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

Tradutor: Tânia Crispim Revisora: Margarida Ferreira

Every summer when I was growing up,

Todos os verões, quando estava a crescer,

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

viajava da minha casa, no Canadá, para visitar os meus avós

who lived in Mumbai, India.

que viviam em Mumbai, na Índia.

Now, Canadian summers are pretty mild at best --

Os verões canadianos são amenos

about 22 degrees Celsius or 72 degrees Fahrenheit

— cerca de 22 graus Celsius ou 72 graus Fahrenheit

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

é um dia de verão normal, não é muito quente.

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

Contudo Mumbai é um lugar quente e húmido

well into the 30s Celsius or 90s Fahrenheit.

entre os 30 graus Celsius ou 90 graus Fahrenheit.

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

Quando lá cheguei. perguntei:

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

"Como alguém pode viver, trabalhar ou dormir com este clima?"

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

Para piorar as coisas, os meus avós não tinham ar condicionado.

And while I tried my very, very best,

E embora tentasse o meu melhor

I was never able to persuade them to get one.

nunca os consegui persuadir a comprarem um.

But this is changing, and fast.

Mas isto está a mudar rapidamente.

Cooling systems today collectively account for 17 percent

Hoje os sistemas de arrefecimento fazem parte de cerca de 17%

of the electricity we use worldwide.

de toda a eletricidade que usamos a nível mundial.

This includes everything from the air conditioners

Isto incluí tudo, desde o ar condicionado

que tanto queria nas minhas férias de verão,

I so desperately wanted during my summer vacations,

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

até aos sistemas frigoríficos que mantêm a comida fresca e segura

in our supermarkets,

nos supermercados,

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

até aos sistemas à escala industrial

que mantêm operacionais os centros de dados.

Collectively, these systems account for eight percent

Coletivamente, estes sistemas são responsáveis

por 8% da emissão global de gases de efeito de estufa.

of global greenhouse gas emissions.

But what keeps me up at night

Mas o que não me deixa dormir

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

é que a energia usada para o arrefecimento pode aumentar seis vezes mais até 2050,

primarily driven by increasing usage in Asian and African countries.

principalmente devido ao aumento do consumo na Ásia e em países africanos.

I've seen this firsthand.

Eu vi isto diretamente.

Nearly every apartment in and around my grandmother's place

Quase todos os apartamentos nos arredores da casa da minha avó

now has an air conditioner.

têm hoje ar condicionado.

And that is, emphatically, a good thing

Isso é uma coisa boa para a saúde,

for the health, well-being and productivity

para o bem-estar e para a produtividade

of people living in warmer climates.

das pessoas que vivem em climas mais quentes.

However, one of the most alarming things about climate change

Contudo, uma das coisas mais alarmantes sobre a alteração climática

is that the warmer our planet gets,

é que, quanto mais quente o planeta se torna,

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

mais vamos precisar de sistemas de arrefecimento

systems that are themselves large emitters of greenhouse gas emissions.

— sistemas que são grandes emissores de gases de efeito de estufa.

This then has the potential to cause a feedback loop,

Isto tem o potencial de criar um círculo vicioso

where cooling systems alone

em que só os sistemas de arrefecimento

could become one of our biggest sources of greenhouse gases

podem tornar-se uma das maiores fontes de emissão de gases,

later this century.

no futuro.

In the worst case,

No pior dos casos, podemos vir a precisar

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

de mais de 10 biliões de quilowatts/hora todos os anos,

just for cooling, by the year 2100.

só para arrefecimento, no ano de 2100.

That's half our electricity supply today.

Isso é metade do atual fornecimento de eletricidade.

Just for cooling.

Só para arrefecimento.

But this also point us to an amazing opportunity.

Mas isto também aponta para uma oportunidade incrível.

