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

번역: Hyewon Lee 검토: JY Kang

Every summer when I was growing up,

어렸을 적 매년 여름마다

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

조부모님을 뵈러 캐나다에서

인도 뭄바이에 가곤 했습니다.

who lived in Mumbai, India.

Now, Canadian summers are pretty mild at best --

현재 캐나다의 여름은 낮에 가장 더워 봤자

about 22 degrees Celsius or 72 degrees Fahrenheit

약 섭씨 22도 또는 화씨 72도인

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

전형적인 여름 날씨이며 그리 뜨거운 편은 아닙니다.

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

반면, 인도는 고온다습한 지역으로

well into the 30s Celsius or 90s Fahrenheit.

기온이 섭씨로는 30도, 화씨로는 90도까지 올라갑니다.

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

전 도착하자마지 이렇게 묻곤 했습니다.

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

“어떻게 이런 날씨에 먹고, 자고, 일하며 살 수 있는 거예요?” 라고요.

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

더군다나 조부모님 집에는 에어컨도 없었습니다.

And while I tried my very, very best,

전 늘 조부모님을 조르며

I was never able to persuade them to get one.

에어컨을 사자고 말했지만 늘 거절당했습니다.

But this is changing, and fast.

하지만 이제 상황이 급격하게 바뀌고 있습니다.

Cooling systems today collectively account for 17 percent

오늘날 냉방에 소비되는 전력이

전 세계 전력 소비량의 17%를 차지합니다.

of the electricity we use worldwide.

This includes everything from the air conditioners

이 냉방 기계에는

어렸을 적 제가 그토록 원했던 에어컨을 포함해

I so desperately wanted during my summer vacations,

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

마트에서 장 본 음식을

상하지 않게 보관해줄 냉장고와

in our supermarkets,

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

데이터 센터의 원활한 운영을 위한 산업 냉방 시설이 모두 포함됩니다.

Collectively, these systems account for eight percent

전체적으로 봤을 때 이 냉방 기계들은

전 세계적 온실 가스 배출의 8%를 차지하고 있습니다.

of global greenhouse gas emissions.

But what keeps me up at night

하지만 제가 잠을 설치는 진짜 이유는

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

2050년에는 냉방 기계에 사용되는 에너지량이 무려 6배나 뛸 것이며

primarily driven by increasing usage in Asian and African countries.

그것은 아시아와 아프리카의 국가들 때문이라는 점입니다.

I've seen this firsthand.

저는 이런 현상을 직접 본 적이 있습니다.

Nearly every apartment in and around my grandmother's place

현재 제 조부모님 집 근처에 있는 거의 모든 아파트에

now has an air conditioner.

에어컨이 있습니다.

And that is, emphatically, a good thing

더운 지역에 사는 사람들이

건강하고 행복한 삶을 살 수 있게 되고 활발한 활동이 가능하게 된 점에서

for the health, well-being and productivity

of people living in warmer climates.

이는 매우 잘된 일입니다.

However, one of the most alarming things about climate change

하지만 가장 우려되는 점은 바로 지구 온난화입니다.

is that the warmer our planet gets,

지구의 기온이 점점 올라가면

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

냉방 기계도 계속 쓰게 되겠죠.

systems that are themselves large emitters of greenhouse gas emissions.

문제는 냉방기계가 온난화의 주범인 온실 가스를 방출한다는 점입니다.

This then has the potential to cause a feedback loop,

이는 악순환을 일으킬 가능성이 있습니다.

where cooling systems alone

즉, 나중에는 냉방 기계 자체가

could become one of our biggest sources of greenhouse gases

21세기 말에는 결국 온실가스의 주범이 될 수 있다는 거죠.

later this century.

In the worst case,

최악의 경우

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

2100년까지 냉방 기계를 돌리는 데만

매년 10조 kWh 이상의 전력이 필요하게 될 것입니다.

just for cooling, by the year 2100.

That's half our electricity supply today.

이는 오늘날 총 전력 공급의 절반을 차지하는 양입니다.

Just for cooling.

단지 냉방만을 위해서요.

But this also point us to an amazing opportunity.

하지만 여기엔 놀라운 점도 있습니다.

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

냉방 기계들의 효율성을 10%나 20%만 개선해도

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

온실 가스 방출을 막는 데 큰 영향을 줄 수 있습니다.

both today and later this century.

현재뿐만 아니라 미래에까지 영향을 미칠 수 있는 겁니다.

