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

翻訳: Hiroshi Uchiyama 校正: Masaki Yanagishita

Every summer when I was growing up,

子供のころ毎年夏になると

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

カナダの家から祖父母のいる

who lived in Mumbai, India.

インドのムンバイに旅行しました

Now, Canadian summers are pretty mild at best --

カナダの夏は気温が上がっても 穏やかという程度です

about 22 degrees Celsius or 72 degrees Fahrenheit

気温は摂氏22度 華氏なら72度くらいが

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

一般的な夏の気温で さほど暑くありません

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

ところがムンバイは暑く多湿で

well into the 30s Celsius or 90s Fahrenheit.

摂氏30度 華氏なら90度にもなります

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

ムンバイに到着するとすぐに

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

「どうしたらこんな気候で生活し 働き 寝ることができるの？」と尋ねました

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

更に悪い事には祖父母は エアコンを持っていませんでした

And while I tried my very, very best,

かなり頑張ってはみましたが

I was never able to persuade them to get one.

エアコンを買うよう 説得するのは無理でした

But this is changing, and fast.

でも そんな状況は 急速に変わりつつあります

Cooling systems today collectively account for 17 percent

冷却系で使われる電力は 世界の全電力使用の

of the electricity we use worldwide.

17パーセントにも上ります

This includes everything from the air conditioners

この数字は 私が夏休みに

I so desperately wanted during my summer vacations,

喉から手が出るほど 欲しかったエアコンも

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

食料を安全に冷たく保存できる スーパーマーケットの冷蔵システムも

in our supermarkets,

含んでいますし

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

データセンターが稼働するための 工業的な規模のシステムも含みます

Collectively, these systems account for eight percent

冷却システム全体で 世界の温室効果ガス発生量の

of global greenhouse gas emissions.

８パーセントを占めます

But what keeps me up at night

しかし私を悩ませるのは

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

冷却に利用されるエネルギーは 2050年までに６倍に膨らみ

primarily driven by increasing usage in Asian and African countries.

アジアやアフリカの国々での利用拡大により 激増する可能性があります

I've seen this firsthand.

私はこの目で見てきました

Nearly every apartment in and around my grandmother's place

祖母の家の周りでも ほとんどのアパートで

now has an air conditioner.

今はエアコンがあります

And that is, emphatically, a good thing

これは 高温の環境で暮らす 人々にとって

for the health, well-being and productivity

健康や生活条件や 生産性といった点では

of people living in warmer climates.

とても良いことです

However, one of the most alarming things about climate change

ただ 気候変動に関わって 憂慮すべきなのは

is that the warmer our planet gets,

地球が暖まるにつれて

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

どんどん冷却システムが 必要になる上に

systems that are themselves large emitters of greenhouse gas emissions.

そのシステム自体が温室効果ガスの 巨大な発生源となるのです

This then has the potential to cause a feedback loop,

こうして悪循環に陥るかもしれません

where cooling systems alone

冷却システムだけでも

could become one of our biggest sources of greenhouse gases

21世紀の後半には 温室効果ガスの最大の発生源となる

later this century.

可能性があるのです

In the worst case,

最悪のケースでは

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

2100年までに 毎年10兆キロワット時を超える電力が

just for cooling, by the year 2100.

冷却のために必要になるかもしれません

That's half our electricity supply today.

この数字は現在の電力供給量の 半分に当たります

Just for cooling.

冷却だけでです

But this also point us to an amazing opportunity.

しかし同時に これは私たちに チャンスを与えてくれます

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

全冷却システムの効率が １〜２割向上するだけで

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

温室効果ガスの発生量に 大きな影響を与えられるかもしれません

both today and later this century.

今でも そしてこの先でも

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

ひどい悪循環を避けるのに 役立つかもしれません

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

私は光や熱を研究する科学者です

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

特に新しい材料が それまでは不可能と考えられていた方法で

of these basic elements of nature

自然の基本的要素の流れを 改変できるか研究しています

in ways we might have once thought impossible.

So, while I always understood the value of cooling

夏休みの経験から

during my summer vacations,

冷却の価値を理解しつつ

I actually wound up working on this problem

この問題に取り組み始めたのは

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

６年前に遭遇した 知的難問がきっかけです

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

古代の人々が砂漠の気候で どのように氷を作れたのか？

This is a picture of an ice house,

この画像は氷の部屋

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

ヤクチャルと言われるもので イランの南西にあるものです

There are ruins of dozens of such structures throughout Iran,

このような建物はイラン中に数十とあり

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

同じような建物が 他の中東の国々や 中国に至るまで存在することが

and all the way to China.

