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

Переводчик: Polina Nikitina Редактор: Natalia Ost

Every summer when I was growing up,

В детстве я каждое лето

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

улетал из родной Канады в гости к бабушке и дедушке

who lived in Mumbai, India.

в Индию, в город Мумбаи.

Now, Canadian summers are pretty mild at best --

В Канаде лето довольно умеренное:

about 22 degrees Celsius or 72 degrees Fahrenheit

средняя температура днём около 22 градусов по Цельсию

или 72 градусов по Фаренгейту, и не слишком жарко.

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

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

А вот в Мумбаи очень жарко и влажно,

well into the 30s Celsius or 90s Fahrenheit.

хорошо за 30 градусов по Цельсию или за 90 градусов по Фаренгейту.

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

Прилетая туда, я спрашивал себя:

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

«Как можно жить, работать и спать в такую погоду?»

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

К тому же в доме у бабушки и дедушки не было кондиционера.

And while I tried my very, very best,

И, несмотря на все мои старания,

I was never able to persuade them to get one.

я так и не смог уговорить их его приобрести.

But this is changing, and fast.

Но ситуация меняется, причём очень быстро.

Cooling systems today collectively account for 17 percent

Сегодня на работу систем охлаждения уходит 17 процентов

of the electricity we use worldwide.

используемого электричества во всём мире.

This includes everything from the air conditioners

К ним относятся и кондиционеры,

I so desperately wanted during my summer vacations,

которых мне так отчаянно не хватало во время летних каникул,

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

и холодильные системы, которые не дают нашей еде испортиться

in our supermarkets,

в супермаркетах,

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

и системы промышленных масштабов для поддержания центров обработки данных

в рабочем состоянии.

Collectively, these systems account for eight percent

На все эти системы приходится восемь процентов

of global greenhouse gas emissions.

глобальных выбросов парниковых газов.

But what keeps me up at night

Но вот что не даёт мне покоя:

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

к 2050 году расход электроэнергии на охлаждение может вырасти в шесть раз,

primarily driven by increasing usage in Asian and African countries.

главным образом из-за более широкого распространения в странах Азии и Африки.

I've seen this firsthand.

Я видел это своими глазами.

Nearly every apartment in and around my grandmother's place

Почти в каждой квартире в районе, где живёт моя бабушка,

now has an air conditioner.

теперь есть кондиционер.

And that is, emphatically, a good thing

И, конечно же, это хорошо

for the health, well-being and productivity

для здоровья, самочувствия и работоспособности

of people living in warmer climates.

жителей жарких стран.

However, one of the most alarming things about climate change

Но в глобальном потеплении наибольшую тревогу вызывает то,

is that the warmer our planet gets,

что чем больше нагревается наша планета,

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

тем больше нам нужны системы охлаждения,

systems that are themselves large emitters of greenhouse gas emissions.

которые сами по себе являются крупными источниками выбросов парниковых газов.

This then has the potential to cause a feedback loop,

В итоге может образоваться порочный круг,

where cooling systems alone

и системы охлаждения

could become one of our biggest sources of greenhouse gases

сами станут одним из крупнейших источников парниковых газов

later this century.

к концу XXI века.

In the worst case,

В худшем случае

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

к 2100 году нам нужно будет каждый год тратить

более 10 триллионов киловатт-часов электричества только на охлаждение.

just for cooling, by the year 2100.

That's half our electricity supply today.

Это половина всей нашей электроэнергии сегодня.

Just for cooling.

Только на охлаждение.

But this also point us to an amazing opportunity.

Но этот же факт указывает нам на удивительную возможность.

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

Повышение производительности каждой системы охлаждения на 10–20 процентов

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

может значительно снизить выброс парниковых газов,

both today and later this century.

как сегодня, так и к концу века,

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

и может помочь нам избежать того самого порочного круга.

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

Я учёный и часто размышляю о свете и тепле.

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

В частности, о том, как новые материалы позволяют изменить ход

of these basic elements of nature

этих основных природных явлений так,

in ways we might have once thought impossible.

как раньше считалось невозможным.

So, while I always understood the value of cooling

И хотя ещё во время своих летних каникул я понимал,

during my summer vacations,

как много значит охлаждение,

I actually wound up working on this problem

на самом деле я стал работать над этой проблемой

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

из-за головоломки, о которой узнал лет шесть назад.

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

Как древние люди создавали лёд в пустыне?

This is a picture of an ice house,

Это ледяной дом,

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

он же «яхчал», который находится на юго-западе Ирана.

