Aaswath Raman
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Cada verano cuando era niño, volaba desde mi casa en Canadá para visitar a mis abuelos, quienes vivían en Mumbai, India. Los veranos canadienses son bastante leves como mucho... unos 22 º C o 72 º Fahrenheit es un típico día de verano, y no demasiado caliente. Mumbai, por otro lado, es un lugar cálido y húmedo bien en los 30 º C o 90 º Fahrenheit. Tan pronto llegaba, preguntaba, "¿Cómo podría alguien vivir, trabajar o dormir con ese clima?". Para empeorar las cosas, mis abuelos no tenían aire acondicionado. Y aunque lo intenté mucho, mucho, nunca logré persuadirlos para tener uno. Pero esto está cambiando, y rápido. Actualmente, los sistemas de refrigeración representan colectivamente el 17 % de la electricidad que usamos en todo el mundo. Incluye todo, desde los aires acondicionados como el que deseaba desesperadamente durante mis vacaciones de verano, a sistemas de refrigeración que mantienen nuestra comida segura y fría en nuestros supermercados, a sistemas industriales que mantienen operativos nuestros centros de datos. En conjunto, estos sistemas representan el 8 % de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. Pero lo que me despierta en la noche es que la energía para la refrigeración podría multiplicarse por 6 para el 2050, impulsado principalmente por el aumento del uso en países asiáticos y africanos. Lo he visto de primera mano. Casi todos los apartamentos en y alrededor de la casa de mi abuela ahora tiene un acondicionador de aire. Y eso es, enfáticamente, algo bueno para la salud, el bienestar y la productividad de personas que viven en climas más cálidos. Sin embargo, una de las cosas más alarmantes sobre el cambio climático es que cuanto más cálido se pone nuestro planeta, más necesitemos sistemas de enfriamiento, sistemas que son en sí mismos grandes emisores de gases de efecto invernadero. Esto podría causar un ciclo de retroalimentación, en el que los sistemas de enfriamiento podrían convertirse en una de nuestras mayores fuentes de gases de efecto invernadero a futuro. En el peor caso, es posible que necesitemos más de 10 billones de kilovatios-hora de electricidad/año, solo para enfriamiento, para el año 2100. Eso es la mitad de nuestro suministro de electricidad hoy. Solo para enfriamiento. Pero esto también nos señala una oportunidad increíble. Una mejora del 10 o 20 % en eficiencia de cada sistema de enfriamiento podría tener un impacto enorme en las emisiones de gases de efecto invernadero, tanto ya como más tarde este siglo. Y podría ayudarnos a evitar ese ciclo de retroalimentación en el peor de los casos. Soy un científico que piensa mucho en la luz y el calor. En particular, cómo los nuevos materiales nos permiten alterar el flujo de estos elementos básicos de la naturaleza de una forma que alguna vez podríamos haber pensado imposible. Aunque siempre entendí el valor de la refrigeración durante mis vacaciones de verano, de hecho, terminé trabajando en este problema debido a un acertijo intelectual que encontré hace unos seis años. ¿Cómo pudieron los pueblos antiguos hacer hielo en climas desérticos? Esta es una imagen de una casa de hielo, también llamada Yakhchal, ubicada en el suroeste de Irán. Hay ruinas de docenas de tales estructuras en todo Irán, con evidencia de edificios similares en todo el resto del Medio Oriente y todo el camino a China. Las personas que operaron esta casa de hielo hace muchos siglos, vertían agua en el estanque que ven a la izquierda en las primeras horas de la tarde, cuando se pone el sol. Y luego sucedía algo asombroso. Aunque la temperatura del aire estuviera sobre del punto de congelación, es decir 5 º C o 41 º Fahrenheit, el agua se congelaba. El hielo generado se recolectaba a primera hora de la mañana y se almacenaba para su uso en el edificio que ven a la derecha, todos los meses de verano. Probablemente hayan visto algo muy similar actuando si han notado que se forma escarcha en una noche clara, incluso si la temperatura está muy por encima del punto de congelación. Pero esperen. ¿Cómo se congela el agua si la temperatura está sobre el punto de congelación? La evaporación podría tener