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

תרגום: Yubal Masalker עריכה: maor madmon

Every summer when I was growing up,

כל קיץ בזמן היותי ילד,

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

הייתי טס מביתי בקנדה כדי לבקר את סבא וסבתא,

who lived in Mumbai, India.

שגרו במומבאי, הודו.

Now, Canadian summers are pretty mild at best --

הקיץ הקנדי הוא לא קיצוני,

about 22 degrees Celsius or 72 degrees Fahrenheit

22 מעלות הוא יום קיץ אופייני

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

ולא חם מדי.

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

מצד שני, מומבאי הוא מקום חם ולח,

well into the 30s Celsius or 90s Fahrenheit.

עמוק בתוך ה-30 מעלות.

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

ברגע שהייתי מגיע לשם,

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

הייתי שואל, "כיצד אפשר לחיות, לעבוד ולישון באקלים כזה?"

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

ומה שיותר גרוע, לסבים שלי לא היה מזגן.

And while I tried my very, very best,

ולמרות שניסיתי כמיטב יכולתי,

I was never able to persuade them to get one.

אף פעם לא הצלחתי לשכנעם לקנות כזה.

But this is changing, and fast.

אבל זה משתנה עכשיו, ומהר.

Cooling systems today collectively account for 17 percent

מערכות קירור היום צורכות יחד 17 אחוז

of the electricity we use worldwide.

מצריכת החשמל העולמית שלנו.

This includes everything from the air conditioners

זה כולל הכל, מהמזגנים שרציתי נואשות

I so desperately wanted during my summer vacations,

במהלך חופשות הקיץ שלי,

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

עד למערכות קירור ששומרות על מזונינו ומקררות אותו

in our supermarkets,

עבורינו במרכולים,

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

ועד למערכות בקרה תעשייתיות השומרות על מרכזי המידע שלנו שמישים.

Collectively, these systems account for eight percent

ביחד, המערכות הללו אחראיות ל-8 אחוז

of global greenhouse gas emissions.

מפליטת גזי החממה בעולם.

But what keeps me up at night

אבל מה שמשאיר אותי ער בלילה

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

היא העובדה שהשימוש שלנו באנרגיה לשם קירור עלול לגדול פי-6 עד 2050,

primarily driven by increasing usage in Asian and African countries.

בעיקר כתוצאה מהעלייה בשימוש במדינות אסיה ואפריקה.

I've seen this firsthand.

ראיתי זאת מכלי-ראשון.

Nearly every apartment in and around my grandmother's place

כמעט בכל דירה באזור בית סביי

now has an air conditioner.

יש היום מזגן.

And that is, emphatically, a good thing

ואין ספק שזה דבר טוב

for the health, well-being and productivity

מבחינת הבריאות, הרווחה והפיריון בעבודה

of people living in warmer climates.

של האנשים שחיים באקלים חם.

However, one of the most alarming things about climate change

אבל, אחד הדברים הכי מטרידים בקשר לשינויי אקלים הוא

is that the warmer our planet gets,

שככל שהכוכב שלנו מתחמם יותר,

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

כך נצטרך יותר מערכות קירור --

systems that are themselves large emitters of greenhouse gas emissions.

מערכות שהן בעצמן פולטות הרבה גזי-חממה.

This then has the potential to cause a feedback loop,

יש לזה את הפוטנציאל ליצור מעגל שמזין את עצמו,

where cooling systems alone

בו מערכות הקירור לבד

could become one of our biggest sources of greenhouse gases

עלולות להפוך לאחד המקורות העיקריים של גזי-חממה

later this century.

בהמשך המאה הנוכחית.

In the worst case,

במקרה הכי גרוע,

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

אנו עשויים לצרוך יותר מ-10 טריליון קילוואט-שעה חשמל בכל שנה,

just for cooling, by the year 2100.

רק בשביל הקירור, עד שנת 2100.

That's half our electricity supply today.

זוהי מחצית מאספקת החשמל שלנו היום.

Just for cooling.

אך ורק לקירור.

But this also point us to an amazing opportunity.

אבל זה גם מוביל אותנו להזדמנות גדולה.

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

שיפור של 10 עד 20 אחוז ביעילות של כל מערכת קירור

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

עשוי ליצור השפעה גדולה על פליטות גזי-החממה,

both today and later this century.

היום, כמו גם בהמשך המאה הנוכחית.

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

וזה יכול לסייע לנו להימנע מהתרחיש הגרוע של כניסה למעגל שמזין את עצמו.