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

Uma melhoria de 10 ou 20% na eficiência de todos os sistemas de arrefecimento

poderia ter um impacto enorme nas emissões de gases de efeito de estufa,

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

both today and later this century.

tanto hoje como no futuro.

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

E podia ajudar-nos a evitar esse ciclo vicioso, do pior dos cenários.

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

Sou um cientista que pensa muito na luz e no calor.

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

Em particular, na forma como os novos materiais nos permitem alterar

o fluxo dos elementos básicos da natureza

of these basic elements of nature

in ways we might have once thought impossible.

de formas que antes achávamos serem impossíveis.

So, while I always understood the value of cooling

Então, embora entendesse o valor do arrefecimento

during my summer vacations,

durante as minhas férias de verão,

I actually wound up working on this problem

acabei por trabalhar neste problema

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

devido a um "puzzle" intelectual que encontrei há uns seis anos.

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

Como é que as pessoas, antigamente, conseguiam fazer gelo em climas desérticos?

This is a picture of an ice house,

Isto é uma foto de uma casa de gelo,

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

também chamada "yakhchal", situada no sudoeste do Irão.

There are ruins of dozens of such structures throughout Iran,

Há dezenas de ruínas destas estruturas no Irão,

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

com indícios de edifícios parecidos pelo resto do Médio Oriente

and all the way to China.

e em todo o percurso até à China.

The people who operated this ice house many centuries ago,

As pessoas que trabalhavam nas casas de gelo, há muitos séculos,

would pour water in the pool you see on the left

enchiam de água o tanque que veem à esquerda.

in the early evening hours, as the sun set.

nas horas da tarde, quando o Sol se punha.

And then something amazing happened.

E algo incrível acontecia.

Even though the air temperature might be above freezing,

Mesmo com a temperatura do ar pouco acima de zero,

say five degrees Celsius or 41 degrees Fahrenheit,

por exemplo, a cinco graus Celsius ou 41 graus Fahrenheit,

the water would freeze.

a água congelava.

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

O gelo criado era recolhido no início da manhã

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

e guardado no edifício que veem à direita,

all the way through the summer months.

durante todos os meses de verão.

You've actually likely seen something very similar at play

Já devem ter visto algo parecido

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

se já viram a geada a criar-se no solo numa noite limpa,

even when the air temperature is well above freezing.

mesmo com a temperatura do ar muito acima de zero.

But wait.

Mas esperem.

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

Como é que a água congelava, se a temperatura do ar é acima de zero?

Evaporation could have played an effect,

A evaporação pode ter ajudado,

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

mas não é suficiente para tornar a água em gelo.

Something else must have cooled it down.

Outra coisa deve tê-la congelado.

Think about a pie cooling on a window sill.

Pensem numa tarte a arrefecer à janela.

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

Para arrefecer, o calor tem que ir para algum lado mais frio,

Namely, the air that surrounds it.

nomeadamente o ar à sua volta.

As implausible as it may sound,

Por impossível que pareça,

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

nesse tanque de água, o seu calor está a fluir até o frio do espaço.

How is this possible?

Como é que é possível?

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

Bem, o tanque de água, como muitos materiais naturais,

sends out its heat as light.

envia o seu calor sob a forma de luz.

This is a concept known as thermal radiation.

Este é um conceito conhecido por radiação térmica.

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

Neste momento, todos nós estamos a enviar o nosso calor, como luz infravermelha,

to each other and our surroundings.

uns para os outros e para os arredores.

We can actually visualize this with thermal cameras

Podemos ver isto com câmaras térmicas

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

e a imagem que produzem, como as que estou a mostrar agora.

So that pool of water is sending out its heat

Então, o tanque de água está a enviar o calor

upward towards the atmosphere.

para cima, para a atmosfera.

The atmosphere and the molecules in it

A atmosfera e as suas moléculas

absorb some of that heat and send it back.

absorvem algum do calor e enviam-no de volta.

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

Esse é o efeito de gases de estufa responsável pela alteração climática.