確認されています

The people who operated this ice house many centuries ago,

何世紀も前に このような 氷の部屋を利用していた人々は

would pour water in the pool you see on the left

左手に見えるような水槽に

in the early evening hours, as the sun set.

日没後の夕刻の早い時間に 水を注ぎました

And then something amazing happened.

すると不思議なことが起きるのです

Even though the air temperature might be above freezing,

気温は氷点下になっていなくても

say five degrees Celsius or 41 degrees Fahrenheit,

例えば摂氏５度 華氏41度くらいで

the water would freeze.

水が凍るのです

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

生成された氷は早朝に回収され

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

右手に見える建物に保存しました

all the way through the summer months.

夏の期間中もずっとです

You've actually likely seen something very similar at play

同じような光景を 目にしたことがあるかもしれません

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

良く晴れた夜に 気温が氷点よりずっと高くても

even when the air temperature is well above freezing.

霜が降りているのに 気づいたことがあるでしょう

But wait.

でも待ってください

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

どうして気温が氷点を上回るのに 水が凍るのでしょうか？

Evaporation could have played an effect,

蒸発の影響もあるかもしれませんが 水が凍るほどではありません

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

Something else must have cooled it down.

別の何かが冷却したに違いありません

Think about a pie cooling on a window sill.

パイを窓枠に置いて 冷やすことを考えてください

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

パイを冷ますには 温度の低い方に 熱を逃す必要があります

Namely, the air that surrounds it.

つまり周囲の空気にです

As implausible as it may sound,

信じがたく聞こえますが

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

熱は水槽の水から 冷たい宇宙へと流れるのです

How is this possible?

どのようにして起こるのか？

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

多くの自然の物体と同じように 水槽の水は

sends out its heat as light.

熱を光として放出します

This is a concept known as thermal radiation.

熱放射の概念として知られています

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

この瞬間にも私たちは誰でも 熱を赤外線として

to each other and our surroundings.

周囲に放出しています

We can actually visualize this with thermal cameras

熱線カメラで可視化することができますが

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

そのイメージは 今見て頂いている様な画像です

So that pool of water is sending out its heat

水槽の水は熱を大気に

upward towards the atmosphere.

放出します

The atmosphere and the molecules in it

大気と大気中の分子は

absorb some of that heat and send it back.

熱の一部を吸収し再度放出します

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

これこそが気候変動の原因となる 温室効果です

But here's the critical thing to understand.

ここが理解すべき重要な部分です

Our atmosphere doesn't absorb all of that heat.

大気は熱をすべて吸収することはありません

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

もしそうなるなら 地球はもっと温暖な惑星になったはずです

At certain wavelengths,

ある波長—

in particular between eight and 13 microns,

具体的には8〜13ミクロンの波長が

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

大気の伝送窓として知られています

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

この大気の伝送窓は 赤外線としての熱を 効果的に大気の外側に逃がし

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

水槽の熱を運び出すことを可能にします

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

熱は遥かに冷たい場所へと 逃げていくのです

The cold of this upper atmosphere

大気上部の冷たい所へと

and all the way out to outer space,

更に遠い宇宙へと

which can be as cold as minus 270 degrees Celsius,

そこは 摂氏マイナス270度 あるいは

or minus 454 degrees Fahrenheit.

華氏マイナス454度にもなります

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

水槽の水は空から輻射される熱より

than the sky sends back to it.

さらに多くの熱を空に放出します

And because of that,

そのため

the pool will cool down below its surroundings' temperature.

水槽は周囲の温度より低くなるのです

This is an effect known as night-sky cooling

この効果は夜間冷却 あるいは 放射冷却として

or radiative cooling.

知られています

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

気候学者と気象学者には とても重要な自然現象として

as a very important natural phenomenon.

知られてきました

When I came across all of this,

この事実を知ったのは

it was towards the end of my PhD at Stanford.

スタンフォードの博士課程を 終える頃でした

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

この冷却方法としての 明らかな単純さに

yet really puzzled.

とても驚きました

Why aren't we making use of this?

この手法をぜひ使おう！

Now, scientists and engineers had investigated this idea

現在 科学者や技術者が 10年近くこのアイデアについて

in previous decades.

