Что, если мы сможем охлаждать здания на Земле с помощью холодной тьмы космоса? «Ночное охлаждение» — естественное явление, когда инфракрасный свет улетучивается из Земли в космос, унося тепло вместе с собой. Мы можем значительно уменьшить использование электроэнергии нашими системами охлаждения.

В детстве я каждое лето улетал из родной Канады в гости к бабушке и дедушке в Индию, в город Мумбаи. В Канаде лето довольно умеренное: средняя температура днём около 22 градусов по Цельсию или 72 градусов по Фаренгейту, и не слишком жарко. А вот в Мумбаи очень жарко и влажно, хорошо за 30 градусов по Цельсию или за 90 градусов по Фаренгейту. Прилетая туда, я спрашивал себя: «Как можно жить, работать и спать в такую погоду?» К тому же в доме у бабушки и дедушки не было кондиционера. И, несмотря на все мои старания, я так и не смог уговорить их его приобрести. Но ситуация меняется, причём очень быстро.

Сегодня на работу систем охлаждения уходит 17 процентов используемого электричества во всём мире. К ним относятся и кондиционеры, которых мне так отчаянно не хватало во время летних каникул, и холодильные системы, которые не дают нашей еде испортиться в супермаркетах, и системы промышленных масштабов для поддержания центров обработки данных в рабочем состоянии. На все эти системы приходится восемь процентов глобальных выбросов парниковых газов.

 

Но вот что не даёт мне покоя: к 2050 году расход электроэнергии на охлаждение может вырасти в шесть раз, главным образом из-за более широкого распространения в странах Азии и Африки. Я видел это своими глазами. Почти в каждой квартире в районе, где живёт моя бабушка, теперь есть кондиционер. И, конечно же, это хорошо для здоровья, самочувствия и работоспособностижителей жарких стран. Но в глобальном потеплении наибольшую тревогу вызывает то, что чем больше нагревается наша планета, тем больше нам нужны системы охлаждения, которые сами по себе являются крупными источниками выбросов парниковых газов. 

В итоге может образоваться порочный круг, и системы охлаждения сами станут одним из крупнейших источников парниковых газов к концу XXI века. В худшем случае к 2100 году нам нужно будет каждый год тратить более 10 триллионов киловатт-часов электричества только на охлаждение. Это половина всей нашей электроэнергии сегодня. Только на охлаждение. Но этот же факт указывает нам на удивительную возможность. Повышение производительности каждой системы охлаждения на 10–20 процентовможет значительно снизить выброс парниковых газов, как сегодня, так и к концу века, и может помочь нам избежать того самого порочного круга.

ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОЕКТЫ В НАНОФОТОНИКЕ

Я учёный и часто размышляю о свете и тепле. В частности, о том, как новые материалы позволяют изменить ход этих основных природных явлений так, как раньше считалось невозможным. И хотя ещё во время своих летних каникул я понимал, как много значит охлаждение, на самом деле я стал работать над этой проблемой из-за головоломки, о которой узнал лет шесть назад. Как древние люди создавали лёд в пустыне? Это ледяной дом, он же «яхчал», который находится на юго-западе Ирана. Во всём Иране десятки руин таких домов, также есть свидетельства подобных строений и в других странах Ближнего Востока вплоть до Китая.

Люди, много веков назад работавшие в этом ледяном доме, заливали воду в резервуар слеваранним вечером, на закате солнца. А потом происходило невероятное. Несмотря на то, что температура воздуха была выше нуля, — скажем, пять градусов по Цельсию или 41 градус по Фаренгейту, — вода замерзала. Получившийся лёд вынимали рано утром и откладывали на хранение в здание справа для использования в летние месяцы. Возможно, вы и сами наблюдали нечто подобное, если замечали, как в ясную ночь на земле образуется иней, даже если температура воздуха намного выше нуля. Но постойте. Как же вода замерзала при температуре воздуха выше нуля? Возможно, дело в испарении, но одного испарения мало, чтобы превратить воду в лёд. Должно быть, воду охладило что-то другое.