But here's the critical thing to understand.

Mas aqui está o que precisamos de entender.

Our atmosphere doesn't absorb all of that heat.

A atmosfera não absorve todo esse calor.

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

Se assim fosse, estávamos num planeta muito mais quente.

At certain wavelengths,

Em certos comprimentos de onda,

in particular between eight and 13 microns,

em particular entre os 8 e os 13 mícrones,

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

a atmosfera é conhecida como uma janela de transmissão.

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

Esta janela permite que algum calor, que sobe como luz infravermelha,

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

escape efetivamente, levando com ele o calor do tanque.

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

E pode escapar para um lugar que é muito mais frio.

The cold of this upper atmosphere

O frio desta atmosfera mais elevada

and all the way out to outer space,

e todo o percurso até ao espaço,

which can be as cold as minus 270 degrees Celsius,

que pode chegar até aos -270 graus Celsius,

or minus 454 degrees Fahrenheit.

ou -454 graus Fahrenheit.

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

Esse tanque de água é capaz de enviar mais calor para o céu

than the sky sends back to it.

e o céu manda-o de volta.

And because of that,

Isso é porque

the pool will cool down below its surroundings' temperature.

o tanque irá arrefecer abaixo da temperatura que a rodeia.

This is an effect known as night-sky cooling

Este é um efeito conhecido por arrefecimento noturno

or radiative cooling.

ou arrefecimento radiante.

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

E sempre foi entendido por cientistas climáticos e meteorologistas

as a very important natural phenomenon.

como um fenómeno natural muito importante.

When I came across all of this,

Quando me deparei com isto,

it was towards the end of my PhD at Stanford.

estava quase a acabar o meu doutoramento em Stanford.

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

Fiquei fascinado pela aparente simplicidade do método de arrefecimento,

yet really puzzled.

mas também confuso.

Why aren't we making use of this?

Porque não usamos isto?

Now, scientists and engineers had investigated this idea

Cientistas e engenheiros tinham investigado esta ideia

in previous decades.

em décadas anteriores.

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

Mas acabou por existir, pelo menos, um grande problema.

It was called night-sky cooling for a reason.

Era o chamado de arrefecimento noturno por um motivo.

Why?

Porquê?

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

Bem, é uma pequena coisa chamada Sol.

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

Então, a superfície que está a arrefecer,

it needs to be able to face the sky.

tem que poder estar virada para o céu.

And during the middle of the day,

E a meio do dia,

when we might want something cold the most,

quando podemos ansiar por algo frio,

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

infelizmente, isso significa que olhamos para o Sol.

And the sun heats most materials up

O Sol aquece muitos dos materiais

enough to completely counteract this cooling effect.

o suficiente para contrariar o efeito de arrefecimento.

My colleagues and I spend a lot of our time

Eu e os meus colegas passamos muito tempo

thinking about how we can structure materials

a pensar como podemos estruturar os materiais

at very small length scales

em escalas de comprimento muito pequenas

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

para que possam fazer coisas novas e úteis com a luz

length scales smaller than the wavelength of light itself.

— escalas mais pequenas do que o comprimento das ondas de luz.

Using insights from this field,

Usando conhecimentos desta área,

known as nanophotonics or metamaterials research,

conhecidos como a nanofotónica ou a pesquisa metamaterial,

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

percebemos que poderá existir uma forma de isto ser possível de dia.

for the first time.

pela primeira vez.

To do this, I designed a multilayer optical material

Para tal, concebi um material ótico de multicamadas

shown here in a microscope image.

mostrado aqui numa imagem microscópica.

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

É 40 vezes mais fino do que um cabelo humano médio,

And it's able to do two things simultaneously.

E é capaz de fazer duas coisas simultaneamente.

First, it sends its heat out

Primeiro, envia o calor para fora

precisely where our atmosphere lets that heat out the best.

precisamente para onde a nossa atmosfera deixa sair melhor esse calor.