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

אני מדען שחושב הרבה על אור וחום.

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

בפרט, כיצד חומרים חדשים מאפשרים לנו לשנות את זרימת

of these basic elements of nature

האלמנטים הבסיסיים הללו של הטבע

in ways we might have once thought impossible.

בדרכים שפעם סברנו שהן בלתי-אפשריות.

So, while I always understood the value of cooling

בעוד שתמיד הבנתי את חשיבות הקירור

during my summer vacations,

בזמן חופשות הקיץ שלי,

I actually wound up working on this problem

בסוף הגעתי לעבוד על הבעיה הזו

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

בגלל חידה מחשבתית שנתקלתי בה לפני 6 שנים.

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

כיצד אנשים בעת העתיקה הצליחו לייצר קרח במדבר?

This is a picture of an ice house,

זוהי תמונה של בית-קרח,

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

שנקרא גם יאחצ'ל, שנמצא בדרום-מערב אירן.

There are ruins of dozens of such structures throughout Iran,

ישנם עשרות שרידים של מבנים כאלה ברחבי אירן,

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

עם עדויות למבנים דומים ברחבי שאר מזרח-התיכון

and all the way to China.

עד לסין.

The people who operated this ice house many centuries ago,

האנשים שהשתמשו בבית-קרח זה לפני מאות רבות,

would pour water in the pool you see on the left

היו שופכים מים לבריכה שרואים משמאל

in the early evening hours, as the sun set.

בשעות הערב המוקדמות, בזמן שקיעת השמש.

And then something amazing happened.

ואז קרה משהו מדהים.

Even though the air temperature might be above freezing,

למרות שטמפרטורת האויר היתה מעל נקודת הקיפאון,

say five degrees Celsius or 41 degrees Fahrenheit,

נאמר 5 מעלות,

the water would freeze.

המים היו קופאים.

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

הקרח שנוצר היה נאסף בשעות הבוקר המוקדמות

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

ומאוחסן בבניין שרואים מימין,

all the way through the summer months.

לאורך כל חודשי הקיץ.

You've actually likely seen something very similar at play

בעצם אתם הייתם רואים משהו מאוד דומה לזה שמתרחש

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

אם שמתם לב פעם לכפור שנוצר על הקרקע בלילה בהיר,

even when the air temperature is well above freezing.

גם כאשר טמפרטורת האויר היתה מעל נקודת הקיפאון.

But wait.

אבל רגע אחד.

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

כיצד המים קפאו אם טמפרטורת האויר היא מעל נקודת הקיפאון?

Evaporation could have played an effect,

לאידוי עשוי היה להיות חלק בזה,

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

אבל זה לא מספיק לגרום למים להפוך לקרח.

Something else must have cooled it down.

משהו אחר חייב היה לקרר אותם.

Think about a pie cooling on a window sill.

תדמיינו עוגה שמתקררת על אדן חלון.

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

כדי שהיא תוכל להתקרר, החום צריך לזרום למקום שהוא יותר קר.

Namely, the air that surrounds it.

כלומר, לאויר שמקיף אותו.

As implausible as it may sound,

כמה שזה נשמע לא סביר,

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

באותה בריכת מים, החום למעשה זורם לקור של החלל.

How is this possible?

כיצד זה אפשרי?

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

ובכן, בריכת המים, כמו כל החומרים הרגילים,

sends out its heat as light.

שולחת את החום שלה בצורת אור.

This is a concept known as thermal radiation.

תהליך זה ידוע בתור קרינה תרמית.

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

למעשה, כולנו שולחים את חומנו כאור אינפרא-אדום ממש עכשיו,

to each other and our surroundings.

מאחד לשני ולסביבתינו.

We can actually visualize this with thermal cameras

אנו יכולים ממש לראות זאת באמצעות מצלמות תרמיות

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

והתמונות שהן מייצרות כמו זו שלפניכם.

So that pool of water is sending out its heat

כך שבריכת המים שולחת את חומה

upward towards the atmosphere.

למעלה אל עבר האטמוספירה.

The atmosphere and the molecules in it

האטמוספירה והמולקולות שלה

absorb some of that heat and send it back.

סופגות חלק מהחום ומחזירות אותו ארצה.

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

זהו למעשה אפקט החממה שאחראי לשינויי האקלים.

But here's the critical thing to understand.

אבל יש דבר שחשוב להבינו.

Our atmosphere doesn't absorb all of that heat.

