How we can turn the cold of outer space into a renewable resource | Aaswath Raman

Übersetzung: Andreas Herzog Lektorat: Johannes Duschner

Every summer when I was growing up,

Als ich aufwuchs, flog ich jeden Sommer

I would fly from my home in Canada to visit my grandparents,

von meinem Zuhause in Kanada zu meinen Großeltern,

who lived in Mumbai, India.

die in Mumbai, Indien, lebten.

Now, Canadian summers are pretty mild at best --

Kanadische Sommer sind bestenfalls mild

about 22 degrees Celsius or 72 degrees Fahrenheit

-- etwa 22 Grad Celsius oder 72 Grad Fahrenheit

is a typical summer's day, and not too hot.

sind für einen Sommertag typisch, also nicht zu heiß.

Mumbai, on the other hand, is a hot and humid place

Mumbai hingegen ist ein heißes und feuchtes Gebiet

well into the 30s Celsius or 90s Fahrenheit.

mit über 30 °Celsius oder 90 °Fahrenheit.

As soon as I'd reach it, I'd ask,

Wenn ich ankam, fragte ich immer:

"How could anyone live, work or sleep in such weather?"

"Wie kann man bei so einem Wetter leben, arbeiten oder schlafen?"

To make things worse, my grandparents didn't have an air conditioner.

Obendrein hatten meine Großeltern keine Klimaanlage.

And while I tried my very, very best,

Obwohl ich mein Bestes gab,

I was never able to persuade them to get one.

konnte ich sie nie zum Kauf von einer überzeugen.

But this is changing, and fast.

Aber das ändert sich schnell.

Cooling systems today collectively account for 17 percent

Kühlsysteme verbrauchen heute weltweit zusammen 17 Prozent des Stroms.

of the electricity we use worldwide.

This includes everything from the air conditioners

Dazu gehören Klimaanlagen,

I so desperately wanted during my summer vacations,

die ich in den Sommerferien so unbedingt wollte,

to the refrigeration systems that keep our food safe and cold for us

über Kühlsysteme, die in den Supermärkten

unsere Lebensmittel sicher und kalt halten,

in our supermarkets,

to the industrial scale systems that keep our data centers operational.

bis zu Systemen im industriellen Maßstab in unseren Rechenzentren.

Collectively, these systems account for eight percent

Zusammen machen diese Systeme acht Prozent

of global greenhouse gas emissions.

der weltweiten Treibhausgasemissionen aus.

But what keeps me up at night

Aber was mich nachts wach hält, ist,

is that our energy use for cooling might grow sixfold by the year 2050,

dass unser Energieverbrauch für Kühlung bis 2050 um das Sechsfache steigen wird,

primarily driven by increasing usage in Asian and African countries.

vor allem durch die zunehmende Nutzung in asiatischen und afrikanischen Ländern.

I've seen this firsthand.

Ich habe das selbst gesehen.

Nearly every apartment in and around my grandmother's place

Fast jede Wohnung in der Nähe meiner Großmutter

now has an air conditioner.

hat jetzt eine Klimaanlage.

And that is, emphatically, a good thing

Das ist natürlich eine gute Sache

for the health, well-being and productivity

für die Gesundheit, das Wohlergehen und die Produktivität von Menschen,

of people living in warmer climates.

die in wärmeren Klimazonen leben.

However, one of the most alarming things about climate change

Einer der alarmierendsten Aspekte beim Klimawandel ist jedoch,

is that the warmer our planet gets,

je wärmer unser Planet wird,

the more we're going to need cooling systems --

desto mehr benötigen wir Kühlsysteme --

systems that are themselves large emitters of greenhouse gas emissions.

Systeme, die selbst große Emittenten von Treibhausgasen sind.

This then has the potential to cause a feedback loop,

Das hat dann das Potenzial, eine Rückkopplungsschleife zu verursachen,

where cooling systems alone

in der allein die Kühlsysteme

could become one of our biggest sources of greenhouse gases

zum Ende dieses Jahrhunderts eine unserer größten Quellen

later this century.

von Treibhausgasen werden könnten.