un efecto, pero no es suficiente para hacer que el agua se convierta en hielo. Algo más debe haberla enfriado. Piensen en un pastel enfriándose en una ventana. Para que se enfríe, su calor necesita fluir a algún lugar más fresco. Es decir, al aire que lo rodea. Por inverosímil que parezca, en ese estanque, su calor está fluyendo al frío del espacio. ¿Cómo es esto posible? Ese estanque, como la mayoría de los materiales naturales, envía su calor como luz. Este es un concepto conocido como radiación térmica. De hecho, todos estamos enviando nuestro calor como luz infrarroja en este momento, el uno al otro y nuestro entorno. Podemos visualizar esto con cámaras térmicas y las imágenes que producen, como las que les muestro ahora. Entonces ese estanque está enviando su calor hacia arriba hacia la atmósfera. La atmósfera y las moléculas en ella absorben algo de ese calor y lo devuelven. Ese es realmente el efecto invernadero que es responsable del cambio climático. Pero aquí está lo crítico para comprender. Nuestra atmósfera no absorbe todo ese calor. Si lo hiciera, estaríamos en un planeta mucho más cálido. En ciertas longitudes de onda, en particular entre 8 y 13 micras, nuestra atmósfera tiene lo que se conoce como una ventana de transmisión. Esta ventana permite que parte del calor que sube como luz infrarroja escape de manera efectiva, eliminando el calor de ese estanque. Y puede escapar a un lugar que es mucho, mucho más frío. El frío de esta atmósfera superior y todo el camino al espacio exterior, que puede ser tan frío como -270 º C, o -454 º Fahrenheit. Así, este estanque pueda enviar más calor al cielo de lo que el cielo le devuelve. A causa de eso, el estanque se enfriará por debajo de la temperatura de su entorno. Este es un efecto conocido como enfriamiento nocturno o enfriamiento radiativo. Y siempre ha sido entendido por los climatólogos y los meteorólogos como un fenómeno natural muy importante. Cuando me encontré con esto, hacia el final de mi doctorado en Stanford, me sorprendió su aparente simplicidad como método de enfriamiento; realmente me desconcertó. ¿Por qué no estamos haciendo uso de esto? Científicos e ingenieros habían investigado esta idea décadas anteriores, pero resultó haber al menos un gran problema. Se llamaba enfriamiento nocturno por una razón. ¿Por qué? Bueno, es algo pequeño llamado "sol". Para que la superficie que se enfríe, necesita poder mirar al cielo Y durante la mitad del día, es cuando es posible que más deseemos algo frío, desafortunadamente, eso significa que mirarás al sol. Y el sol calienta la mayoría de materiales lo suficiente para contrarrestar por completo este efecto de enfriamiento. Mis colegas y yo pasamos mucho tiempo pensando en cómo estructurar materiales en escalas de longitud muy pequeña de modo que puedan hacer cosas nuevas y útiles con la luz... escalas de longitud más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Usando ideas de este campo, conocida como investigación de nanofotónica o metamateriales, nos dimos cuenta de que podría haber una manera de hacer esto posible durante el día por primera vez. Para hacer esto, diseñé un material óptico multicapa que les muestro aquí en una imagen de microscopio. Es más de 40 veces más delgado que un cabello humano típico. Y es capaz de hacer dos cosas al mismo tiempo. Primero, envía su calor precisamente donde nuestra atmósfera permite escapar el calor mejor. Orientamos la ventana al espacio. Lo segundo que hace es evitar que el sol lo caliente. Es un muy buen espejo para la luz del sol. La primera vez que la probé fue en la azotea en Stanford que les estoy mostrando aquí. Dejé el dispositivo un tiempo, y caminé hacia él después de unos minutos, y en segundos, supe que estaba funcionando. ¿Cómo? Lo toqué y se sintió frío. (Aplausos) Solo para enfatizar cuán raro y contradictorio es esto: este material y otros similares se enfriarán cuando los saquemos de la sombra, a pesar de que el sol brille sobre él. Les muestro datos aquí de nuestro primer experimento, en que ese material se mantuvo más de 5 º C, o 9 º Fahrenheit, más frío que la temperatura del aire, a pesar de que el sol brillaba directamente sobre él. El método