Подумайте, как пирог остывает на подоконнике. Чтобы пирог остыл, его тепло должно уходить туда, где холоднее. А именно — в окружающий его воздух. В это трудно поверить, но тепло от воды из резервуара уходит в холод космоса.

Как же это возможно? Как и большинство природных материалов, вода из резервуара отдаёт своё тепло в качестве света. Это явление называется тепловым излучением. Даже сейчас мы все отдаём тепло в форме инфракрасного излучения друг другу и окружающему миру. Мы можем наглядно представить этот процесс на съёмках с тепловых камер, как на этом изображении. Итак, тепло от воды из резервуара уходит вверх по атмосфере. Молекулы в атмосфере поглощают часть этого тепла и отдают его обратно. По сути, это и есть парниковый эффект, который в ответе за глобальное потепление.

НАНОФОТОННЫЙ ПЕРЕВОРОТ

Но вот самое главное, что нужно понимать. Атмосфера не поглощает всё тепло, иначе на нашей планете было бы гораздо жарче. На определённых длинах волн, а именно в диапазоне между восемью и 13 микронами, наша атмосфера имеет так называемое окно прозрачности. Благодаря этому окну часть тепла из инфракрасного света фактически улетучивается, унося с собой тепло воды из резервуара. А улетучивается оно туда, где очень, очень холодно: в холод верхних слоёв атмосферы и ещё дальше, в открытый космос, где температура доходит до -270 градусов по Цельсию или -454 градусов по Фаренгейту. Получается, что наш резервуар с водой отдаёт в небо больше тепла, чем получает от неба в ответ. И именно поэтому в резервуаре более низкая температура, чем в его окружении. Этот эффект известен как ночное охлаждение или радиационное охлаждение. Климатологи и метеорологи всегда считали его очень важным природным явлением.

Обо всём этом я узнал, когда заканчивал писать диссертацию в Стэнфорде. Я был поражен кажущейся простотой этого метода охлаждения, а также весьма озадачен. Почему мы этим не пользуемся? В предыдущие десятилетия учёные и инженеры исследовали эту идею. Но обнаружилась как минимум одна большая проблема. Эффект назван «ночным охлаждением» не просто так. Почему же? Всё дело в одной мелочи под названием Солнце. Чтобы поверхность могла охладиться, она должна быть под открытым небом. Но в середине дня, когда нам больше всего хочется чего-нибудь холодного, на небе, к несчастью, светит солнце. А солнце так нагревает большинство материалов, что полностью нейтрализует охлаждающий эффект.

Мы с коллегами много думаем о том, как строить материалы в очень малых масштабах, чтобы находить новое и полезное применение свету — в масштабах меньше, чем длина волны самого света. С помощью открытий из науки под названием нанофотоника, или исследование метаматериалов, мы поняли, что у нас впервые появилась возможность сделать это днём.

Для этого я разработал многослойный оптический материал, показанный на этом изображении из микроскопа. Он более чем в 40 раз тоньше человеческого волоса. И он может делать две вещи одновременно. Во-первых, он отдаёт своё тепло именно туда, где оно лучше всего рассеивается в атмосфере. Наша цель — окно в космос. Во-вторых, он не нагревается на солнце. Он отлично отражает солнечный свет. Впервые я протестировал этот материал на крыше Стэнфорда, которую вы видите на экране. Я оставил там устройство на несколько минут, а когда подошёл к нему, то в считанные секунды понял, что оно работает. Как? На ощупь оно было холодным.

ЛАБОРАТОРИЯ НАНООПТИКИ И ПЛАЗМОНИКИ МФТИ

Просто подчеркну, насколько это странно и нелогично: этот и другие подобные ему материалы остывают, если вынести их из тени, несмотря на то, что на них светит солнце. Здесь показаны результаты самого первого эксперимента, где материал оставался на пять градусов по Цельсию или на девять градусов по Фаренгейту, холоднее температуры воздуха, хотя находился под прямыми солнечными лучами. Метод изготовления этого материала, который использовали мы, на самом деле уже существует в крупных масштабах. Поэтому я очень обрадовался, ведь мы не только делаем что-то классное, но у нас появилась возможность сделать что-то по-настоящему полезное. Отсюда следует ещё один важный вопрос.