In the worst case,

Im schlimmsten Fall könnten wir im Jahr 2100 nur zum Kühlen

we might need more than 10 trillion kilowatt-hours of electricity every year,

mehr als 10 Billionen Kilowattstunden Strom pro Jahr benötigen.

just for cooling, by the year 2100.

That's half our electricity supply today.

Das ist die Hälfte des heutigen Stromverbrauchs.

Just for cooling.

Nur zur Kühlung.

But this also point us to an amazing opportunity.

Aber das weist uns auch auf eine erstaunliche Chance hin.

A 10 or 20 percent improvement in the efficiency of every cooling system

Eine 10- oder 20-prozentige Verbesserung der Effizienz jedes Kühlsystems

could actually have an enormous impact on our greenhouse gas emissions,

könnte sowohl heute als auch später in diesem Jahrhundert

both today and later this century.

enorme Auswirkungen auf unseren Treibhausgasausstoß haben.

And it could help us avert that worst-case feedback loop.

Das könnte uns helfen, die befürchtete Rückkopplungsschleife abzuwenden.

I'm a scientist who thinks a lot about light and heat.

Ich bin ein Wissenschaftler, der viel über Licht und Wärme nachdenkt.

In particular, how new materials allow us to alter the flow

Insbesondere, wie es uns neue Materialien ermöglichen,

den Fluss dieser grundlegenden Elemente der Natur so zu verändern,

of these basic elements of nature

in ways we might have once thought impossible.

wie wir es früher für unmöglich gehalten hätten.

So, while I always understood the value of cooling

Obwohl ich schon immer

during my summer vacations,

den Wert der Kühlung in den Sommerferien verstand,

I actually wound up working on this problem

arbeitete ich letztlich an diesem Problem

because of an intellectual puzzle that I came across about six years ago.

wegen eines intellektuellen Rätsels, auf das ich vor 6 Jahren stieß.

How were ancient peoples able to make ice in desert climates?

Wie waren uralte Völker in der Lage, in Wüstengebieten Eis zu machen?

This is a picture of an ice house,

Dies ist ein Bild eines Eishauses,

also called a Yakhchal, located in the southwest of Iran.

auch Yachchal genannt, im Südwesten des Irans.

There are ruins of dozens of such structures throughout Iran,

Es gibt Ruinen von Dutzenden solcher Strukturen im ganzen Iran,

with evidence of similar such buildings throughout the rest of the Middle East

mit Hinweisen auf ähnliche Gebäude im gesamten Rest des Mittleren Ostens

and all the way to China.

und bis nach China.

The people who operated this ice house many centuries ago,

Die Leute, die dieses Eishaus vor vielen Jahrhunderten betrieben,

would pour water in the pool you see on the left

gossen in den frühen Abendstunden, wenn die Sonne unterging,

in the early evening hours, as the sun set.

Wasser in das Becken, das Sie links sehen.

And then something amazing happened.

Dann geschah etwas Erstaunliches.

Even though the air temperature might be above freezing,

Obwohl die Lufttemperatur über dem Gefrierpunkt liegen konnte,

say five degrees Celsius or 41 degrees Fahrenheit,

sagen wir 5 Grad Celsius oder 41 Grad Fahrenheit,

the water would freeze.

gefror das Wasser.

The ice generated would then be collected in the early morning hours

Das erzeugte Eis wurde dann in den frühen Morgenstunden eingesammelt

and stored for use in the building you see on the right,

und in dem Gebäude auf der rechten Seite

bis in die Sommermonate hinein zum Gebrauch gelagert.

all the way through the summer months.

You've actually likely seen something very similar at play

Sie haben wahrscheinlich schon mal einen sehr ähnlichen Vorgang gesehen,

if you've ever noticed frost form on the ground on a clear night,

wenn sich in einer klaren Nacht Reif am Boden bildet,

even when the air temperature is well above freezing.

auch wenn die Lufttemperatur über dem Gefrierpunkt liegt.

But wait.

Aber Moment mal.

How did the water freeze if the air temperature is above freezing?

Wie kann das Wasser bei Lufttemperaturen über dem Gefrierpunkt gefrieren?

Evaporation could have played an effect,

Die Verdunstung könnte eine Rolle gespielt haben,

but that's not enough to actually cause the water to become ice.

aber das ist nicht genug, um das Wasser in Eis zu verwandeln.