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

그렇게 된다면 최악의 경우인 악순환 현상을 막을 수 있습니다.

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

저는 전기 및 열 분야에 관심이 많은 과학자입니다.

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

특히 관심을 두는 것은 새로운 물질들이 어떻게

자연의 기본 원소들의 흐름을 바꾸는지에 대한 것입니다.

of these basic elements of nature

in ways we might have once thought impossible.

한때 불가능하다고 믿었던 방식으로요.

So, while I always understood the value of cooling

그래서, 어렸을 적에 늘 여름방학 때마다 겪었던

during my summer vacations,

냉방의 중요성을 깨달으면서도

I actually wound up working on this problem

냉방 기계의 문제 해결에 애쓰기 시작한 것은

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

6년 전에 우연히 알게 된 지적 수수께끼 때문이었습니다.

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

어떻게 선조들은 사막에서 얼음을 만들었을까요?

This is a picture of an ice house,

이 사진은 야크찰이라는 고대 얼음 보관소로

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

이란 남서부 지역에 위치하고 있습니다.

There are ruins of dozens of such structures throughout Iran,

이란 전역에 이런 구조물이 널려 있으며

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

이와 비슷한 구조물의 흔적을 그 외 중동 지역에서도 볼 수 있고

and all the way to China.

그 흔적이 중국까지 이어집니다.

The people who operated this ice house many centuries ago,

수백 년전 이 보관소를 운영한 사람들은

would pour water in the pool you see on the left

해가 질 때쯤의 초저녁에 여기 왼쪽에 보이는 웅덩이에

in the early evening hours, as the sun set.

물을 붓곤 했습니다.

And then something amazing happened.

그러고 나면 놀라운 일이 일어났죠.

Even though the air temperature might be above freezing,

기온이 어는점보다 높은

say five degrees Celsius or 41 degrees Fahrenheit,

섭씨 5도나 화씨 41도인데도

the water would freeze.

물이 어는 것입니다.

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

이렇게 생성된 얼음은 다음날 아침에 수확되고

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

여기 오른쪽 사진에 나온 건물에 보관됩니다.

all the way through the summer months.

여름 내내 말이죠.

You've actually likely seen something very similar at play

사실, 여러분도 이미 이런 현상이 일어나는 것을 본 적이 있을 것입니다.

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

맑은 밤에 땅 위에 서리가 앉아있는 걸 보셨을 거예요.

even when the air temperature is well above freezing.

기온이 어는점보다 높은데도 말이죠.

But wait.

하지만 여기서 되짚어 봅시다.

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

어떻게 기온이 어는점보다 높은데 물이 얼 수 있었던 걸까요?

Evaporation could have played an effect,

증발 때문일 수 도 있지만

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

물이 얼음이 되기에는 그것만으로 충분치 않습니다.

Something else must have cooled it down.

증발 외에 또 다른 요소가 있던 것이 분명합니다.

Think about a pie cooling on a window sill.

창문턱에서 파이를 두고 식히는 모습을 상상해보세요.

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

파이를 식히기 위해선 파이의 열기를 시원한 곳으로 보내야 합니다.

Namely, the air that surrounds it.

즉, 파이 주위의 공기를 바꿔야 하는 거죠.

As implausible as it may sound,

이는 불가능해 보이지만

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

이 물 웅덩이도 사실 주위의 열기를 시원한 쪽으로 보낸 것입니다.

How is this possible?

어떻게 이런 일이 가능할까요?

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

이 물 웅덩이도 대부분의 천연 자원들처럼

sends out its heat as light.

빛의 형태로 열을 전달합니다.

This is a concept known as thermal radiation.

이게 바로 우리가 흔히 아는 복사열이라는 개념입니다.

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

사실, 지금 우리도 적외선 형태의 열을

to each other and our surroundings.

우리 주변과 서로에게 보내고 있습니다.

We can actually visualize this with thermal cameras

열화상 카메라로 사진을 찍어보면

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

지금 화면에 나온 것처럼 우리가 내뿜는 열을 볼 수 있습니다.

So that pool of water is sending out its heat

따라서 물 웅덩이에서 나오는 열은

upward towards the atmosphere.

대기 중 위로 올라가게 됩니다.

The atmosphere and the molecules in it

대기와 대기 속 분자들이

absorb some of that heat and send it back.

이 열의 일부를 흡수하고 난 뒤 다시 이를 돌려줍니다.

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

이 원리가 바로 지구 온난화 주범인 온실효과의 작동원리입니다.