We targeted the window to space.

Apontamos para a janela para o espaço.

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

A segunda coisa que faz é evitar ser aquecido pelo Sol.

It's a very good mirror to sunlight.

É um bom espelho à luz solar.

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

A primeira vez que o testei foi num telhado em Stanford

that I'm showing you right here.

que estou a mostrar aqui.

I left the device out for a little while,

Deixei o dispositivo fora durante algum tempo,

and I walked up to it after a few minutes,

e voltei após alguns minutos,

and within seconds, I knew it was working.

e, em segundos, soube que estava a funcionar.

How?

Como?

I touched it, and it felt cold.

Toquei nele e estava frio.

(Applause)

(Aplausos)

Just to emphasize how weird and counterintuitive this is:

Só para realçar o quão estranho e contraintuitivo isto é:

this material and others like it

este material e outros parecidos

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

ficam mais frios quando os tiramos da sombra,

even though the sun is shining on it.

mesmo que estejam expostos ao Sol.

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

Estou a mostrar-vos dados da primeira experiência,

where that material stayed more than five degrees Celsius,

em que esse material ficou mais frio cinco graus Celsius,

or nine degrees Fahrenheit, colder than the air temperature,

ou nove graus Fahrenheit, do que a temperatura do ar,

even though the sun was shining directly on it.

apesar de o Sol estar a incidir diretamente nele.

The manufacturing method we used to actually make this material

O método de manufatura que usamos para criar este material

already exists at large volume scales.

já existe em grande escala de volume.

So I was really excited,

Eu estava muito entusiasmado,

because not only do we make something cool,

porque não só fizemos algo fixe,

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

mas também podemos ter a oportunidade de fazer algo real e útil.

That brings me to the next big question.

Isso leva-me à próxima grande questão.

How do you actually save energy with this idea?

Como é que realmente poupamos energia com esta ideia?

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

Achamos que a forma mais direta de poupar energia com esta tecnologia

is as an efficiency boost

é um reforço de energia

for today's air-conditioning and refrigeration systems.

para os sistemas de ar condicionado de refrigeração atuais.

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

Para isso, criamos painéis de arrefecimento de líquidos,

like the ones shown right here.

como os que aqui estão.

These panels have a similar shape to solar water heaters,

Estes painéis têm uma forma parecida com a dos painéis solares,

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

mas fazem o oposto — eles arrefecem a água, passivamente,

using our specialized material.

usando o nosso material especializado.

These panels can then be integrated with a component

Estes painéis podem ser instalados com um componente

almost every cooling system has, called a condenser,

que quase todos esses sistemas têm, um condensador,

to improve the system's underlying efficiency.

para aumentar a eficiência subjacente do sistema.

Our start-up, SkyCool Systems,

A nossa "start-up", SkyCool Systems,

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

completou há pouco um teste no terreno em Davis, na Califórnia, como podem ver.

In that demonstration,

Nessa demonstração,

we showed that we could actually improve the efficiency

mostrámos que podíamos melhorar a eficiência

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

dos sistemas de arrefecimento em 12% no terreno.

Over the next year or two,

Dentro de um ou dois anos,

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

estou muito entusiasmado para ver os primeiros pilotos em escala comercial

in both the air conditioning and refrigeration space.

tanto no sistema de arrefecimento como na refrigeração do espaço.

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

No futuro, poderemos integrar este tipo de painéis

with higher efficiency building cooling systems

com sistemas de arrefecimento de maior eficiência

to reduce their energy usage by two-thirds.

para reduzir o uso de energia em dois terços.

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

E, eventualmente, poderemos construir um sistema de arrefecimento

that requires no electricity input at all.

que não precise de consumir eletricidade.