Something else must have cooled it down.

Etwas anderes muss es abgekühlt haben.

Think about a pie cooling on a window sill.

Denken Sie an einen Kuchen, der auf einer Fensterbank abkühlt.

For it to be able to cool down, its heat needs to flow somewhere cooler.

Damit er sich abkühlen kann, muss seine Wärme an einen kälteren Ort fließen.

Namely, the air that surrounds it.

Nämlich in die umgebende Luft.

As implausible as it may sound,

So unplausibel es klingen mag,

for that pool of water, its heat is actually flowing to the cold of space.

die Wärme dieses Wasserbeckens fließt in die Kälte des Weltraumes.

How is this possible?

Wie ist das möglich?

Well, that pool of water, like most natural materials,

Dieses Wasserbecken sendet, wie die meisten natürlichen Materialien,

sends out its heat as light.

seine Wärme als Licht aus.

This is a concept known as thermal radiation.

Das ist ein als Wärmestrahlung bekanntes Konzept.

In fact, we're all sending out our heat as infrared light right now,

Tatsächlich senden wir uns alle unsere Wärme gegenseitig

und an unsere Umgebung als Infrarotlicht aus.

to each other and our surroundings.

We can actually visualize this with thermal cameras

Wir können das mit Wärmebildkameras

and the images they produce, like the ones I'm showing you right now.

und den Bildern, die sie erzeugen, wie diese hier, visualisieren.

So that pool of water is sending out its heat

Das Wasserbecken sendet also seine Wärme

upward towards the atmosphere.

nach oben zur Atmosphäre.

The atmosphere and the molecules in it

Die Atmosphäre und die Moleküle darin

absorb some of that heat and send it back.

nehmen einen Teil dieser Wärme auf und senden sie zurück.

That's actually the greenhouse effect that's responsible for climate change.

Genau das ist der Treibhauseffekt, der den Klimawandel verursacht.

But here's the critical thing to understand.

Aber hier ist der entscheidende Punkt.

Our atmosphere doesn't absorb all of that heat.

Unsere Atmosphäre absorbiert nicht die ganze Wärme.

If it did, we'd be on a much warmer planet.

Wäre es so, hätten wir einen viel wärmeren Planeten.

At certain wavelengths,

Bei bestimmten Wellenlängen,

in particular between eight and 13 microns,

insbesondere zwischen 8 und 13 Mikrometern,

our atmosphere has what's known as a transmission window.

hat unsere Atmosphäre ein sogenanntes Transmissionsfenster.

This window allows some of the heat that goes up as infrared light

Dieses Fenster lässt etwas von der Wärme, die als Infrarotlicht hochstrahlt,

to effectively escape, carrying away that pool's heat.

letztlich entweichen und die Wärme dieses Beckens abtransportieren.

And it can escape to a place that is much, much colder.

Sie kann an einen Ort gelangen, der viel, viel kälter ist.

The cold of this upper atmosphere

Die Kälte dieser oberen Atmosphäre

and all the way out to outer space,

und des ganzen Weges hinaus in den Weltraum,

which can be as cold as minus 270 degrees Celsius,

der minus 270 Grad Celsius

or minus 454 degrees Fahrenheit.

bzw. minus 454 Grad Fahrenheit sein kann.

So that pool of water is able to send out more heat to the sky

So kann das Wasserbecken mehr Hitze zum Himmel senden,

than the sky sends back to it.

als der Himmel zu ihm zurückschickt.

And because of that,

Deswegen wird das Becken

the pool will cool down below its surroundings' temperature.

unter die Temperatur seiner Umgebung abkühlen.

This is an effect known as night-sky cooling

Das ist ein Effekt, der als Nachthimmel-Kühlung

or radiative cooling.

oder Strahlungskühlung bekannt ist.

And it's always been understood by climate scientists and meteorologists

Klimawissenschaftlern und Meteorologen sahen ihn schon immer

as a very important natural phenomenon.

als ein sehr wichtiges Naturphänomen an.

When I came across all of this,

Als ich all das erfuhr,

it was towards the end of my PhD at Stanford.

war es gegen Ende meiner Doktorarbeit in Stanford.