There are ruins of dozens of such structures throughout Iran,

Во всём Иране десятки руин таких домов,

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

также есть свидетельства подобных строений и в других странах Ближнего Востока

and all the way to China.

вплоть до Китая.

The people who operated this ice house many centuries ago,

Люди, много веков назад работавшие в этом ледяном доме,

would pour water in the pool you see on the left

заливали воду в резервуар слева

in the early evening hours, as the sun set.

ранним вечером, на закате солнца.

And then something amazing happened.

А потом происходило невероятное.

Even though the air temperature might be above freezing,

Несмотря на то, что температура воздуха была выше нуля, —

say five degrees Celsius or 41 degrees Fahrenheit,

скажем, пять градусов по Цельсию или 41 градус по Фаренгейту, —

the water would freeze.

вода замерзала.

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

Получившийся лёд вынимали рано утром

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

и откладывали на хранение в здание справа

all the way through the summer months.

для использования в летние месяцы.

You've actually likely seen something very similar at play

Возможно, вы и сами наблюдали нечто подобное,

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

если замечали, как в ясную ночь на земле образуется иней,

even when the air temperature is well above freezing.

даже если температура воздуха намного выше нуля.

But wait.

Но постойте.

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

Как же вода замерзала при температуре воздуха выше нуля?

Evaporation could have played an effect,

Возможно, дело в испарении,

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

но одного испарения мало, чтобы превратить воду в лёд.

Something else must have cooled it down.

Должно быть, воду охладило что-то другое.

Think about a pie cooling on a window sill.

Подумайте, как пирог остывает на подоконнике.

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

Чтобы пирог остыл, его тепло должно уходить туда, где холоднее.

Namely, the air that surrounds it.

А именно — в окружающий его воздух.

As implausible as it may sound,

В это трудно поверить,

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

но тепло от воды из резервуара уходит в холод космоса.

How is this possible?

Как же это возможно?

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

Как и большинство природных материалов, вода из резервуара

sends out its heat as light.

отдаёт своё тепло в качестве света.

This is a concept known as thermal radiation.

Это явление называется тепловым излучением.

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

Даже сейчас мы все отдаём тепло в форме инфракрасного излучения

to each other and our surroundings.

друг другу и окружающему миру.

We can actually visualize this with thermal cameras

Мы можем наглядно представить этот процесс

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

на съёмках с тепловых камер, как на этом изображении.

So that pool of water is sending out its heat

Итак, тепло от воды из резервуара уходит

upward towards the atmosphere.

вверх по атмосфере.

The atmosphere and the molecules in it

Молекулы в атмосфере

absorb some of that heat and send it back.

поглощают часть этого тепла и отдают его обратно.

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

По сути, это и есть парниковый эффект, который в ответе за глобальное потепление.

But here's the critical thing to understand.

Но вот самое главное, что нужно понимать.

Our atmosphere doesn't absorb all of that heat.

Атмосфера не поглощает всё тепло,

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

иначе на нашей планете было бы гораздо жарче.

At certain wavelengths,

На определённых длинах волн,

in particular between eight and 13 microns,

а именно в диапазоне между восемью и 13 микронами,

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

наша атмосфера имеет так называемое окно прозрачности.

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

Благодаря этому окну часть тепла из инфракрасного света

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

фактически улетучивается, унося с собой тепло воды из резервуара.

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

А улетучивается оно туда, где очень, очень холодно:

The cold of this upper atmosphere

в холод верхних слоёв атмосферы

and all the way out to outer space,

и ещё дальше, в открытый космос,

which can be as cold as minus 270 degrees Celsius,

где температура доходит до -270 градусов по Цельсию

or minus 454 degrees Fahrenheit.

или -454 градусов по Фаренгейту.

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

Получается, что наш резервуар с водой отдаёт в небо больше тепла,

than the sky sends back to it.

чем получает от неба в ответ.

And because of that,

И именно поэтому

the pool will cool down below its surroundings' temperature.

в резервуаре более низкая температура, чем в его окружении.

This is an effect known as night-sky cooling

Этот эффект известен как ночное охлаждение

or radiative cooling.

или радиационное охлаждение.

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

Климатологи и метеорологи всегда считали его

as a very important natural phenomenon.

очень важным природным явлением.

When I came across all of this,

Обо всём этом я узнал,

it was towards the end of my PhD at Stanford.

когда заканчивал писать диссертацию в Стэнфорде.

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

Я был поражен кажущейся простотой этого метода охлаждения,

yet really puzzled.

а также весьма озадачен.

Why aren't we making use of this?

Почему мы этим не пользуемся?

Now, scientists and engineers had investigated this idea

В предыдущие десятилетия учёные и инженеры

in previous decades.

