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

Traduttore: Martina Tortorici Revisore: Silvia Monti

Ogni estate, da bambino,

lasciavo la mia casa in Canada per far visita ai miei nonni,

che vivevano a Mumbai, in India.

Ora, le estati canadesi sono piuttosto moderate.

Every summer when I was growing up,

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

Si registrano circa 22 gradi Celsius o 72 gradi Fahrenheit

who lived in Mumbai, India.

in una tipica giornata estiva non troppo calda.

Now, Canadian summers are pretty mild at best --

Mumbai, d’altro canto, è un posto caldo e umido,

about 22 degrees Celsius or 72 degrees Fahrenheit

che raggiunge tranquillamente i 30 gradi Celsius

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

o i 90 gradi Fahrenheit.

Non appena la raggiungevo, mi chiedevo:

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

“Come si può vivere, lavorare o dormire in un clima simile?”

well into the 30s Celsius or 90s Fahrenheit.

Oltretutto, i miei nonni non avevano un condizionatore.

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

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

Pur sforzandomi al massimo,

non sono mai riuscito a convincerli a prenderne uno.

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

Ma le cose stanno cambiando rapidamente.

And while I tried my very, very best,

Oggi, gli impianti di raffreddamento rappresentano il 17 percento

I was never able to persuade them to get one.

dell’elettricità che consumiamo globalmente.

But this is changing, and fast.

Questo include tutto,

Cooling systems today collectively account for 17 percent

dai condizionatori che desideravo così tanto durante le vacanze estive,

ai sistemi di refrigerazione che mantengono il cibo sicuro e fresco

of the electricity we use worldwide.

This includes everything from the air conditioners

nei nostri supermercati,

ai sistemi su scala industriale

I so desperately wanted during my summer vacations,

che mantengono operativi i nostri centri di elaborazione dati.

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

Tutti insieme, questi sistemi producono l’otto percento

in our supermarkets,

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

delle emissioni globali di gas serra.

Ma quello che mi preoccupa è che l’energia che usiamo per il raffreddamento

Collectively, these systems account for eight percent

potrebbe essere sei volte maggiore entro il 2050,

of global greenhouse gas emissions.

per lo più a causa di un uso più diffuso negli Stati asiatici e africani.

But what keeps me up at night

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

Io stesso ne sono stato testimone.

Quasi ogni appartamento nel palazzo di mia nonna e nei dintorni

primarily driven by increasing usage in Asian and African countries.

ha un condizionatore, adesso.

E questa è decisamente una cosa positiva

I've seen this firsthand.

per la salute, il benessere e la produttività

Nearly every apartment in and around my grandmother's place

delle persone che vivono in climi caldi.

now has an air conditioner.

And that is, emphatically, a good thing

Purtroppo, una delle cose più allarmanti del cambiamento climatico

for the health, well-being and productivity

è che più il nostro pianeta si riscalda,

of people living in warmer climates.

più avremo bisogno di sistemi di raffreddamento,

However, one of the most alarming things about climate change

sistemi che sono essi stessi grandi produttori di gas serra.

is that the warmer our planet gets,

C’è il rischio che si crei un ciclo di retroazione

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

systems that are themselves large emitters of greenhouse gas emissions.

in cui solo i sistemi di raffreddamento

potrebbero diventare la nostra maggior fonte di gas serra

entro la fine del secolo.

This then has the potential to cause a feedback loop,

Nel peggiore dei casi,

potremmo necessitare di più di 10 trilioni di kilowattora di elettricità all’anno,

where cooling systems alone

could become one of our biggest sources of greenhouse gases

solo per il raffreddamento, entro il 2100.

later this century.

In the worst case,

È metà della nostra fornitura di energia elettrica odierna.

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

Solo per il raffreddamento.

just for cooling, by the year 2100.

Ma questo ci offre anche un’opportunità fantastica.

That's half our electricity supply today.

Un miglioramento del 10 o 20 percento

Just for cooling.

dell’efficienza di ogni sistema di raffreddamento

But this also point us to an amazing opportunity.

potrebbe avere un effetto enorme sulle nostre emissioni di gas serra,

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

sia oggi che più avanti nel secolo.

