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

Vertaald door: Rik Delaet Nagekeken door: Axel Saffran

Every summer when I was growing up,

Toen ik opgroeide, vloog ik elke zomer

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

van mijn thuis in Canada naar mijn grootouders

who lived in Mumbai, India.

in Mumbai, India.

Now, Canadian summers are pretty mild at best --

Nu zijn Canadese zomers in het beste geval vrij mild --

about 22 degrees Celsius or 72 degrees Fahrenheit

ongeveer 22°C of 72°F

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

is een typische zomerdag –- en niet te warm.

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

Mumbai is daarentegen een warme en vochtige plaats

well into the 30s Celsius or 90s Fahrenheit.

met temperaturen boven de 30°C of 90°F.

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

Zodra ik aankwam, vroeg ik:

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

"Hoe kan iemand wonen, werken of slapen in een dergelijke weer?"

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

En dan hadden mijn grootouders niet eens een airconditioner.

And while I tried my very, very best,

Hoe ik ook mijn best deed,

I was never able to persuade them to get one.

ik kon hen nooit overtuigen om er een aan te schaffen.

But this is changing, and fast.

Maar dit is aan het veranderen, en snel.

Cooling systems today collectively account for 17 percent

Koelsystemen verbruiken vandaag gezamenlijk

of the electricity we use worldwide.

wereldwijd 17% van alle elektriciteit.

This includes everything from the air conditioners

Dit omvat alles: van de airconditioners

I so desperately wanted during my summer vacations,

die ik zo graag wilde tijdens mijn zomervakanties,

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

tot de koelsystemen om ons voedsel veilig en koud te houden

in our supermarkets,

in onze supermarkten

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

en de grootschalige systemen die onze datacenters aan de gang houden.

Collectively, these systems account for eight percent

Samen zijn deze systemen goed voor 8%

of global greenhouse gas emissions.

van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen.

But what keeps me up at night

Waar ik niet van slaap, is dat tegen 2050

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

ons energieverbruik voor koeling zes maal groter zou kunnen worden,

primarily driven by increasing usage in Asian and African countries.

voornamelijk door een intensiever gebruik in Aziatische en Afrikaanse landen.

I've seen this firsthand.

Ik heb dit met eigen ogen gezien.

Nearly every apartment in and around my grandmother's place

Bijna elk appartement in de buurt van mijn oma

now has an air conditioner.

heeft nu een airconditioner.

And that is, emphatically, a good thing

En dat is vooral een goede zaak

for the health, well-being and productivity

voor gezondheid, welzijn en productiviteit

of people living in warmer climates.

van mensen die in warmere klimaten wonen.

However, one of the most alarming things about climate change

Een van de meest verontrustende dingen over de klimaatwijziging is echter

is that the warmer our planet gets,

dat naarmate onze planeet warmer wordt,

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

we meer koelsystemen gaan nodig hebben --

systems that are themselves large emitters of greenhouse gas emissions.

systemen die zelf grote uitstoters van broeikasgassen zijn.

This then has the potential to cause a feedback loop,

Dat kan een terugkoppeling veroorzaken

where cooling systems alone

waardoor koelsystemen alleen al

could become one of our biggest sources of greenhouse gases

een van onze grootste bronnen van broeikasgassen kunnen worden

later this century.

later deze eeuw.

In the worst case,

In het ergste geval hebben we

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

wellicht jaarlijks meer dan 10 biljoen kilowattuur elektriciteit nodig.

just for cooling, by the year 2100.

Alleen voor koeling, tegen het jaar 2100.

That's half our electricity supply today.

Dat is de helft van onze elektriciteitsvoorziening vandaag.

Just for cooling.

Alleen voor koeling.

But this also point us to an amazing opportunity.

Maar dit wijst ook op een geweldige kans.

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

Een 10 of 20% verbetering van de efficiëntie van elk koelsysteem

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

kan een enorme impact hebben op onze uitstoot van broeikasgassen,

both today and later this century.

zowel vandaag als later deze eeuw.