исследовали эту идею.

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

Но обнаружилась как минимум одна большая проблема.

It was called night-sky cooling for a reason.

Эффект назван «ночным охлаждением» не просто так.

Why?

Почему же?

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

Всё дело в одной мелочи под названием Солнце.

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

Чтобы поверхность могла охладиться,

it needs to be able to face the sky.

она должна быть под открытым небом.

And during the middle of the day,

Но в середине дня,

when we might want something cold the most,

когда нам больше всего хочется чего-нибудь холодного,

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

на небе, к несчастью, светит солнце.

And the sun heats most materials up

А солнце так нагревает большинство материалов,

enough to completely counteract this cooling effect.

что полностью нейтрализует охлаждающий эффект.

My colleagues and I spend a lot of our time

Мы с коллегами много думаем о том,

thinking about how we can structure materials

как строить материалы

at very small length scales

в очень малых масштабах,

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

чтобы находить новое и полезное применение свету —

length scales smaller than the wavelength of light itself.

в масштабах меньше, чем длина волны самого света.

Using insights from this field,

С помощью открытий из науки

known as nanophotonics or metamaterials research,

под названием нанофотоника, или исследование метаматериалов,

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

мы поняли, что у нас впервые появилась возможность

for the first time.

сделать это днём.

To do this, I designed a multilayer optical material

Для этого я разработал многослойный оптический материал,

shown here in a microscope image.

показанный на этом изображении из микроскопа.

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

Он более чем в 40 раз тоньше человеческого волоса.

And it's able to do two things simultaneously.

И он может делать две вещи одновременно.

First, it sends its heat out

Во-первых, он отдаёт своё тепло

precisely where our atmosphere lets that heat out the best.

именно туда, где оно лучше всего рассеивается в атмосфере.

We targeted the window to space.

Наша цель — окно в космос.

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

Во-вторых, он не нагревается на солнце.

It's a very good mirror to sunlight.

Он отлично отражает солнечный свет.

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

Впервые я протестировал этот материал на крыше Стэнфорда,

that I'm showing you right here.

которую вы видите на экране.

I left the device out for a little while,

Я оставил там устройство на несколько минут,

and I walked up to it after a few minutes,

а когда подошёл к нему,

and within seconds, I knew it was working.

то в считанные секунды понял, что оно работает.

How?

Как?

I touched it, and it felt cold.

На ощупь оно было холодным.

(Applause)

(Аплодисменты)

Just to emphasize how weird and counterintuitive this is:

Просто подчеркну, насколько это странно и нелогично:

this material and others like it

этот и другие подобные ему материалы

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

остывают, если вынести их из тени,

even though the sun is shining on it.

несмотря на то, что на них светит солнце.

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

Здесь показаны результаты самого первого эксперимента,

where that material stayed more than five degrees Celsius,

где материал оставался на пять градусов по Цельсию

or nine degrees Fahrenheit, colder than the air temperature,

или на девять градусов по Фаренгейту, холоднее температуры воздуха,

even though the sun was shining directly on it.

хотя находился под прямыми солнечными лучами.

The manufacturing method we used to actually make this material

Метод изготовления этого материала, который использовали мы,

already exists at large volume scales.

на самом деле уже существует в крупных масштабах.

So I was really excited,

Поэтому я очень обрадовался,

because not only do we make something cool,

ведь мы не только делаем что-то классное,

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

но у нас появилась возможность сделать что-то по-настоящему полезное.

That brings me to the next big question.

Отсюда следует ещё один важный вопрос.

How do you actually save energy with this idea?

Как эта идея помогает экономить электроэнергию?

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

Мы считаем, что наша технология напрямую помогает сэкономить электроэнергию,

is as an efficiency boost

повысив производительность

for today's air-conditioning and refrigeration systems.

нынешних кондиционеров и холодильных систем.

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

Для этого мы сделали панели жидкостного охлаждения,

like the ones shown right here.

как те, что показаны здесь.

These panels have a similar shape to solar water heaters,

По форме эти панели похожи на солнечные нагреватели,

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

но их функция противоположна — они пассивно охлаждают воду

using our specialized material.

с помощью нашего специального материала.

These panels can then be integrated with a component

Затем в эти панели можно встроить конденсатор,

almost every cooling system has, called a condenser,

который есть почти в каждой системе охлаждения,

to improve the system's underlying efficiency.

чтобы улучшить её общую производительность.

Our start-up, SkyCool Systems,

Наш стартап, SkyCool Systems,

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

недавно закончил полевые испытания в Дэвисе, Калифорния, что показано здесь.