E potrebbe aiutarci a evitare di innescare un ciclo di retroazione.

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

both today and later this century.

Sono uno scienziato che pensa tanto a luce e calore.

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

Nello specifico, a come nuovi materiali ci consentano

di alterare il flusso di questi elementi base della natura

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

in modi che prima si credevano impossibili.

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

Anche se ho sempre capito l’importanza del raffreddamento

durante le mie vacanze estive,

of these basic elements of nature

in realtà sono finito a lavorare su questo problema

in ways we might have once thought impossible.

a causa di un rompicapo in cui mi sono imbattuto circa sei anni fa.

So, while I always understood the value of cooling

during my summer vacations,

Come facevano i popoli antichi a produrre ghiaccio in climi desertici?

I actually wound up working on this problem

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

Questa è la foto di una ghiacciaia,

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

chiamata anche “Yakhchal”, nel sud-ovest dell’Iran.

Le rovine di strutture simili si trovano a dozzine in Iran

This is a picture of an ice house,

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

e ci sono tracce di costruzioni analoghe in tutto il Medio Oriente,

fino alla Cina.

There are ruins of dozens of such structures throughout Iran,

Chi operava queste ghiacciaie, molti secoli fa,

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

versava dell’acqua nella vasca a sinistra

durante le prime ore serali, quando il sole tramontava.

and all the way to China.

The people who operated this ice house many centuries ago,

Poi succedeva qualcosa di straordinario.

Anche se la temperatura dell’aria era sopra allo zero,

would pour water in the pool you see on the left

in the early evening hours, as the sun set.

diciamo 5 gradi Celsius o 41 gradi Fahrenheit,

And then something amazing happened.

l’acqua ghiacciava.

Even though the air temperature might be above freezing,

Il ghiaccio veniva poi raccolto nelle prime ore del mattino

say five degrees Celsius or 41 degrees Fahrenheit,

e conservato per l’uso nell’edificio a destra

the water would freeze.

per tutti i mesi estivi.

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

Probabilmente avete visto succedere una cosa simile

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

se avete notato la formazione di brina sul terreno in una notte limpida,

all the way through the summer months.

anche se la temperatura dell’aria è sopra allo zero.

You've actually likely seen something very similar at play

Ma... un momento!

Come fa l’acqua a ghiacciare

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

se la temperatura dell’aria è sopra allo zero?

L’evaporazione potrebbe influire,

even when the air temperature is well above freezing.

ma in realtà non basta per ghiacciare l’acqua.

But wait.

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

Qualcos’altro deve averla raffreddata.

Evaporation could have played an effect,

Pensate a una torta messa a raffreddare su un davanzale.

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

Perché si raffreddi,

il suo calore deve fluire verso qualcosa di più freddo,

Something else must have cooled it down.

cioè l’aria che la circonda.

Think about a pie cooling on a window sill.

Per quanto suoni improbabile,

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

nel caso della vasca d’acqua,

il calore fluisce verso il freddo dello spazio.

Namely, the air that surrounds it.

As implausible as it may sound,

Come è possibile?

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

Ebbene, quella vasca d’acqua, come molti materiali naturali,

emette il proprio calore sotto forma di luce.

Questo concetto è noto come “radiazione termica”.

How is this possible?

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

Di fatto, stiamo tutti emettendo calore come luce infrarossa anche adesso

sends out its heat as light.

verso le altre persone e l’ambiente circostante.

This is a concept known as thermal radiation.

Possiamo addirittura vederlo grazie alle termocamere

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

e alle loro immagini, come quella che vi sto mostrando.

to each other and our surroundings.

Quella vasca d’acqua emette il proprio calore

We can actually visualize this with thermal cameras

verso l’alto, nell’atmosfera.

L’atmosfera e le sue molecole

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

assorbono parte di quel calore e lo rimandano indietro.

So that pool of water is sending out its heat

Questo è l’effetto serra, responsabile del cambiamento climatico.

upward towards the atmosphere.