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

We zouden die terugkoppelingslus van het ergste geval kunnen vermijden.

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

Als wetenschapper denk ik veel na over licht en warmte.

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

Vooral over hoe we met nieuwe materialen

de stroom van deze basiselementen van de natuur kunnen wijzigen

of these basic elements of nature

in ways we might have once thought impossible.

op manieren die we misschien ooit onmogelijk achtten.

So, while I always understood the value of cooling

Ofschoon de waarde van koeling me al duidelijk was

during my summer vacations,

sinds mijn zomervakanties,

I actually wound up working on this problem

begon ik me met dit probleem bezig te houden

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

vanwege een intellectueel raadsel waar ik ongeveer zes jaar geleden op stuitte.

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

Hoe konden oude volkeren ijs maken in een woestijnklimaat?

This is a picture of an ice house,

Dit is een foto van een ijshuis,

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

of een ‘yakhchal’, in het zuidwesten van Iran.

There are ruins of dozens of such structures throughout Iran,

Er zijn tientallen ruïnes van dergelijke structuren in heel Iran,

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

met sporen van soortgelijke bouwwerken in de rest van het Midden-Oosten,

and all the way to China.

helemaal tot in China.

The people who operated this ice house many centuries ago,

De mensen die vele eeuwen geleden dit ijshuis in gebruik hadden,

would pour water in the pool you see on the left

goten water in het bekken -- dat je daar links ziet --

in the early evening hours, as the sun set.

in de vroege avonduren bij zonsondergang.

And then something amazing happened.

En dan gebeurde er iets verbazends.

Even though the air temperature might be above freezing,

Hoewel de temperatuur van de lucht boven het vriespunt kon zijn,

say five degrees Celsius or 41 degrees Fahrenheit,

misschien wel 5°C of 41°F,

the water would freeze.

bevroor het water toch.

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

Het gevormde ijs werd dan verzameld in de vroege ochtenduren

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

en voor gebruik opgeslagen in het gebouw daar rechts,

all the way through the summer months.

de hele zomer lang.

You've actually likely seen something very similar at play

Je hebt eigenlijk waarschijnlijk al iets vergelijkbaars gezien

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

bij rijmvorming na een heldere nacht,

zelfs bij een luchttemperatuur boven het vriespunt.

even when the air temperature is well above freezing.

But wait.

Maar wacht.

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

Hoe kan water bevriezen boven het vriespunt?

Evaporation could have played an effect,

Verdamping kan een rol spelen,

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

maar dat is niet genoeg om water tot ijs te laten bevriezen.

Something else must have cooled it down.

Iets anders moet het hebben afgekoeld.

Think about a pie cooling on a window sill.

Denk aan een taart die afkoelt op een vensterbank.

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

Om af te koelen, moet haar warmte naar een koelere plaats kunnen stromen.

Namely, the air that surrounds it.

In dit geval naar de omringende lucht.

As implausible as it may sound,

Hoe ongeloofwaardig het ook mag klinken,

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

voor dat bekken met water gaat die warmte in feite naar de koude van de ruimte.

How is this possible?

Hoe kan dat?

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

Dat bekken water stuurt, zoals de meeste natuurlijke materialen,

sends out its heat as light.

zijn warmte uit als licht.

This is a concept known as thermal radiation.

Dat heet thermische straling.

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

In feite stralen we allemaal onze warmte uit als infrarood licht,

to each other and our surroundings.

naar elkaar en naar onze omgeving.

We can actually visualize this with thermal cameras

We kunnen dit met thermische camera's visualiseren.

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

Ze produceren beelden zoals ik jullie nu toon.

So that pool of water is sending out its heat

Die plas water straalt zijn warmte de atmosfeer in.

upward towards the atmosphere.

The atmosphere and the molecules in it

De atmosfeer en de moleculen erin

absorb some of that heat and send it back.

absorberen een deel van die warmte en sturen die terug.

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

Dat is in feite het broeikaseffect, verantwoordelijk voor de klimaatopwarming.

But here's the critical thing to understand.

Maar wat nu komt, is van cruciaal belang om te begrijpen.