As a first step towards that,

Como primeiro passo para lá chegar,

my colleagues at Stanford and I

os meus colegas em Stanford e eu

have shown that you could actually maintain

mostrámos que podemos manter

something more than 42 degrees Celsius below the air temperature

algo mais do que 42 graus Celsius abaixo da temperatura do ar

com melhor engenharia.

with better engineering.

Thank you.

Obrigado.

(Applause)

(Aplausos)

So just imagine that --

Então imaginem só,

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

algo que é abaixo de zero num dia quente de verão.

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

Embora esteja entusiasmado sobre o que podemos fazer para o arrefecimento

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

— e acho que ainda há muito a fazer —

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

como cientista, também estou interessado numa oportunidade mais profunda,

that I believe this work highlights.

que acho que este trabalho destaca.

We can use the cold darkness of space

Podemos usar a fria escuridão do espaço

to improve the efficiency

para melhorar a eficiência

of every energy-related process here on earth.

de todos os processos relacionados com a energia aqui na Terra.

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

Um dos processos que gostava de destacar são os painéis solares.

They heat up under the sun

Eles aquecem sob o Sol

and become less efficient the hotter they are.

e tornam-se menos eficientes à medida que aquecem.

In 2015, we showed that with deliberate kinds of microstructures

Em 2015, mostrámos que com microestruturas deliberadas

on top of a solar cell,

em cima de um painel solar,

we could take better advantage of this cooling effect

poderíamos tirar maior vantagem deste efeito de arrefecimento

to maintain a solar cell passively at a lower temperature.

para manter o painel solar, passivamente, a uma temperatura mais baixa.

This allows the cell to operate more efficiently.

Isto faz com que o painel funcione melhor.

We're probing these kinds of opportunities further.

Estamos a explorar ainda mais este tipo de oportunidades.

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

Estamos a perguntar se podemos usar o frio do espaço

to help us with water conservation.

para nos ajudar a conservar a água.

Or perhaps with off-grid scenarios.

Ou talvez em cenários fora da rede.

Perhaps we could even directly generate power with this cold.

Talvez também pudéssemos gerar energia com este frio.

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

Há uma grande diferença de temperatura entre nós, aqui na Terra,

and the cold of space.

e o frio do espaço.

That difference, at least conceptually,

Essa diferença, pelo menos a nível conceptual,

could be used to drive something called a heat engine

poderia ser usada para alimentar um motor térmico

to generate electricity.

para gerar eletricidade.

Could we then make a nighttime power-generation device

Será que poderemos criar um gerador de eletricidade noturno

that generates useful amounts of electricity

que crie quantidades úteis de eletricidade

when solar cells don't work?

quando os painéis solares não funcionam?

Could we generate light from darkness?

Poderemos criar luz a partir da escuridão?

Central to this ability is being able to manage

O objetivo desta capacidade é ser capaz de gerir

the thermal radiation that's all around us.

a radiação térmica que está à nossa volta.

We're constantly bathed in infrared light;

Estamos constantemente banhados em luz infravermelha.

if we could bend it to our will,

Se a pudéssemos manipular, à nossa vontade,

we could profoundly change the flows of heat and energy

poderíamos mudar os fluxos do calor e da energia

that permeate around us every single day.

que estão connosco todos os dias.

This ability, coupled with the cold darkness of space,

Esta capacidade, juntamente com a fria escuridão do espaço,

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

aponta para um futuro em que nós, como civilização,

might be able to more intelligently manage our thermal energy footprint

poderemos conseguir gerir de forma mais racional

a pegada de energia térmica em grande escala.

at the very largest scales.

As we confront climate change,

Para enfrentar a alteração climática,

I believe having this ability in our toolkit

creio que ter esta capacidade

will prove to be essential.

se irá tornar essencial.

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

Então, da próxima vez que estiverem a andar na rua,

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

pensem bastante em como o Sol é essencial para a vida humana na Terra,

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

mas não se esqueçam que o resto do céu também tem algo para oferecer.

Thank you.

Obrigado.

(Applause)

(Aplausos)