And I was amazed by its apparent simplicity as a cooling method,

Über seine scheinbare Einfachheit als Kühlmethode war ich erstaunt,

yet really puzzled.

aber auch echt verwirrt.

Why aren't we making use of this?

Warum nutzen wir das nicht?

Now, scientists and engineers had investigated this idea

Wissenschaftler und Ingenieure hatten dieses Konzept

in previous decades.

in früheren Jahrzehnten untersucht.

But there turned out to be at least one big problem.

Aber es stellte sich heraus, dass es mindestens ein großes Problem gab.

It was called night-sky cooling for a reason.

Es wurde aus gutem Grund als Nachthimmel-Kühlung bezeichnet.

Why?

Warum?

Well, it's a little thing called the sun.

Es ist ein kleines Ding namens Sonne.

So, for the surface that's doing the cooling,

Die Oberfläche, die abkühlen soll,

it needs to be able to face the sky.

muss auf den Himmel gerichtet sein.

And during the middle of the day,

Während der Tagesmitte,

when we might want something cold the most,

wenn wir die Kühlung am meisten wollen,

unfortunately, that means you're going to look up to the sun.

bedeutet das leider, dass die Sonne auf die Fläche scheint.

And the sun heats most materials up

Die Sonne heizt die meisten Materialien auf

enough to completely counteract this cooling effect.

und wirkt diesem Kühleffekt vollständig entgegen.

My colleagues and I spend a lot of our time

Meine Kollegen und ich denken viel darüber nach,

thinking about how we can structure materials

Materialien im sehr kleinen Maßstab so zu strukturieren,

at very small length scales

such that they can do new and useful things with light --

dass sie neue und nützliche Dinge mit Licht tun können,

Längenbereiche, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts selbst.

length scales smaller than the wavelength of light itself.

Using insights from this field,

Dank der Erkenntnisse aus diesem Bereich,

known as nanophotonics or metamaterials research,

bekannt als Nanophotonik oder Metamaterialforschung,

we realized that there might be a way to make this possible during the day

wurde uns klar, dass es vielleicht eine Methode gibt,

dies erstmals auch am Tage zu ermöglichen.

for the first time.

To do this, I designed a multilayer optical material

Dazu habe ich ein mehrschichtiges optisches Material entworfen,

shown here in a microscope image.

das Sie hier im Mikroskopbild sehen.

It's more than 40 times thinner than a typical human hair.

Es ist mehr als 40-mal dünner als ein menschliches Haar.

And it's able to do two things simultaneously.

Es kann zwei Dinge gleichzeitig.

First, it sends its heat out

Erstens: Es sendet seine Wärme

precisely where our atmosphere lets that heat out the best.

genau dort aus, wo unsere Atmosphäre diese Wärme am besten durchlässt.

We targeted the window to space.

Wir zielten auf das Fenster zum Weltraum.

The second thing it does is it avoids getting heated up by the sun.

Zweitens: Es lässt sich von der Sonne nicht erhitzen.

It's a very good mirror to sunlight.

Es ist ein sehr guter Spiegel für das Sonnenlicht.

The first time I tested this was on a rooftop in Stanford

Zum ersten Mal testete ich es auf einem Dach in Stanford,

that I'm showing you right here.

das Sie hier sehen.

I left the device out for a little while,

Ich ließ das Gerät für eine Weile draußen,

and I walked up to it after a few minutes,

und nach ein paar Minuten ging ich wieder hin

and within seconds, I knew it was working.

und wusste sofort, dass es funktionierte.

How?

Wie?

I touched it, and it felt cold.

Ich berührte es und es fühlte sich kalt an.

(Applause)

(Beifall)

Just to emphasize how weird and counterintuitive this is:

Nur um zu betonen, wie merkwürdig und kontraintuitiv das ist:

this material and others like it

Dieses Material und andere werden kälter,

will get colder when we take them out of the shade,

wenn wir sie aus dem Schatten nehmen,

even though the sun is shining on it.

obwohl die Sonne darauf scheint.