האטמוספירה אינה סופגת את כל החום.

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

אם היא היתה עושה זאת, הכוכב שלנו היה הרבה יותר חם.

At certain wavelengths,

באורכי-גל מסויימים,

in particular between eight and 13 microns,

במיוחד בין 8 ו-13 מיקרון,

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

יש באטמוספירה שלנו מה שידוע כחלון מעבר.

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

חלון זה מאפשר לחלק מהחום שנפלט בצורת אור אינפרא-אדום

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

להימלט ולשאת איתו את חום הבריכה.

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

והוא יכול להימלט למקום שהוא הרבה, הרבה יותר קר.

The cold of this upper atmosphere

הקור של האטמוספירה העליונה

and all the way out to outer space,

וכל הדרך החוצה לחלל החיצון,

which can be as cold as minus 270 degrees Celsius,

שיכול להיות קר עד מינוס 270 מעלות צלזיוס.

or minus 454 degrees Fahrenheit.

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

לכן אותה בריכת המים מסוגלת לשלוח יותר חום לשמיים

than the sky sends back to it.

ממה שהשמיים שולחים אליה בחזרה.

And because of that,

ובגלל זה,

the pool will cool down below its surroundings' temperature.

הבריכה תתקרר אל מתחת לטמפרטורת הסביבה שלה.

This is an effect known as night-sky cooling

זהו אפקט הידוע כקירור שמי-לילה

or radiative cooling.

או קירור-קרינה.

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

והוא תמיד נתפס אצל מדעני אקלים וחזאים

as a very important natural phenomenon.

כתופעה טבעית מאוד חשובה.

When I came across all of this,

כאשר נתקלתי בכל זה,

it was towards the end of my PhD at Stanford.

היה זה לקראת סיום הדוקטורט שלי בסטנפורד.

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

ונדהמתי מהפשטות לכאורה של שיטת הקירור,

yet really puzzled.

אבל גם הייתי נבוך.

Why aren't we making use of this?

מדוע אנו לא משתמשים בזה?

Now, scientists and engineers had investigated this idea

מדענים ומהנדסים התעמקו ברעיון זה

in previous decades.

בעשורים האחרונים.

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

אבל התברר שיש לפחות בעיה אחת גדולה.

It was called night-sky cooling for a reason.

קוראים לזה קירור שמי-לילה בגלל סיבה טובה.

Why?

מדוע?

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

בגלל הדבר הקטן הזה שנקרא השמש.

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

המשטח שדרכו מתבצע הקירור,

it needs to be able to face the sky.

חייב להיות מופנה לשמיים.

And during the middle of the day,

ובמהלך אמצע היום,

when we might want something cold the most,

כאשר יש לנו הצורך הכי גדול למשהו קר,

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

לרוע המזל, המשטח פונה אל שמש.

And the sun heats most materials up

והשמש מחממת את רוב החומרים

enough to completely counteract this cooling effect.

מספיק חזק כדי לבטל לגמרי את אפקט הקירור.

My colleagues and I spend a lot of our time

עמיתיי ואני בילינו זמן רב

thinking about how we can structure materials

במחשיבה כיצד ניתן לבנות חומרים

at very small length scales

במימדי אורך מאוד קטנים

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

כך שיוכלו לבצע דברים חדשים ושימושיים עם האור --

length scales smaller than the wavelength of light itself.

מימדי אורך קטנים מאורכי-הגל של האור עצמו.

Using insights from this field,

תוך שימוש בתובנות מהתחום

known as nanophotonics or metamaterials research,

הידוע בתור ננו-פוטוניקה או מחקר במטא-חומרים,

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

גילינו שעשויה להיות דרך שתאפשר להשיג זאת במהלך היום

for the first time.

בפעם הראשונה.

To do this, I designed a multilayer optical material

כדי לבצע זאת, תכננתי חומר אופטי רב-שכבתי

shown here in a microscope image.

המוצג כאן בתמונת מיקרוסקופ.

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

הוא דק יותר פי-40 משיער אדם.

And it's able to do two things simultaneously.

והוא מסוגל לבצע שני דברים בו-זמנית.

First, it sends its heat out

תחילה, הוא שולח חום החוצה

precisely where our atmosphere lets that heat out the best.

בדיוק היכן שהאטמוספירה מאפשרת לחום לצאת הכי ביעילות.

We targeted the window to space.

כיווננו אותו אל החלון לחלל.

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

הדבר השני שהוא עושה זה להימנע מלהתחמם בשמש.