Our atmosphere doesn't absorb all of that heat.

Onze atmosfeer absorbeert niet al die warmte.

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

Als dat zo was, zouden we op een veel warmere planeet leven.

At certain wavelengths,

Bij bepaalde golflengten,

in particular between eight and 13 microns,

vooral tussen 8 en 13 micrometer, heeft

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

onze atmosfeer een transmissie-venster.

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

Dit venster laat een deel van de warmte die opstijgt als infrarood licht

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

daadwerkelijk ontsnappen, waardoor de warmte van dat bekken afneemt.

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

Ze verdwijnt naar een veel, veel koudere plaats.

The cold of this upper atmosphere

In de bovenste atmosfeer,

and all the way out to outer space,

en in de ruimte al helemaal,

which can be as cold as minus 270 degrees Celsius,

kan het -270°C of -454°F zijn.

or minus 454 degrees Fahrenheit.

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

Daardoor kan de plas water meer warmte naar de hemel uitstralen

than the sky sends back to it.

dan dat de hemel terugstuurt.

And because of that,

En daardoor zal het bekken afkoelen tot onder de omgevingstemperatuur.

the pool will cool down below its surroundings' temperature.

This is an effect known as night-sky cooling

Dit effect staat bekend als nachthemelkoeling

or radiative cooling.

of stralingskoeling.

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

Klimaatwetenschappers en meteorologen kennen het al lang

as a very important natural phenomenon.

als een zeer belangrijk natuurverschijnsel.

When I came across all of this,

Dit kwam ik te weten

it was towards the end of my PhD at Stanford.

tegen het einde van mijn doctoraat in Stanford.

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

Ik stond versteld van de schijnbare eenvoud van deze koelmethode,

yet really puzzled.

maar was ook in verwarring.

Why aren't we making use of this?

Waarom maken wij er geen gebruik van?

Now, scientists and engineers had investigated this idea

Wetenschappers en ingenieurs hadden dit idee wel onderzocht

in previous decades.

in voorgaande decennia.

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

Maar er bleek ten minste één groot probleem te zijn.

It was called night-sky cooling for a reason.

Er was een reden dat het nachtelijke koeling heette.

Why?

Waarom?

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

Er is daar dat dingetje dat we de zon heten.

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

Om een oppervlak af te koelen,

it needs to be able to face the sky.

moet het naar de hemel gericht zijn.

And during the middle of the day,

En in de loop van de dag,

when we might want something cold the most,

wanneer we het meest naar koude verlangen,

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

staat daar helaas de zon.

And the sun heats most materials up

En de zon warmt de meeste materialen

enough to completely counteract this cooling effect.

genoeg op om dit koelend effect volledig teniet te doen.

My colleagues and I spend a lot of our time

Mijn collega's en ik hebben lang nagedacht

thinking about how we can structure materials

over hoe we materialen kunnen structureren

at very small length scales

bij zeer kleine lengteschalen

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

zodat ze nieuwe en nuttige dingen met licht kunnen doen --

length scales smaller than the wavelength of light itself.

lengteschalen kleiner dan de golflengte van het licht zelf.

Using insights from this field,

Met behulp van inzichten op dit gebied,

known as nanophotonics or metamaterials research,

bekend als nanophotonica of metamaterialenonderzoek,

beseften we dat er wellicht een manier was

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

om dit voor het eerst overdag mogelijk te maken.

for the first time.

To do this, I designed a multilayer optical material

Om dit te doen, ontwierp ik een meerlagig optisch materiaal

shown here in a microscope image.

hier getoond op een microscoopbeeld.

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

Het is meer dan 40 keer dunner dan een typische menselijke haar.

And it's able to do two things simultaneously.

Het kan twee dingen tegelijk doen.

First, it sends its heat out

Ten eerste, warmte uitstralen

precisely where our atmosphere lets that heat out the best.

precies daar waar onze atmosfeer die warmte het beste doorlaat.

We targeted the window to space.

We mikten op het venster naar de ruimte.