In that demonstration,

В этой демонстрации

we showed that we could actually improve the efficiency

мы показали, что можем улучшить производительность

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

этой системы охлаждения в поле на целых 12 процентов.

Over the next year or two,

В следующие год–два

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

мне не терпится увидеть наш первый выход на массовый рынок

in both the air conditioning and refrigeration space.

в области и кондиционеров, и холодильной техники.

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

Возможно, в будущем мы сможем встраивать такие панели

with higher efficiency building cooling systems

в более мощные системы охлаждения,

to reduce their energy usage by two-thirds.

тем самым снизив расход электроэнергии на две трети.

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

И, быть может, мы дойдём до того, что изобретём систему охлаждения,

that requires no electricity input at all.

для работы которой вообще не потребуется электричество.

As a first step towards that,

В качестве первого шага к этому

my colleagues at Stanford and I

мы с коллегами в Стэнфорде

have shown that you could actually maintain

продемонстрировали, что с лучшей техникой

something more than 42 degrees Celsius below the air temperature

можно поддерживать температуру, более чем на 42 градуса по Цельсию

with better engineering.

ниже температуры воздуха.

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)

So just imagine that --

Только представьте —

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

что-то очень холодное в жаркий летний день.

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

И хотя я очень рад тому, чего мы можем добиться в охлаждении, —

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

и, я думаю, нам ещё многое предстоит сделать, —

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

как учёного, меня привлекает более глубокая возможность,

that I believe this work highlights.

которая отражается в этой работе.

We can use the cold darkness of space

Мы можем использовать холодную тьму космоса,

to improve the efficiency

чтобы повысить эффективность

of every energy-related process here on earth.

всего на Земле, что связано с электроэнергией.

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

В частности, я бы хотел поговорить о солнечных батареях.

They heat up under the sun

Они нагреваются на солнце,

and become less efficient the hotter they are.

и чем горячее становятся, тем менее эффективны.

In 2015, we showed that with deliberate kinds of microstructures

В 2015 году мы показали, как определённые виды микроструктур

on top of a solar cell,

поверх солнечной батареи

we could take better advantage of this cooling effect

помогают нам лучше использовать охлаждающий эффект

to maintain a solar cell passively at a lower temperature.

и пассивно поддерживать более низкую температуру солнечной батареи.

This allows the cell to operate more efficiently.

Это обеспечивает более эффективную работу батареи.

We're probing these kinds of opportunities further.

Мы продолжаем изучать такие возможности.

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

Мы задумываемся об использовании космического холода

to help us with water conservation.

для экономии водных ресурсов.

Or perhaps with off-grid scenarios.

Или в работе автономных систем электроснабжения.

Perhaps we could even directly generate power with this cold.

Возможно, с этим холодом мы даже сможем напрямую создавать электроэнергию.

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

Существует огромная разница в температурах между нами на Земле

and the cold of space.

и в холодном космосе.

That difference, at least conceptually,

Эту разницу, по крайней мере в теории,

could be used to drive something called a heat engine

можно использовать в работе теплового двигателя,

to generate electricity.

чтобы производить электричество.

Could we then make a nighttime power-generation device

Тогда возможно ли изобрести ночное устройство,

that generates useful amounts of electricity

которое производило бы достаточно электроэнергии,

when solar cells don't work?

когда солнечные батареи не работают?

Could we generate light from darkness?

Возможно ли производить свет из тьмы?

Central to this ability is being able to manage

В сердце этой способности — возможность управлять

the thermal radiation that's all around us.

тепловым излучением вокруг нас.

We're constantly bathed in infrared light;

Мы постоянно окутаны инфракрасным светом;

if we could bend it to our will,

подчинив его своей воле,

we could profoundly change the flows of heat and energy

мы бы коренным образом изменили потоки тепла и энергии,

that permeate around us every single day.

которые ежедневно пронизывают наш мир.

This ability, coupled with the cold darkness of space,

Вместе с холодной тьмой космоса такая способность

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

указывает на будущее, где наша цивилизация

might be able to more intelligently manage our thermal energy footprint

может более разумно управлять своим следом тепловой энергии

at the very largest scales.

в самых крупных масштабах.

As we confront climate change,

Я думаю, что в борьбе с изменением климата

I believe having this ability in our toolkit

такая способность в нашем арсенале

will prove to be essential.

окажется жизненно необходимой.

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

Итак, когда вы в следующий раз будете гулять по улице,

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

конечно, восхищайтесь важностью солнца для самой жизни на земле,

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

но не забывайте, что и остальному небу есть что нам предложить.

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)