It's a very good mirror to sunlight.

הוא מהווה מראה מצויינת לאור-שמש.

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

בפעם הראשונה שניסיתי את זה היה על גג בסטנפורד

that I'm showing you right here.

שאני מראה לכם כאן.

I left the device out for a little while,

השארתי את ההתקן בחוץ לזמן מה,

and I walked up to it after a few minutes,

וכאשר ניגשתי אליו לאחר כמה דקות,

and within seconds, I knew it was working.

בתוך שניות ידעתי שזה עובד.

How?

כיצד?

I touched it, and it felt cold.

נגעתי בו והרגשתי שהוא קר.

(Applause)

(מחיאות כפיים)

Just to emphasize how weird and counterintuitive this is:

רק כדי להדגיש עד כמה זה מוזר ומנוגד לאינטואיציה:

this material and others like it

חומר זה ודומיו

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

יתקררו יותר כאשר נוציא אותם מהמחסה,

even though the sun is shining on it.

אפילו אם השמש זורחת עליהם.

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

אני מציג לכם כאן נתונים מהניסוי הראשון שלנו,

where that material stayed more than five degrees Celsius,

שבו החומר נשאר בטמפרטורה של 5 מעלות צלזיוס

or nine degrees Fahrenheit, colder than the air temperature,

יותר קר מטמפרטורת האויר,

even though the sun was shining directly on it.

למרות שהשמש זרחה עליו ישירות.

The manufacturing method we used to actually make this material

שיטת הייצור בה השתמשנו כדי לייצר חומר זה

already exists at large volume scales.

כבר קיימת בתפוצה נרחבת.

So I was really excited,

וזה ממש ריגש אותי,

because not only do we make something cool,

כי לא רק שאנו עושים משהו מיוחד,

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

אלא ייתכן ותהיה לנו ההזדמנות לעשות משהו מעשי ולהפוך את זה למועיל.

That brings me to the next big question.

וזה מוליך אותי לשאלה הגדולה הבאה.

How do you actually save energy with this idea?

כיצד בעצם חוסכים אנרגיה ברעיון הזה?

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

אנו מאמינים שהדרך הקצרה ביותר לחסוך אנרגיה עם הטכנולוגיה הזו

is as an efficiency boost

היא בתור מגביר-יעילות

for today's air-conditioning and refrigeration systems.

של מערכות המיזוג והקירור שכבר קיימות.

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

כדי לעשות זאת, בנינו לוחות קירור לנוזל,

like the ones shown right here.

כמו אלו שרואים כאן.

These panels have a similar shape to solar water heaters,

ללוחות הללו יש צורה דומה למחממי מים סולריים,

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

אלא שהם עושים את ההיפך - הם מקררים את המים, באופן פסיבי,

using our specialized material.

תוך שימוש בחומר המיוחד שלנו.

These panels can then be integrated with a component

הלוחות הללו יכולים להשתלב עם רכיב

almost every cooling system has, called a condenser,

שנמצא כמעט בכל מערכת קירור, הנקרא מעבה,

to improve the system's underlying efficiency.

כדי לשפר את יעילות המערכת.

Our start-up, SkyCool Systems,

הסטארט-אפ שלנו, SkyCool Systems,

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

השלים לאחרונה ניסוי-שטח בדייויס, קליפורניה, והוא מוצג כאן.

In that demonstration,

בהדגמה הזו,

we showed that we could actually improve the efficiency

הראנו שאנו יכולים לשפר את היעילות

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

של אותה מערכת קירור בשטח עד כדי 12 אחוז.

Over the next year or two,

בשנה-שנתיים הקרובות,

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

אני מצפה בהתרגשות לראות את זה עובר לניסויים מסחריים

in both the air conditioning and refrigeration space.

בתחומי מיזוג האוויר והקירור כאחד.

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

בעתיד, ייתכן ונוכל לשלב לוחות כאלה

with higher efficiency building cooling systems

עם מערכות יותר יעילות לקירור בניינים

to reduce their energy usage by two-thirds.

כדי לצמצם את צריכת האנרגיה שלהן בשני-שלישים.

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

ולבסוף, אולי נוכל לבנות מערכת קירור

that requires no electricity input at all.

שאינה נזקקת כלל לאספקת חשמל.

As a first step towards that,

כצעד ראשון בכיוון הזה,

my colleagues at Stanford and I

עמיתיי בסטנפורד ואני

have shown that you could actually maintain

הראינו שניתן לשמור על חומר

something more than 42 degrees Celsius below the air temperature

משהו בטמפרטורה של יותר מ-42 מעלות צלזויס מתחת לטמפרטורת האויר

with better engineering.