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

Het tweede is dat het niet makkelijk wordt opgewarmd door de zon.

It's a very good mirror to sunlight.

Het is een zeer goede spiegel voor zonlicht.

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

De eerste keer testte ik dit op een dak in Stanford.

that I'm showing you right here.

Ik toon het hier.

I left the device out for a little while,

Ik liet de opstelling een tijdje buiten

and I walked up to it after a few minutes,

en toen ik er na een paar minuten terug bij kwam,

and within seconds, I knew it was working.

wist ik gelijk dat het werkte.

How?

Hoe?

I touched it, and it felt cold.

Ik raakte het aan en het voelde koud aan.

(Applause)

(Applaus)

Just to emphasize how weird and counterintuitive this is:

Gewoon om te benadrukken hoe raar en contra-intuïtief dit is:

this material and others like it

dit en andere soortgelijke materialen

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

worden kouder als we ze uit de schaduw halen,

even though the sun is shining on it.

ook al valt er zonlicht op.

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

Ik toon jullie gegevens van ons allereerste experiment,

where that material stayed more than five degrees Celsius,

waar dit materiaal meer dan 5°C of 9°F

or nine degrees Fahrenheit, colder than the air temperature,

kouder bleef dan de luchttemperatuur,

even though the sun was shining directly on it.

hoewel de zon er direct op scheen.

The manufacturing method we used to actually make this material

De productiemethode die we gebruikten om dit materiaal te maken

already exists at large volume scales.

bestaat al op grote schaal.

So I was really excited,

Ik was echt enthousiast,

because not only do we make something cool,

want niet alleen maken we iets cools,

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

maar misschien hebben we wel de mogelijkheid

om er echt iets mee te doen en er iets bruikbaars van te maken.

That brings me to the next big question.

Dat brengt me bij de volgende grote vraag:

How do you actually save energy with this idea?

hoe bespaar je nu energie met dit idee?

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

We geloven dat de meest directe manier om energie te besparen met deze technologie

is as an efficiency boost

is door de efficiëntie te verhogen

for today's air-conditioning and refrigeration systems.

van de huidige airconditioning- en koelsystemen.

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

Daarvoor hebben we vloeistof-koelpanelen gebouwd,

like the ones shown right here.

zoals die hier getoond.

These panels have a similar shape to solar water heaters,

Deze panelen zien eruit als zonneboilers,

maar ze doen het tegenovergestelde –- ze koelen het water passief

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

using our specialized material.

door ons gespecialiseerde materiaal.

These panels can then be integrated with a component

Deze panelen kunnen dan samengaan met een component

almost every cooling system has, called a condenser,

die je in bijna elke koelsysteem vindt, de condensor,

to improve the system's underlying efficiency.

om de onderliggende efficiëntie van het systeem te verbeteren.

Our start-up, SkyCool Systems,

Onze start-up, SkyCool Systems,

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

heeft onlangs een veldproef voltooid in Davis, Californië, hier afgebeeld.

In that demonstration,

In deze demonstratie laten we zien

we showed that we could actually improve the efficiency

dat we de efficiëntie van dat koelsysteem

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

met maar liefst 12% kunnen verbeteren.

Over the next year or two,

In de komende paar jaar

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

kijk ik echt uit naar de eerste proefprojecten op commerciële schaal

in both the air conditioning and refrigeration space.

voor zowel airconditioning als voor koeling.

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

In de toekomst kunnen we misschien dit soort panelen integreren

with higher efficiency building cooling systems

met meer efficiënte koelsystemen voor gebouwen

to reduce their energy usage by two-thirds.

om hun energieverbruik met tweederde te verminderen.

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

En tenslotte gaan we misschien een ​​koelsysteem kunnen bouwen

that requires no electricity input at all.

dat helemaal geen elektriciteit meer vereist.

As a first step towards that,

Als eerste stap in die richting:

my colleagues at Stanford and I

mijn collega's van Stanford en ik

have shown that you could actually maintain

hebben aangetoond dat je iets

something more than 42 degrees Celsius below the air temperature

op ruim 42°C onder de luchttemperatuur kan houden met een betere techniek.

with better engineering.