But here's the critical thing to understand.

하지만 여기 반드시 알아야 할 중요한 부분이 있습니다.

Our atmosphere doesn't absorb all of that heat.

그것은 바로 대기는 전달된 열을 모두 흡수하지 않는다는 점입니다.

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

만약 그랬다면 지구는 현재보다 더욱 뜨거운 상태였을 것입니다.

At certain wavelengths,

대기는 특정한 파장일 때

in particular between eight and 13 microns,

특히 8에서 13 마이크론 사이의 파장에서

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

'대기창'이라는 상태가 됩니다.

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

이 대기창은 적외선 형태로 올라오는 열의 일부를

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

효과적으로 분산시킴으로써 이 물 웅덩이의 열을 가져갑니다.

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

그러면 이 열은 훨씬 더 차가운 쪽으로 이동하게 되죠.

The cold of this upper atmosphere

물 웅덩이가 있던 대기 상층부에서

and all the way out to outer space,

대기권 밖으로 나가게 됩니다.

which can be as cold as minus 270 degrees Celsius,

대기권 밖은 섭씨 영하 270도

or minus 454 degrees Fahrenheit.

화씨로는 영하 454도로 매우 차가운 공간입니다.

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

그래서 이 물 웅덩이는 대기에서 다시 물 웅덩이로 보내는 열보다

than the sky sends back to it.

더 많은 열을 대기로 방출할 수 있습니다.

And because of that,

이러한 이유로

the pool will cool down below its surroundings' temperature.

물 웅덩이는 주위 온도보다 낮아지게 됩니다.

This is an effect known as night-sky cooling

이 현상이 바로 밤하늘 냉각입니다.

or radiative cooling.

복사 냉각이라고도 하죠.

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

이 현상은 기후학자와 기상학자들이

as a very important natural phenomenon.

늘 중요하게 여기는 자연현상입니다.

When I came across all of this,

이런 현상을 알게 된 때는

it was towards the end of my PhD at Stanford.

스탠포드 대학 박사과정을 마칠 때 즈음이었습니다.

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

저는 냉각 원리가 너무나도 간단하다는 사실에 놀라면서도

yet really puzzled.

한편으론 궁금했습니다.

Why aren't we making use of this?

왜 이런 단순한 원리를 활용하지 않는 걸까요?

Now, scientists and engineers had investigated this idea

과학자들과 공학자들은

이 원리를 활용할 방법을 수십 년간 연구해왔습니다.

in previous decades.

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

하지만 한 가지 결정적인 문제가 있음을 알게 되었죠.

It was called night-sky cooling for a reason.

바로 밤하늘 냉각이라 불리는 복사냉각이 문제였습니다.

Why?

왜냐고요?

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

바로 태양이라는 녀석 떄문입니다.

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

지면을 식히려면

it needs to be able to face the sky.

지면이 하늘을 바라보고 있어야 합니다.

And during the middle of the day,

차게 식혀야 할 때는 보통 낮시간 동안인데

when we might want something cold the most,

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

안타깝게도 낮에는 태양이 떠 있죠.

And the sun heats most materials up

태양은 지면의 대부분을 가열하고

enough to completely counteract this cooling effect.

복사냉각을 완전히 상쇄시켜버립니다.

My colleagues and I spend a lot of our time

저와 제 동료들은 오랫동안

thinking about how we can structure materials

아주 작은 길이를 갖는 물질을 만들 방법을 생각해왔습니다.

at very small length scales

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

빛을 이용해서 새롭고 실용적인 일을 할 수 있는 물질이고

length scales smaller than the wavelength of light itself.

빛의 파장 자체보다 더 짧은 길이를 가져야 합니다.

Using insights from this field,

나노 광학 또는 메타소재 연구로 알려진 분야의 지식을 통해서

known as nanophotonics or metamaterials research,

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

낮에 복사냉각이 가능한 방법이 존재할 거라는 사실을

for the first time.

처음으로 알아냈습니다.

To do this, I designed a multilayer optical material

이를 위해서 저는 여러 층을 갖는 광학 소재를 만들었습니다.

shown here in a microscope image.

이것은 그 소재의 현미경 사진인데요.

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

두께가 사람의 머리카락보다 40분의 1 정도로 얇습니다.

And it's able to do two things simultaneously.

그리고 동시에 두 가지 일을 할 수 있죠.

First, it sends its heat out

먼저, 이 광학 소재는 열을 내보냅니다.

precisely where our atmosphere lets that heat out the best.