The atmosphere and the molecules in it

Ma qui c’è un punto critico da capire:

absorb some of that heat and send it back.

la nostra atmosfera non assorbe tutto quel calore.

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

Se lo facesse, il pianeta sarebbe molto più caldo.

But here's the critical thing to understand.

A certe lunghezze d’onda,

Our atmosphere doesn't absorb all of that heat.

in particolare tra gli 8 e i 13 micrometri,

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

la nostra atmosfera ha una cosiddetta finestra di trasmissione.

At certain wavelengths,

Questa finestra consente a parte del calore

in particular between eight and 13 microns,

che sale come luce infrarossa

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

di disperdersi,

portandosi via il calore di quella vasca.

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

E può disperdersi in un posto che è molto, molto più freddo:

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

il freddo dell’atmosfera superiore,

fino allo spazio extra-atmosferico,

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

che può raggiungere meno 270 gradi Celsius

o meno 454 gradi Fahrenheit.

The cold of this upper atmosphere

and all the way out to outer space,

Quindi la vasca d’acqua emette più calore verso il cielo

which can be as cold as minus 270 degrees Celsius,

di quanto il cielo ne mandi indietro.

or minus 454 degrees Fahrenheit.

E proprio per questo,

la vasca diventa più fredda dell’ambiente circostante.

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

Questo effetto è noto come “raffreddamento radiativo notturno”.

than the sky sends back to it.

And because of that,

the pool will cool down below its surroundings' temperature.

È sempre stato considerato un importante fenomeno naturale

This is an effect known as night-sky cooling

in climatologia e meteorologia.

or radiative cooling.

Mi sono imbattuto in tutto ciò

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

quando ero alla fine del mio dottorato a Stanford.

as a very important natural phenomenon.

Ero colpito dalla sua ovvia semplicità come metodo di raffreddamento,

When I came across all of this,

ma anche molto perplesso.

it was towards the end of my PhD at Stanford.

Perché non lo stiamo usando?

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

Scienziati e ingegneri hanno esplorato questa idea

yet really puzzled.

nei decenni passati

ed è saltato fuori almeno un grosso problema.

Why aren't we making use of this?

Now, scientists and engineers had investigated this idea

Si chiama “raffreddamento radiativo notturno”

per un motivo ben preciso.

in previous decades.

Quale?

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

Beh, c’è una cosina chiamata “sole”.

Infatti, la superficie che si sta raffreddando

It was called night-sky cooling for a reason.

deve potersi rivolgere verso il cielo.

Why?

E nel bel mezzo del giorno,

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

quando vorremmo maggiormente qualcosa di freddo,

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

sfortunatamente significa che saremo rivolti verso il sole.

it needs to be able to face the sky.

E il sole riscalda la maggior parte dei materiali

And during the middle of the day,

when we might want something cold the most,

abbastanza da contrastare del tutto questo effetto di raffreddamento.

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

Io e i miei colleghi passiamo molto tempo

a pensare a come strutturare materiali a scale di lunghezza così piccole

And the sun heats most materials up

enough to completely counteract this cooling effect.

da renderli in grado di fare cose nuove e utili con la luce,

My colleagues and I spend a lot of our time

scale di lunghezza più piccole della lunghezza d’onda della luce stessa.

thinking about how we can structure materials

at very small length scales

Grazie alle scoperte in questo campo,

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

noto come “nano-ottica” o “ricerca sui metamateriali”,

abbiamo capito che potremmo sfruttare questo effetto di giorno

length scales smaller than the wavelength of light itself.

per la prima volta.

Using insights from this field,

known as nanophotonics or metamaterials research,

Per farlo, ho sviluppato un materiale ottico multistrato,

che qui potete vedere al microscopio.

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

È più di 40 volte più sottile di un capello umano

for the first time.

To do this, I designed a multilayer optical material

e può fare due cose insieme.

shown here in a microscope image.

Primo: emette calore

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

esattamente là dove si disperde al meglio nell’atmosfera.