עם תכנון הנדסי משופר.

Thank you.

תודה.

(Applause)

(מחיאות כפיים)

So just imagine that --

רק תדמיינו -

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

משהו שהוא מתחת לנקודת הקיפאון ביום קיץ חם.

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

בעוד שאני נלהב ממה שניתן לשפר בטכנולוגיות הקירור,

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

ואני סבור שאכן יש הרבה שניתן לעשות,

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

בתור מדען אני נמשך גם לאפשרות מעמיקה יותר

that I believe this work highlights.

שאני מאמין שעבודה זו מצביעה עליה.

We can use the cold darkness of space

אנו יכולים לנצל את האפילה הקרה של החלל

to improve the efficiency

לשיפור היעילות

of every energy-related process here on earth.

של כל תהליך בעולם הקשור באנרגיה.

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

אחד התהליכים הללו הם התאים הסולריים.

They heat up under the sun

הם מתחממים בשמש

and become less efficient the hotter they are.

ויעילותם יורדת ככל שהם מתחממים.

In 2015, we showed that with deliberate kinds of microstructures

ב-2015, הראינו שעם מיקרו-מבנים מלאכותיים

on top of a solar cell,

בראש תא סולרי,

we could take better advantage of this cooling effect

ניתן לנצל יותר טוב את אפקט הקירור הזה

to maintain a solar cell passively at a lower temperature.

כדי לשמור תא סולרי בטמפרטורה נמוכה יותר.

This allows the cell to operate more efficiently.

זה מאפשר לתא לפעול יותר ביעילות.

We're probing these kinds of opportunities further.

אנו מתעמקים יותר באפשרויות כאלה.

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

אנו מתעניינים אם ניתן לנצל את קור החלל

to help us with water conservation.

שיסייע לנו בשימור מים,

Or perhaps with off-grid scenarios.

או אולי לנצלו לאזורים מבודדים.

Perhaps we could even directly generate power with this cold.

אולי אפילו נוכל לייצר חשמל ישירות מהקור הזה.

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

יש הפרש טמפרטורות גדול בין כאן

and the cold of space.

לבין החלל הקר.

That difference, at least conceptually,

ההפרש, לפחות עקרונית,

could be used to drive something called a heat engine

יכול לשמש להנעת משהו הקרוי מנוע חום

to generate electricity.

כדי לייצר חשמל.

Could we then make a nighttime power-generation device

האם נוכל אז לבנות התקן לייצור חשמל בלילה

that generates useful amounts of electricity

שמייצר חשמל בכמויות משמעותיות

when solar cells don't work?

כאשר תאים סולריים אינם פועלים?

Could we generate light from darkness?

האם נוכל לייצר אור מחושך?

Central to this ability is being able to manage

תנאי מרכזי ליכולת זו היא להיות מסוגלים לשלוט

the thermal radiation that's all around us.

בקרינה התרמית שאופפת אותנו.

We're constantly bathed in infrared light;

אנו טבולים קבוע באור אינפרא-אדום;

if we could bend it to our will,

אם נוכל להכפיף אותו לרצוננו,

we could profoundly change the flows of heat and energy

נוכל לשנות באופן יסודי את זרמי החום והאנרגיה

that permeate around us every single day.

שמפעפעים סביבנו בכל יום.

This ability, coupled with the cold darkness of space,

יכולת זו, עם האפילה הקרה של החלל,

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

מכוונת אותנו אל עתיד בו אנחנו, כציוויליזציה,

might be able to more intelligently manage our thermal energy footprint

נוכל אולי לשלוט באופן יותר מושכל בפרופיל האנרגיה התרמית שלנו

at the very largest scales.

במימדים הכי גדולים.

As we confront climate change,

בעודנו מתמודדים עם שינויי אקלים,

I believe having this ability in our toolkit

אני מאמין שהימצאות יכולת זו בארגז הכלים שלנו

will prove to be essential.

תוכח כחיונית.

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

אז, בפעם הבאה שאתם מטיילים בחוץ,

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

אכן ראוי להשתאות על כמה שהשמש חיונית לחיים עצמם על כדור-הארץ,

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

אבל לא לשכוח שגם לשאר השמיים יש מה להציע לנו.

Thank you.

תודה.

(Applause)

(מחיאות כפיים)