대기에서 열이 가장 많이 방출되는 곳으로 정확히 열을 내보내죠.

We targeted the window to space.

저희는 우주 공간으로 향하는 대기창을 목표로 했습니다.

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

두 번째로, 태양에 의해 가열되는 것을 막습니다.

It's a very good mirror to sunlight.

이는 햇빛을 반사시키는 훌륭한 거울 역할을 하죠.

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

제가 처음으로 이를 실험했던 곳은 스탠포드 대학의 옥상이었습니다.

that I'm showing you right here.

보고 계신 바로 이곳이죠.

I left the device out for a little while,

저 장치를 잠시 동안 가만히 놓아두고

and I walked up to it after a few minutes,

몇 분 뒤에 다시 확인하러 갔습니다.

and within seconds, I knew it was working.

확인하자마자 이 장치가 효과가 있다는 걸 알았어요.

How?

어떻게 알았냐고요?

I touched it, and it felt cold.

손을 댔는데 차갑더라고요.

(Applause)

(박수)

Just to emphasize how weird and counterintuitive this is:

이게 얼마나 이상하고 납득이 잘 안 가는 것인지 보여 드릴게요.

this material and others like it

이 소재나 이와 비슷한 것을

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

그늘에서 꺼내오면 차가워 질 것입니다.

even though the sun is shining on it.

햇빛을 쬐고 있어도 말이죠.

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

첫 번째 실험에서 얻은 결과를 보면

where that material stayed more than five degrees Celsius,

섭씨 5도, 화씨로는 9도 이상을

or nine degrees Fahrenheit, colder than the air temperature,

유지하고 있음을 알 수 있습니다.

even though the sun was shining directly on it.

직사광선을 받고 있었는데도 말이죠.

The manufacturing method we used to actually make this material

우리가 실제로 이 소재를 만들었던 제작 방법으로

already exists at large volume scales.

대규모 생산이 가능한 시설이 이미 있었습니다.

So I was really excited,

저는 정말 기뻤어요.

because not only do we make something cool,

왜냐하면 냉방을 위한 소재를 만들 뿐만 아니라

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

이를 실현해서 실용화할 수 있는 기회를 찾았기 때문입니다.

That brings me to the next big question.

그러자 다음 의문점이 생겼습니다.

How do you actually save energy with this idea?

이 아이디어로 어떻게 에너지를 절약할 수 있을까요?

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

일단, 이 기술을 사용해 에너지를 절약하는 가장 직접적인 방법은

is as an efficiency boost

에어컨과 냉장고의 효율을 향상시키는 것입니다.

for today's air-conditioning and refrigeration systems.

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

이를 위해, 저희는 유동성 냉각 패널을 설치했습니다.

like the ones shown right here.

여기 보시는 것과 같은 건데요.

These panels have a similar shape to solar water heaters,

이 패널들은 태양열 온수기와 비슷한 형태를 지니고 있습니다.

하지만 작동원리는 정반대입니다.

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

저희가 만든 특수 소재를 통해서 천천히 물을 식히게 되죠.

using our specialized material.

These panels can then be integrated with a component

그런 뒤, 이 패널들을 하나로 합치면

almost every cooling system has, called a condenser,

모든 냉방 기계에 들어가는 콘덴서라는 부품이 되는데

to improve the system's underlying efficiency.

이것으로 냉방 시스템의 효율을 향상시킬 수 있습니다.

Our start-up, SkyCool Systems,

신생기업인 저희 스카이쿨 시스템은

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

최근에 여기 보시는 캘리포니아의 데이비스에서 실지 실험을 마쳤습니다.

In that demonstration,

이 실험에서

we showed that we could actually improve the efficiency

냉방 시스템 분야의 효율성이

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

12%나 향상될 수 있음을 증명했습니다.

Over the next year or two,

내년이나 내후년에

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

이 패널들이 최초로 상업용 규모로

in both the air conditioning and refrigeration space.

냉방 시스템에 시범 적용될 것으로 기대하고 있습니다.

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

미래에는 어쩌면 이러한 패널들을

with higher efficiency building cooling systems

더 효율성이 높은 건물 냉방 시스템과 결합해

to reduce their energy usage by two-thirds.

에너지 사용량을 3분의 2로 절약할 수 있을 겁니다.

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

그러면 결국 전력 공급이 전혀 필요없는

that requires no electricity input at all.

냉방 시스템을 만들 수 있을 것입니다.