I'm showing you data here from our very first experiment,

Das hier sind Daten von unserem allerersten Experiment,

where that material stayed more than five degrees Celsius,

wo dieses Material mehr als 5° Celsius

or nine degrees Fahrenheit, colder than the air temperature,

bzw. 9° Fahrenheit kälter als die Lufttemperatur blieb,

even though the sun was shining directly on it.

obwohl die Sonne direkt darauf schien.

The manufacturing method we used to actually make this material

Das von uns verwendete Verfahren zur Herstellung dieses Materials

already exists at large volume scales.

existiert bereits für große Volumina.

So I was really excited,

Also war ich wirklich aufgeregt,

because not only do we make something cool,

weil wir nicht nur etwas Cooles machen,

but we might actually have the opportunity to do something real and make it useful.

sondern vielleicht sogar die Chance haben, etwas praktisch Nutzbares zu machen.

That brings me to the next big question.

Das bringt mich zur nächsten großen Frage.

How do you actually save energy with this idea?

Wie spart man mit dieser Idee Energie?

Well, we believe the most direct way to save energy with this technology

Wir glauben, der direkteste Weg, mit dieser Technologie Energie zu sparen,

is as an efficiency boost

ist die Effizienzsteigerung für die heutigen Klima- und Kälteanlagen.

for today's air-conditioning and refrigeration systems.

To do this, we've built fluid cooling panels,

Dazu bauten wir Flüssigkeitskühlplatten, wie die, die Sie hier sehen.

like the ones shown right here.

These panels have a similar shape to solar water heaters,

Die Platten sind so ähnlich geformt wie solare Wassererhitzer,

except they do the opposite -- they cool the water, passively,

außer dass sie das Gegenteil tun -- sie kühlen das Wasser passiv

using our specialized material.

mit unserem speziellen Material.

These panels can then be integrated with a component

Diese Platten können dann mit etwas kombiniert werden,

almost every cooling system has, called a condenser,

das fast jedes Kühlsystem hat: einen Kondensator,

to improve the system's underlying efficiency.

um die Effizienz des Systems zu verbessern.

Our start-up, SkyCool Systems,

Unser Start-up, SkyCool Systems, hat kürzlich in Davis, Kalifornien,

has recently completed a field trial in Davis, California, shown right here.

einen Feldversuch abgeschlossen, wie hier zu sehen ist.

In that demonstration,

In der Vorführung zeigten wir,

we showed that we could actually improve the efficiency

dass wir die Effizienz dieses Kühlsystems unter Praxisbedingungen

of that cooling system as much as 12 percent in the field.

tatsächlich um ganze 12 Prozent verbessern konnten.

Over the next year or two,

In den nächsten 1-2 Jahren freue ich mich darauf,

I'm super excited to see this go to its first commercial-scale pilots

das bei den ersten kommerziellen Pilotprojekten,

in both the air conditioning and refrigeration space.

sowohl für Klima- als auch für Kühlanlagen zu sehen.

In the future, we might be able to integrate these kinds of panels

In Zukunft könnten wir diese Platten

with higher efficiency building cooling systems

mit effizienteren Kühlsystemen für Gebäude kombinieren

to reduce their energy usage by two-thirds.

und ihren Energieverbrauch um zwei Drittel reduzieren.

And eventually, we might actually be able to build a cooling system

Schließlich könnten wir tatsächlich ein Kühlsystem bauen,

that requires no electricity input at all.

das überhaupt keinen Strom benötigt.

As a first step towards that,

Als ersten Schritt dorthin

my colleagues at Stanford and I

haben meine Kollegen von Stanford und ich gezeigt,

have shown that you could actually maintain

dass man mit besserer Technik

something more than 42 degrees Celsius below the air temperature

in der Tat etwas mehr als 42° Celsius unter der Lufttemperatur halten könnte.

with better engineering.

Thank you.

Vielen Dank.

(Applause)

(Beifall)

So just imagine that --

Man stelle sich das vor -- etwas, dessen Temperatur

something that is below freezing on a hot summer's day.

an einem heißen Sommertag unter dem Gefrierpunkt liegt.

So, while I'm very excited about all we can do for cooling,

Ich bin sehr aufgeregt, was wir alles für Kühlung tun können,

and I think there's a lot yet to be done,

und ich denke, dass es noch viel mehr zu tun gibt.

as a scientist, I'm also drawn to a more profound opportunity

Als Wissenschaftler zieht mich auch eine grundlegendere Chance an,

that I believe this work highlights.

die diese Arbeit nach aufzeigt.