And it's able to do two things simultaneously.

Abbiamo mirato alla finestra verso lo spazio.

First, it sends its heat out

Secondo: evita di essere riscaldato dal sole.

precisely where our atmosphere lets that heat out the best.

È un ottimo specchio per la luce solare.

We targeted the window to space.

L’ho provato per la prima volta su un tetto a Stanford.

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

Potete vederlo qui.

It's a very good mirror to sunlight.

Ho lasciato il dispositivo fuori per un po’.

Dopo alcuni minuti, sono tornato

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

e in pochi secondi, ho capito che funzionava.

that I'm showing you right here.

I left the device out for a little while,

Come?

L’ho toccato ed era freddo.

and I walked up to it after a few minutes,

(Applausi)

and within seconds, I knew it was working.

How?

I touched it, and it felt cold.

Solo per sottolineare come sia strano e controintuitivo:

(Applause)

questo e altri materiali simili

si raffreddano se li togliamo dall’ombra,

Just to emphasize how weird and counterintuitive this is:

anche se sono esposti al sole.

Vi sto mostrando i dati del nostro primo esperimento,

this material and others like it

quando il materiale è rimasto più di 5 gradi Celsius o 9 gradi Fahrenheit

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

even though the sun is shining on it.

al di sotto della temperatura dell’aria,

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

anche se era in pieno sole.

where that material stayed more than five degrees Celsius,

Per creare questo materiale, abbiamo usato un metodo di produzione

or nine degrees Fahrenheit, colder than the air temperature,

che esiste già su larga scala.

even though the sun was shining directly on it.

Ero veramente entusiasta,

perché non solo facciamo qualcosa di interessante,

The manufacturing method we used to actually make this material

ma potremmo addirittura fare qualcosa di concreto e renderlo utile.

already exists at large volume scales.

So I was really excited,

because not only do we make something cool,

Questo mi porta alla prossima domanda:

questa idea come ci fa risparmiare energia?

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

Crediamo che il modo più diretto per risparmiare energia

con questa tecnologia

sia usarla per aumentare l’efficienza

That brings me to the next big question.

dei sistemi di condizionamento e refrigerazione odierni.

How do you actually save energy with this idea?

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

Per farlo, abbiamo costruito pannelli di raffreddamento dei fluidi come questi.

is as an efficiency boost

Somigliano agli scaldacqua solari, ma fanno l’opposto:

for today's air-conditioning and refrigeration systems.

raffreddano l’acqua passivamente, usando il nostro materiale specializzato.

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

like the ones shown right here.

These panels have a similar shape to solar water heaters,

Possiamo integrare questi pannelli

con un componente di quasi tutti i sistemi di raffreddamento, il condensatore,

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

using our specialized material.

per migliorare l’efficienza del sistema.

These panels can then be integrated with a component

La nostra start-up, SkyCool Systems,

ha appena completato una prova sul campo, a Davis, in California,

almost every cooling system has, called a condenser,

to improve the system's underlying efficiency.

come potete vedere qui.

In questa dimostrazione,

abbiamo provato che possiamo migliorare l’efficienza

Our start-up, SkyCool Systems,

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

di un sistema di raffreddamento fino al 12 percento sul campo.

Nei prossimi uno o due anni,

In that demonstration,

we showed that we could actually improve the efficiency

non vedo l’ora di assistere alla prima prova su scala commerciale

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

nei settori di condizionamento e refrigerazione.

Over the next year or two,

In futuro, potremmo integrare questi pannelli

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

con sistemi di raffreddamento degli edifici a più alto rendimento

in both the air conditioning and refrigeration space.

per ridurre di due terzi il loro consumo di energia.

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

E col tempo, potremmo riuscire a costruire un sistema di raffreddamento

with higher efficiency building cooling systems

che non richieda alcun apporto di elettricità.

to reduce their energy usage by two-thirds.

Come primo passo in questa direzione, io e i miei colleghi di Stanford

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

abbiamo dimostrato che si possono mantenere

that requires no electricity input at all.

più di 42 gradi Celsius sotto la temperatura dell’aria

As a first step towards that,

my colleagues at Stanford and I

con una progettazione migliore.

have shown that you could actually maintain

Grazie.