(Applaus) Dank je.

Thank you.

(Applause)

Stel je eens voor --

So just imagine that --

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

iets onder het vriespunt op een hete zomerdag.

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

Terwijl ik erg enthousiast ben over alles wat we kunnen doen om te koelen,

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

en ik denk dat er nog veel te doen overblijft,

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

ben ik als wetenschapper ook aangetrokken tot een meer diepgaande kans

that I believe this work highlights.

waar dit werk volgens mij naar wijst.

We can use the cold darkness of space

We kunnen de koude duisternis van de ruimte gebruiken

to improve the efficiency

om de efficiëntie te verbeteren

of every energy-related process here on earth.

van ieder energie-gerelateerd proces hier op aarde.

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

Een voorbeeld van zo'n proces dat ik graag wil belichten zijn zonnecellen.

They heat up under the sun

Ze warmen op onder de zon

and become less efficient the hotter they are.

en worden minder efficiënt naarmate ze warmer zijn.

In 2015, we showed that with deliberate kinds of microstructures

In 2015 hebben we aangetoond dat we met aangepaste vormen van microstructuren

on top of a solar cell,

bovenop een zonnecel,

we could take better advantage of this cooling effect

beter gebruik kunnen maken van dit koeleffect,

to maintain a solar cell passively at a lower temperature.

zodat een zonnecel passief op een lagere temperatuur blijft.

This allows the cell to operate more efficiently.

Hierdoor kan de cel efficiënter werken.

We're probing these kinds of opportunities further.

We testen dit soort mogelijkheden verder uit.

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

We onderzoeken of we de koude van de ruimte kunnen gebruiken

to help us with water conservation.

voor het beter omgaan met water.

Or perhaps with off-grid scenarios.

Of misschien met netonafhankelijke scenario's.

Perhaps we could even directly generate power with this cold.

Misschien kunnen we zelfs rechtstreeks energie opwekken met deze koude.

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

Er is een groot temperatuurverschil tussen ons hier op aarde

and the cold of space.

en de koude van de ruimte.

That difference, at least conceptually,

Dat verschil kan, ten minste in principe,

could be used to drive something called a heat engine

worden gebruikt om een warmtemachine aan te drijven

to generate electricity.

om elektriciteit te genereren.

Could we then make a nighttime power-generation device

Kunnen wij dan een nachtelijke energiecentrale maken

that generates useful amounts of electricity

die bruikbare hoeveelheden elektriciteit genereert

when solar cells don't work?

wanneer de zonnecellen niet werken?

Could we generate light from darkness?

Kunnen we licht maken van duisternis?

Central to this ability is being able to manage

Centraal hierin staat dit vermogen

the thermal radiation that's all around us.

om de warmtestraling overal om ons heen te beheren.

We're constantly bathed in infrared light;

We baden voortdurend in infrarood licht.

if we could bend it to our will,

Als we dat aan onze wil konden onderwerpen,

we could profoundly change the flows of heat and energy

konden we de stromen van warmte en energie,

that permeate around us every single day.

die ons elke dag doordringen, fundamenteel veranderen.

This ability, coupled with the cold darkness of space,

Deze mogelijkheid, in combinatie met de koude donkerte van het heelal,

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

wijst ons naar een toekomst waarin wij als beschaving

might be able to more intelligently manage our thermal energy footprint

onze thermische energie voetafdruk intelligenter zouden kunnen beheren

tot zelfs op de allergrootste schalen.

at the very largest scales.

As we confront climate change,

Nu we geconfronteerd worden met de klimaatverandering,

I believe having this ability in our toolkit

denk ik dat deze mogelijkheid in onze gereedschapskist

will prove to be essential.

essentieel zal blijken te zijn.

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

Als je nog eens buiten rondloopt,

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

verwonder je dan hoe de zon essentieel is voor het leven op aarde,

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

maar vergeet niet dat de rest van de hemel ons ook iets te bieden heeft.

Thank you.

Dank je.

(Applause)

(Applaus)