de fabricación que usamos para hacer este material ya existe a grandes escalas de volumen. Estaba muy emocionado, porque no solo hacemos algo genial, sino que podríamos tener la oportunidad de hacer algo real y hacerlo útil. Eso me lleva a la siguiente gran pregunta. ¿Cómo se ahorra energía con esta idea? Creemos que la forma más directa de ahorrar energía con esta tecnología es como un impulso de eficiencia a los sistemas actuales de aire acondicionado y refrigeración. Para hacerlo, construimos paneles de enfriamiento, como los que se muestran aquí. Tienen una forma similar a calentadores de agua solares, excepto que hacen lo contrario: enfrían el agua, pasivamente, usando nuestro material especializado. Estos paneles pueden integrarse con un componente de casi todos los sistemas de enfriamiento, llamado condensador, para mejorar la eficiencia subyacente del sistema. Nuestro emprendimiento, SkyCool Systems, completó recientemente una prueba de campo en Davis, California, que muestro. En esa demostración, mostramos que en realidad podríamos mejorar la eficiencia de ese sistema de enfriamiento hasta un 12 % en campo. Para el próximo año o dos, estoy muy emocionado de que esto tenga sus primeros pilotos a escala comercial tanto en el espacio de aire acondicionado como en el de refrigeración. En el futuro, podríamos ser capaces de integrar este tipo de paneles con sistemas de enfriamiento de edificios de mayor eficiencia para reducir su consumo de energía en dos tercios. Y eventualmente, podríamos construir un sistema de enfriamiento que no requiriera consumo de electricidad en absoluto. Como primer paso hacia eso, mis colegas en Stanford y yo hemos demostrado que se podría mantener algo más de 42 º C por debajo de la temperatura del aire con mejor ingeniería. Gracias. (Aplausos) Imaginen eso... algo que está bajo cero en un caluroso día de verano. Aunque estoy muy entusiasmado con todo lo que podemos hacer para refrescarnos, y creo que aún queda mucho por hacer, como científico, también me atrae una oportunidad más profunda que creo que este trabajo destaca. Podemos usar la fría oscuridad del espacio para mejorar la eficiencia de cada proceso relacionado con la energía aquí en la Tierra. Uno de esos procesos que me gustaría destacar son las células solares. Se calientan bajo el sol y se vuelven menos eficientes cuanto más calientes están. En 2015 demostramos que con clases deliberadas de microestructuras encima de una célula solar, podríamos aprovechar mejor este efecto de enfriamiento para mantener una célula solar pasivamente a una temperatura más baja. Esto permite que la célula funcione de manera más eficiente. Estamos investigando aún más este tipo de oportunidades. Nos preguntamos si podemos usar el frío del espacio para ayudarnos con la conservación del agua. O tal vez con escenarios fuera de la caja. Quizás podríamos generar energía directamente con este frío. Hay una gran diferencia de temperatura entre nosotros en la Tierra y el frío del espacio. Esa diferencia, al menos conceptualmente, podría usarse para mover algo llamado un motor de calor para generar electricidad. ¿Podríamos hacer un dispositivo de generación de energía nocturno que generara cantidades útiles de electricidad cuando las celdas solares no funcionan? ¿Podríamos generar luz desde la oscuridad? Es fundamental para esta capacidad poder administrar la radiación térmica que está a nuestro alrededor. Estamos constantemente bañados en luz infrarroja; si pudiéramos someterla a nuestra voluntad, podríamos cambiar profundamente los flujos de calor y energía que impregnan nuestro entorno todos los días. Esta habilidad, junto con la fría oscuridad del espacio, nos señala un futuro en el que nosotros, como civilización, podríamos administrar nuestra huella de energía térmica de más inteligentemente en las escalas más grandes. Para enfrentar el cambio climático, creo que esta habilidad en nuestro kit de herramientas demostrará ser esencial. Entonces, la próxima vez que estén caminando afuera, sí, maravíllense de cómo el sol es esencial para la vida misma en la Tierra, pero no olviden que el resto del cielo también tiene algo que ofrecernos. Gracias. (Aplausos)