We can use the cold darkness of space

Wir können die kalte Dunkelheit des Weltraums nutzen,

to improve the efficiency

um die Effizienz eines jeden energiebezogenen Prozesses

of every energy-related process here on earth.

One such process I'd like to highlight are solar cells.

Einen solchen Prozess möchte ich hervorheben: Solarzellen.

They heat up under the sun

Die heizen sich in der Sonne auf

and become less efficient the hotter they are.

und werden umso ineffizienter, je heißer sie werden.

In 2015, we showed that with deliberate kinds of microstructures

Im Jahr 2015 haben wir gezeigt,

dass wir mit bestimmten Mikrostrukturen auf der Oberseite einer Solarzelle

on top of a solar cell,

we could take better advantage of this cooling effect

diese Kühlwirkung besser nutzen können,

to maintain a solar cell passively at a lower temperature.

um eine Solarzelle passiv bei einer niedrigeren Temperatur zu halten.

This allows the cell to operate more efficiently.

Dies ermöglicht der Zelle, effizienter zu arbeiten.

We're probing these kinds of opportunities further.

Wir erforschen diese Möglichkeit weiter.

We're asking whether we can use the cold of space

Wir fragen uns, ob wir die Kälte des Weltraums nutzen können,

to help us with water conservation.

um uns beim Wassersparen zu helfen

Or perhaps with off-grid scenarios.

oder vielleicht bei Szenarien mit Netzunabhängigkeit.

Perhaps we could even directly generate power with this cold.

Vielleicht könnten wir mit dieser Kälte sogar direkt Strom erzeugen.

There's a large temperature difference between us here on earth

Es gibt eine große Temperaturdifferenz zwischen uns hier auf der Erde

and the cold of space.

und der Kälte des Weltraums.

That difference, at least conceptually,

Dieser Unterschied könnte zumindest gedanklich verwendet werden,

could be used to drive something called a heat engine

um eine Wärmekraftmaschine anzutreiben und Elektrizität zu erzeugen.

to generate electricity.

Could we then make a nighttime power-generation device

Könnten wir dann eine nächtliche Stromerzeugungsmaschine bauen,

that generates useful amounts of electricity

die brauchbare Mengen an Elektrizität erzeugt,

when solar cells don't work?

wenn Solarzellen nicht funktionieren?

Could we generate light from darkness?

Könnten wir Licht aus der Dunkelheit erzeugen?

Central to this ability is being able to manage

Entscheidend dafür ist die Fähigkeit,

the thermal radiation that's all around us.

die Wärmestrahlung, die uns umgibt, zu steuern.

We're constantly bathed in infrared light;

Wir sind immer in Infrarotlicht getaucht.

if we could bend it to our will,

Wenn wir es uns gefügig machen könnten,

we could profoundly change the flows of heat and energy

könnten wir die täglichen Wärme- und Energieflüsse zutiefst verändern.

that permeate around us every single day.

This ability, coupled with the cold darkness of space,

Diese Fähigkeit, gepaart mit der kalten Dunkelheit des Weltraums,

points us to a future where we, as a civilization,

weist uns auf eine Zukunft hin,

in der wir als Zivilisation in der Lage sein könnten,

might be able to more intelligently manage our thermal energy footprint

unsere thermische Energiebilanz im größten Stil intelligenter zu steuern.

at the very largest scales.

As we confront climate change,

Wenn wir uns dem Klimawandel stellen,

I believe having this ability in our toolkit

wird sich diese Fähigkeit als unerlässliches Werkzeug erweisen.

will prove to be essential.

So, the next time you're walking around outside,

Wenn Sie das nächste Mal draußen herumlaufen,

yes, do marvel at how the sun is essential to life on earth itself,

bewundern Sie, wie notwendig die Sonne für das Leben auf der Erde ist.

but don't forget that the rest of the sky has something to offer us as well.

Aber vergessen Sie nicht,

dass uns der Rest des Himmels auch etwas zu bieten hat.

Thank you.

Vielen Dank.

(Applause)

(Beifall)