadi, untuk permukaan yang melakukan pendinginannya,
permukaannya harus menghadap langit.
Dan di saat tengah siang hari,
saat kita saat menginginkan sesuatu yang dingin,
sayangnya, itu berarti Anda harus menghadap ke matahari,
Dan matahari memanaskan banyak benda,
cukup panas untuk sepenuhnya menetralkan efek pendinginan ini.
Saya dan rekan-rekan menghabiskan banyak waktu
memikirkan bagaimana kami dapat menyusun bahan
pada skala panjang yang sangat kecil
agar mereka dapat melakukan hal yang baru dan berguna dengan cahaya --
skala panjang yang lebih kecil dari panjang gelombang cahaya sendiri.
Menggunakan pengetahuan dari bidang ini,
yang bernama nanofotinik atau riset metamaterial,
kami sadar ada jalan yang ini bisa dilakukan pada siang hari
untuk pertama kalinya.
Untuk melakukannya, saya mendesain bahan optik multilayer
ditunjukkan dalam gambar hasil mikroskop ini.
Ini 40 kali lebih tipis dari rambut manusia umumnya.
Dan ini dapat melakukan dua hal pada waktu yang sama.
Pertama, bisa mengeluarkan panas,
dengan tepat di mana atmosfer kita mengeluarkan panas.
Kami menyasar jendela ke luar angkasa.
Hal kedua yang dapat dilakukannya adalah menghindari pemanasan oleh matahari.
Ini cermin yang baik terhadap cahaya matahari.
Pertama kali saya menguji ini yaitu di atas atap kampus Stanford
yang saya tunjukkan di sini.
Saya meletakkan alat untuk beberapa saat,
dan saya melihatnya setelah beberapa menit,
dan dalam beberapa detik, saya tahu itu bekerja.
Bagaimana?
Saya menyentuhnya, dan rasanya dingin
(Tepuk tangan)
Hanya untuk menegaskan seberapa aneh dan berlawanan dengan intuisi ini:
bahan ini, dan bahan sepertinya,
akan bertambah dingin, saat kita mengeluarkannya dari tempat teduh
meskipun matahari bersinar di atasnya.
Saya menunjukkan data di sini dari percobaan pertama kami,
ketika bahan itu bertahan lebih dari lima derajat Celcius
atau sembilan derajat Farenheit, lebih dingin daripada suhu udara
meskipun matahari bersinar tepat di atasnya.
Metode pembuatan yang kami gunakan untuk membuat bahan ini
sudah ada pada skala volume besar.
Jadi saya sangat gembira,
karena kami tidak hanya membuat sesuatu yang keren
tapi juga kesempatan melakukan sesuatu yang nyata dan berguna.
Itu membawa saya ke pertanyaan besar berikutnya.
Bagaimana kita dapat menghemat energi dengan ide ini?
Kami percaya cara paling langsung untuk menghemat energi dengan teknologi ini
adalah peningkatan efisiensi
untuk sistem pendingin ruangan dan pendinginan makanan.
Untuk melakukan ini, kami bangun panel pendingin cairan.
seperti yang ditunjukkan di sini.
Bentuk panel ini seperti pemanas air tenaga surya,
tetapi melakukan hal sebaliknya -- airnya didinginkan, secara pasif,
menggunakan bahan khusus ini.
Panel ini kemudian dapat digabungkan dengan bagian
yang hampir semua sistem pendinginan memilikinya yaitu kondensator
untuk meningkatkan efisiensi sistem tersebut.
Start-up kami, bernama SkyCool Systems,
baru saja menyelesaikan percobaan lapangan di Davis, California.
Dalam demonstrasi itu,
kami menunjukkan bahwa kami dapat meningkatkan efisiensi
sebanyak 12 persen di lapangan.
Satu atau dua tahun berikutnya,
saya sangat gembira karena ini meluncur pada skala komersial pertama kali
dalam pasar sistem pendinginan.
Ke depannya, kami mungkin dapat menggabungkan panel ini
dengan sistem pendinginan yang lebih efisien
untuk mengurangi penggunaan energinya sebanyak dua per tiga.
Dan akhirnya, kami mungkin dapat membangun sistem pendinginan
yang tidak memerlukan listrik sama sekali.
Sebagai langkah pertamanya,
saya dan rekan-rekan saya di Stanford
telah menunjukkan bahwa Anda dapat mempertahankan
sesuatu lebih dari 42 derajat Celcius di bawah suhu udara
dengan teknik yang lebih baik.
Terima kasih.
(Tepuk tangan)
Jadi bayangkan --
sesuatu yang ada di bawah titik beku di siang hari yang panas.
Jadi, saya sangat senang bisa melakukan sesuatu untuk pendinginan,
tapi saya kira, ada banya hal yang masih perlu dilakukan.
Sebagai ilmuwan, saya tertarik pada kesempatan yang lebih besar
yang saya percaya karya ini menarik.
Kita dapat menggunakan gelap dan dinginnya luar angkasa
untuk meningkatkan efisiensi
dari setiap proses yang terkait dengan energi di bumi.
Salah satu proses yang ingin saya soroti adalah sel surya.
Mereka memanas di bawah matahari
dan semakin panasnya, mereka menjadi kurang efisien.
Tahun 2015, kami menunjukkan bahwa dengan mempertimbangkan jenis mikrostruktur
di atas sel surya,
kami dapat lebih memanfaatkan efek pendingan ini
untuk menjaga sel surya pada suhu lebih rendah secara pasif.
Hal ini bisa membuat sel surya bekerja lebih efisien.
Kami sedang menyelidiki kesempatan ini lebih lanjut.
Kami sedang meneliti apakah kami dapat menggunakan dinginnya luar angkasa
untuk membantu dengan penghematan air.
Atau mungkin dengan skenario yang tak terduga.
Mungkin kita dapat menghasilkan listrik secara langsung dengan dingin ini.
Ada perbedaan suhu yang besar di antara kita di Bumi dan
dinginnya luar angkasa.
Perbedaan itu, secara konsep,
dapat digunakan untuk menggerakkan sesuatu bernama mesin panas
untuk menghasilkan listrik.
Bisakah kita membuat alat penghasil listrik malam hari
yang bisa menghasilkan jumlah listrik yang cukup
saat sel surya tidak bekerja?
Bisakah kita membuat cahaya dari kegelapan?
Hal utamanya yaitu kemampuan untuk mengelola
radiasi termal yang ada di sekitar kita.
Kita senantiasa bermandikan cahaya inframerah;
jika kita dapat memanfaatkan sesuai keinginan kita,
kita dapat mengubah aliran panas dan energi
yang kita serap setiap hari.
Kemampuan ini, digabung dengan gelap dan dinginnya luar angkasa
menunjukkan masa depan tempat kita, sebagai suatu peradaban
mungkin dapat mengelola jejak energi kita dengan lebih bijak
pada skala terbesar.
Saat kita menghadapi perubahan iklim,
saya percaya bahwa mempunyai kemampuan ini
akan sangat bermanfaat.
Berikutnya, saat Anda jalan-jalan di luar.
Ya, kagumilah pentingnya matahari terhadap kehidupan di bumi,
tetapi jangan lupa bahwa bagian langit lainnya juga bermanfaat.
Terima kasih.
(Tepuk tangan)