研究しています

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

ところが ひとつ 大きな問題があります

It was called night-sky cooling for a reason.

「夜間」冷却と呼ばれるのには 理由があります

Why?

なぜか？

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

それは太陽のせいです

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

冷却する表面は

it needs to be able to face the sky.

空に向いている必要があります

And during the middle of the day,

日中は

when we might want something cold the most,

一番冷たくなってほしいものが

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

残念ながら太陽に向いてしまい

And the sun heats most materials up

太陽はほとんどの物体を加熱し

enough to completely counteract this cooling effect.

冷却効果を完全に相殺してしまいます

My colleagues and I spend a lot of our time

私は仲間とともに多くの時間を費やし

thinking about how we can structure materials

極小スケールで材料を 作る方法を考えています

at very small length scales

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

光を利用して その材料で 新しい価値あることができるように

length scales smaller than the wavelength of light itself.

そのスケールは光の波長よりも 小さなものです

Using insights from this field,

この分野をナノフォトニクスとか

known as nanophotonics or metamaterials research,

メタマテリアル研究と呼びますが ここから発想を得て

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

史上初めて 日中でも 放射冷却を可能にする方法が

for the first time.

あるかもしれないと気づいたのです

To do this, I designed a multilayer optical material

実現のために 多層光材料を設計しました

shown here in a microscope image.

これは その顕微鏡画像です

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

厚さは 標準的な髪の毛の太さの 40分の１未満です

And it's able to do two things simultaneously.

２つのことを同時に行うことができます

First, it sends its heat out

１つ目は放熱

precisely where our atmosphere lets that heat out the best.

大気が熱を最も逃がしやすい所に向けてです

We targeted the window to space.

放熱先は宇宙にしました

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

２つ目は太陽による加熱を防止します

It's a very good mirror to sunlight.

太陽光を とてもよく反射します

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

最初にテストしたのは スタンフォードの屋上でしたが

that I'm showing you right here.

ご覧の通りです

I left the device out for a little while,

このデバイスを少しの間放置して

and I walked up to it after a few minutes,

数分後に近寄りました

and within seconds, I knew it was working.

数秒もせず機能していることが分かりました

How?

なぜ？

I touched it, and it felt cold.

触ったら冷たかったのです

(Applause)

（拍手）

Just to emphasize how weird and counterintuitive this is:

これが どれだけ奇妙で 直観から外れているかというと

this material and others like it

この材料やその類似物は

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

日陰から日向に移して 太陽が射していても

even though the sun is shining on it.

冷たくなるのです

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

お見せしているのは 最初の実験のデータです

where that material stayed more than five degrees Celsius,

この材料の温度は 気温と比べて摂氏５度以上

or nine degrees Fahrenheit, colder than the air temperature,

あるいは華氏９度以上 低い状態を保ちました

even though the sun was shining directly on it.

直射日光が当たっていたのにです

The manufacturing method we used to actually make this material

私たちが使った素材を 大規模に製造する方法は

already exists at large volume scales.

すでに存在しています

So I was really excited,

とてもワクワクしています

because not only do we make something cool,

なぜならただ冷たくするだけではなく

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

何かを実現して世に役立つ機会を 得られたかもしれないからです

That brings me to the next big question.

そのことが次の大きな疑問へと導きます

How do you actually save energy with this idea?

このアイデアで省エネを どう実現するか？

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

この技術でエネルギーを節約する 最も直接的な方法は

is as an efficiency boost

現代の空調や冷蔵の

for today's air-conditioning and refrigeration systems.

システム効率を増強することであると 信じています

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

そのために液冷パネルを製作しました

like the ones shown right here.

このようなものです

These panels have a similar shape to solar water heaters,

これらのパネルは 太陽熱温水器のような形状ですが

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

まったく逆の働きをします エネルギーを使わず水を冷却します

using our specialized material.

私たちの作った特殊な材料でです

These panels can then be integrated with a component

このパネルは ほとんどの 冷却システムが備える

almost every cooling system has, called a condenser,

凝縮器という部品と 組み合わせることができ

to improve the system's underlying efficiency.