(Applausi)

something more than 42 degrees Celsius below the air temperature

Pensateci:

with better engineering.

qualcosa che stia sotto zero in un caldo giorno d’estate.

Thank you.

(Applause)

Sono molto entusiasta di tutto ciò che si può fare per il raffreddamento,

So just imagine that --

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

e penso che ci sia ancora molto da fare,

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

ma come scienziato, sono anche attratto da un’opportunità più profonda

che penso venga evidenziata da questo lavoro.

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

Possiamo usare la fredda oscurità dello spazio

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

per migliorare l’efficienza

di ogni processo connesso all’energia qui sulla Terra.

that I believe this work highlights.

We can use the cold darkness of space

Uno dei processi che vorrei evidenziare sono i pannelli solari.

to improve the efficiency

of every energy-related process here on earth.

Si riscaldano sotto al sole

e più caldi sono, meno sono efficienti.

Nel 2015, abbiamo dimostrato

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

che posizionando apposite microstrutture sulla superficie di un pannello solare,

They heat up under the sun

and become less efficient the hotter they are.

possiamo sfruttare questo effetto di raffreddamento

In 2015, we showed that with deliberate kinds of microstructures

per mantenere passivamente un pannello solare

a temperature inferiori.

on top of a solar cell,

Questo consente ai pannelli solari di lavorare meglio.

we could take better advantage of this cooling effect

Stiamo esplorando altre opportunità di questo tipo.

to maintain a solar cell passively at a lower temperature.

Ci stiamo chiedendo se possiamo usare il freddo spaziale

This allows the cell to operate more efficiently.

per risparmiare acqua.

We're probing these kinds of opportunities further.

O magari in contesti off-grid.

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

Forse potremmo addirittura usare questo freddo per generare energia.

to help us with water conservation.

C’è una grande differenza di temperatura tra la Terra e il freddo spaziale.

Or perhaps with off-grid scenarios.

Perhaps we could even directly generate power with this cold.

In teoria, si potrebbe usare questa differenza

per alimentare un motore termico affinché produca elettricità.

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

and the cold of space.

Sarebbe possibile costruire un generatore notturno

That difference, at least conceptually,

could be used to drive something called a heat engine

che produca una quantità di elettricità utile

to generate electricity.

quando i pannelli solari non funzionano?

Could we then make a nighttime power-generation device

Potremmo produrre luce dall’oscurità?

that generates useful amounts of electricity

Fondamentale per questa abilità è il saper gestire

when solar cells don't work?

Could we generate light from darkness?

la radiazione termica che ci circonda.

Siamo costantemente immersi nella luce infrarossa.

Central to this ability is being able to manage

Se potessimo piegarla al nostro volere,

the thermal radiation that's all around us.

potremmo cambiare radicalmente i flussi di calore ed energia

We're constantly bathed in infrared light;

che ogni giorno permeano l’ambiente in cui viviamo.

if we could bend it to our will,

Questa abilità, insieme alla fredda oscurità spaziale,

we could profoundly change the flows of heat and energy

ci indirizza verso un futuro dove noi, come civiltà,

that permeate around us every single day.

potremmo riuscire a gestire in modo più intelligente

This ability, coupled with the cold darkness of space,

la nostra impronta di energia termica

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

sulle più grandi scale possibili.

might be able to more intelligently manage our thermal energy footprint

Mentre affrontiamo il cambiamento climatico,

penso che avere questa abilità tra i nostri strumenti

si rivelerà fondamentale.

at the very largest scales.

Dunque, la prossima volta che passeggerete all’esterno,

As we confront climate change,

I believe having this ability in our toolkit

meravigliatevi pure di come il sole sia fondamentale per la vita sulla Terra,

will prove to be essential.

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

ma non dimenticate che anche il resto del cielo ha qualcosa da offrirci.

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

Grazie.

(Applausi)

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

Thank you.

(Applause)