As a first step towards that,

이를 향한 첫 발걸음으로

my colleagues at Stanford and I

저와 제 스탠포드 대학 동료들은

have shown that you could actually maintain

발전된 공학기술을 통해

something more than 42 degrees Celsius below the air temperature

섭씨 42도보다 더 낮은 기온을 유지할 수 있다는 것을

with better engineering.

증명해왔습니다.

Thank you.

고맙습니다.

(Applause)

(박수)

So just imagine that --

상상해보세요.

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

무더운 여름날인데도 어는점보다 낮은 무언가를 말이에요.

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

냉방 시스템에 관해 저희가 할 수 있는 것들에 신나면서도

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

아직 갈 길이 멀었다고 생각하지만

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

과학자로서 저는 이번 실험이 강조하는

that I believe this work highlights.

심오한 기회에 집중하고 있습니다.

We can use the cold darkness of space

차갑고 어두운 우주 공간을 이용해

to improve the efficiency

지구상 모든 에너지 처리 과정의 효율성을 향상시킬수 있습니다.

of every energy-related process here on earth.

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

그런 방법 중의 하나가 바로 태양광 전지입니다.

They heat up under the sun

태양광 전지는 태양열을 받아

and become less efficient the hotter they are.

온도가 높아질수록 효율성이 떨어집니다.

In 2015, we showed that with deliberate kinds of microstructures

2015년에 저희는 정교하게 제작된 미세구조들을

on top of a solar cell,

태양광 전지판 위에 설치하면

we could take better advantage of this cooling effect

냉각 효과의 장점을 활용하여

to maintain a solar cell passively at a lower temperature.

태양 전지가 수동적으로 낮은 온도를 유지한다는 걸 입증했습니다.

This allows the cell to operate more efficiently.

이 덕분에 태양광 전지를 더 효율적으로 운용할 수 있죠.

We're probing these kinds of opportunities further.

저희는 이런 기회를 계속 증명하고 있습니다.

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

현재 저희는 차가운 우주를 활용할 방법을 찾고 있습니다.

to help us with water conservation.

수자원 보존에 도움을 준다거나

Or perhaps with off-grid scenarios.

전력망 없이도 에너지를 사용하는 방안에 대해서요.

Perhaps we could even directly generate power with this cold.

어쩌면 이를 통해 에너지를 직접 생산할 수 도 있을 겁니다.

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

지구와 차가운 우주 공간의

and the cold of space.

온도 차는 매우 큽니다.

That difference, at least conceptually,

그 온도 차를 이용한다면 적어도 이론상으로는

could be used to drive something called a heat engine

전력 생산용 열기관을 만들어 낼 수 있습니다.

to generate electricity.

Could we then make a nighttime power-generation device

그렇다면 태양광 전지가 작동하지 않는 밤에도

that generates useful amounts of electricity

쓸만한 양의 전력을 제공할 발전기를 만들 수 있지 않을까요?

when solar cells don't work?

Could we generate light from darkness?

어둠을 이용해서 빛을 만들 수 있지 않을까요?

Central to this ability is being able to manage

이 능력의 핵심은 바로

우리 주위의 복사열을 이용할 수 있다는 점입니다.

the thermal radiation that's all around us.

We're constantly bathed in infrared light;

우린 끊임없이 적외선으로 목욕을 하고 있는 셈입니다.

if we could bend it to our will,

만약 적외선의 방향을 우리 마음대로 바꿀 수 있다면

we could profoundly change the flows of heat and energy

매일매일 우리를 관통하는 열과 에너지의 흐름을

that permeate around us every single day.

완전히 바꿀 수 있을 것입니다.

This ability, coupled with the cold darkness of space,

차갑고 어두운 우주를 이용하는 이 기술이 시사하는 바는

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

미래에는 우리 과학 문명으로

might be able to more intelligently manage our thermal energy footprint

열 에너지 발자국을 더욱 현명하게

대규모로 관리할 수 있을 거라는 점입니다.

at the very largest scales.

As we confront climate change,

기후 변화를 직면한 상황에서

I believe having this ability in our toolkit

이런 능력을 갖추는 것은

will prove to be essential.

필수 사항이 될 것입니다.

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

그러니 다음부터 밖에 나갈 때는

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

네, 지구 자체의 생명체들에게 태양이 얼마나 필수적인지 경탄하면서도

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

하늘에 있는 태양 외 나머지 요소들의 영향력 또한 잊지 않길 바랍니다.

Thank you.

감사합니다.

(Applause)

(박수)