システムの基本的な効率を向上します

Our start-up, SkyCool Systems,

私たちのスタートアップ企業 SkyCool Systemsは

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

カリフォルニア州デイビスで 実地試験を完了しました

In that demonstration,

この時のデモでは

we showed that we could actually improve the efficiency

冷却システムの効率を12パーセントも

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

向上できたことを示しました

Over the next year or two,

１年か２年すると

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

空調と冷蔵システムの双方で 商用規模での試験運用が

in both the air conditioning and refrigeration space.

開始されることに大変興奮しています

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

将来 このようなパネルを取り付けることで

with higher efficiency building cooling systems

ビル空調の冷却システムが高効率となり

to reduce their energy usage by two-thirds.

エネルギー消費を３分の２ 減らせるかもしれません

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

最終的には電力を全く必要としない

that requires no electricity input at all.

冷却システムを作れるかもしれないのです

As a first step towards that,

それに向かう第１歩として

my colleagues at Stanford and I

スタンフォードの同僚と私は

have shown that you could actually maintain

技術を駆使して

something more than 42 degrees Celsius below the air temperature

気温より摂氏42度以上低い温度に 維持できることを実証しました

with better engineering.

Thank you.

ありがとう

(Applause)

（拍手）

So just imagine that --

夏の暑い日に

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

何かを氷点下にすることを想像してください

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

冷却に対して私たちができるすべてに ワクワクしながら

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

更にできる事があると考えていて

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

この研究が指し示す とても意義深い機会に

that I believe this work highlights.

科学者として惹かれます

We can use the cold darkness of space

宇宙の冷たい暗黒を 地球上のあらゆる

to improve the efficiency

エネルギー関連工程の 効率向上に使うことができるのです

of every energy-related process here on earth.

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

その一例として取り上げたいのは 太陽電池です

They heat up under the sun

太陽熱で温度が上昇し それに連れ効率が下がります

and become less efficient the hotter they are.

In 2015, we showed that with deliberate kinds of microstructures

2015年には 意図的に微細構造を

on top of a solar cell,

太陽電池パネルの表面に装備することで 冷却効果を利用して

we could take better advantage of this cooling effect

to maintain a solar cell passively at a lower temperature.

エネルギーを使わず 太陽電池のセルを 低温に保てることを実証しました

This allows the cell to operate more efficiently.

太陽電池セルがより効率的に稼働できます

We're probing these kinds of opportunities further.

私たちはこのような機会を模索しています

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

私たちは宇宙の冷たさを 水の節約や

to help us with water conservation.

独立電源システムに役立てられないか

Or perhaps with off-grid scenarios.

検討しているところです

Perhaps we could even directly generate power with this cold.

宇宙の冷たさから 直接 エネルギーを作れるかもしれないのです

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

地球表面と冷たい宇宙の間には

and the cold of space.

温度差が存在します

That difference, at least conceptually,

温度差は 少なくとも理論上

could be used to drive something called a heat engine

熱機関の原動力として利用でき 電気を発生させられます

to generate electricity.

Could we then make a nighttime power-generation device

そうだとすると 夜間発電機器を作成し

that generates useful amounts of electricity

太陽電池が機能しない間の 実用的な量の電力を

when solar cells don't work?

作る事ができるのでしょうか？

Could we generate light from darkness?

暗闇から光を作り出せるのでしょうか？

Central to this ability is being able to manage

この力の中核になるのは 私たちに身近な

the thermal radiation that's all around us.

熱放射を管理できるかどうかです

We're constantly bathed in infrared light;

私たちは赤外線に包まれています

if we could bend it to our will,

もし赤外線を私たちの 思う通りに操れたら

we could profoundly change the flows of heat and energy

日々 私たちに浸透している 熱とエネルギーの流れを

that permeate around us every single day.

根底から変えることができるのです

This ability, coupled with the cold darkness of space,

この力は 宇宙の冷たい暗闇とともに

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

私たちに未来を見せてくれます

might be able to more intelligently manage our thermal energy footprint

私たちが文明として 非常に大規模に 熱エネルギーの消費を

at the very largest scales.

賢明に管理し得る未来です

As we confront climate change,

気候変動と立ち向かう際に

I believe having this ability in our toolkit

手段の１つとして この力を持つことが

will prove to be essential.

不可欠だとわかってくるでしょう

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

この次に外を歩き回るときには

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

地球の生命にとって太陽が どれほど大切なものかに驚きつつ

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

空の他の部分からも恩恵を得られることを 忘れてはいけません

Thank you.

ありがとうございました

(Applause)

（拍手）