Как эта идея помогает экономить электроэнергию? Мы считаем, что наша технология напрямую помогает сэкономить электроэнергию, повысив производительность нынешних кондиционеров и холодильных систем. Для этого мы сделали панели жидкостного охлаждения, как те, что показаны здесь. По форме эти панели похожи на солнечные нагреватели, но их функция противоположна — они пассивно охлаждают воду с помощью нашего специального материала. Затем в эти панели можно встроить конденсатор, который есть почти в каждой системе охлаждения, чтобы улучшить её общую производительность. Наш стартап, SkyCool Systems, недавно закончил полевые испытания в Дэвисе, Калифорния, что показано здесь. В этой демонстрации мы показали, что можем улучшить производительность этой системы охлаждения в поле на целых 12 процентов.

В следующие год–два мне не терпится увидеть наш первый выход на массовый рынок в области и кондиционеров, и холодильной техники. Возможно, в будущем мы сможем встраивать такие панели в более мощные системы охлаждения, тем самым снизив расход электроэнергии на две трети. И, быть может, мы дойдём до того, что изобретём систему охлаждения, для работы которой вообще не потребуется электричество. В качестве первого шага к этому мы с коллегами в Стэнфорде продемонстрировали, что с лучшей техникой можно поддерживать температуру, более чем на 42 градуса по Цельсию ниже температуры воздуха.

Только представьте — что-то очень холодное в жаркий летний день. И хотя я очень рад тому, чего мы можем добиться в охлаждении, — и, я думаю, нам ещё многое предстоит сделать, — как учёного, меня привлекает более глубокая возможность, которая отражается в этой работе. Мы можем использовать холодную тьму космоса, чтобы повысить эффективность всего на Земле, что связано с электроэнергией. В частности, я бы хотел поговорить о солнечных батареях. Они нагреваются на солнце, и чем горячее становятся, тем менее эффективны. 

СВЕТ, ПРЕОДОЛЕВАЮЩИЙ ЦИФРОВОЙ БАРЬЕР

В 2015 году мы показали, как определённые виды микроструктур поверх солнечной батареи помогают нам лучше использовать охлаждающий эффект и пассивно поддерживать более низкую температуру солнечной батареи. Это обеспечивает более эффективную работу батареи. Мы продолжаем изучать такие возможности. 

Мы задумываемся об использовании космического холода для экономии водных ресурсов. Или в работе автономных систем электроснабжения. Возможно, с этим холодом мы даже сможем напрямую создавать электроэнергию. Существует огромная разница в температурах между нами на Земле и в холодном космосе. Эту разницу, по крайней мере в теории,можно использовать в работе теплового двигателя, чтобы производить электричество. Тогда возможно ли изобрести ночное устройство, которое производило бы достаточно электроэнергии, когда солнечные батареи не работают? Возможно ли производить свет из тьмы?

В сердце этой способности — возможность управлять тепловым излучением вокруг нас. Мы постоянно окутаны инфракрасным светом; подчинив его своей воле, мы бы коренным образом изменили потоки тепла и энергии, которые ежедневно пронизывают наш мир. Вместе с холодной тьмой космоса такая способность указывает на будущее, где наша цивилизация может более разумно управлять своим следом тепловой энергии в самых крупных масштабах.

Я думаю, что в борьбе с изменением климата такая способность в нашем арсенале окажется жизненно необходимой. Итак, когда вы в следующий раз будете гулять по улице, конечно, восхищайтесь важностью солнца для самой жизни на земле, но не забывайте, что и остальному небу есть что нам предложить.

Читайте также:

КАК АЗИЯ МОНИТОРИТ СВОЮ ИНФРАСТРУКТУРУ

 

ЛЮДИ БУДУЩЕГО. ШЕСТЬ НОВЫХ ПРОФЕССИЙ НА СТЫКЕ С IT

 

ВЫБОР FST. 7 ИЮЛЯ — 13 ИЮЛЯ 2018