タイトル: 外宇宙の冷気を再生可能な資源に変える方法
イントロダクション:
外宇宙は極端な寒さで知られていますが、その冷気を再生可能な資源として利用する可能性があることを、ラマン氏のTED講演が紹介しています。本記事では、彼のアイデアに基づき、外宇宙の冷気を利用する方法と、その持つ可能性について探求してみましょう。
本文:
1. 外宇宙の冷気のポテンシャル:
外宇宙の冷気は、地球上でのエネルギー変換や冷却のために有効に活用できるポテンシャルを秘めています。ラマン氏は、特殊な材料や技術を使用して、外宇宙からの冷気を捕らえ、それを再生可能なエネルギー源として利用することが可能であると述べています。この革新的なアイデアによって、エネルギーの効率化や環境負荷の軽減が可能となります。
2. 外宇宙冷却の応用:
外宇宙の冷気を再生可能な資源として活用する方法は様々です。例えば、冷凍や冷却プロセスにおいて、外宇宙からの冷気を利用することで、エネルギーの浪費を抑えることができます。また、サーマルマネージメントやデバイスの冷却など、様々な産業や技術分野において、外宇宙の冷気を活用することが可能です。これにより、エネルギーの使用効率向上や環境への負荷の軽減が実現します。
3. 持続可能な未来への貢献:
外宇宙の冷気を再生可能な資源として活用することは、持続可能な未来の実現に向けて重要な一歩です。再生可能なエネルギー源の利用や環境への負荷の軽減は、地球の資源の保護と温暖化対策に寄与します。また、エネルギー効率の向上は、持続可能な社会の構築にもつながります。外宇宙の冷気を再生可能な資源として活用することで、地球の持続可能性を向上させることができます。
結論:
外宇宙の冷気を再生可能な資源に変えるアイデアは、私たちが持つエネルギーの効率化や環境負荷の軽減といった課題に対する新たな解決策を提供してくれます。この革新的なアプローチを採用することで、外宇宙の冷気をエネルギー源として活用し、持続可能な未来の実現に貢献することができます。我々は、より効率的かつ環境に優しい方法を探求することで、地球の資源を保護し、持続可能な社会を築くために取り組んでいくべきです。
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私が子供の頃、毎年夏になると、 カナダの自宅から飛行機で インドのムンバイに住む祖父母を訪ねました。 さて、カナダの夏はよく言ってもかなり穏やかです。 摂氏 22 度または華氏 72 度程度が 典型的な夏の日であり、暑すぎることはありません。 一方、ムンバイは、 摂氏 30 度または華氏 90 度に達する高温多湿の場所です。 到着するとすぐに、 「こんな天気の中でどうやって生きたり、仕事をしたり、眠ったりすることができるのでしょうか？」と尋ねました。 さらに悪いことに、祖父母にはエアコンがありませんでした。 そして、私は最善を尽くしましたが、 彼らを説得してそれを手に入れることはできませんでした。 しかし、この状況は急速に変化しています。
現在、冷却システムは、世界中で私たちが使用する電力の 17% を占めています。これには、夏休み中にどうしても欲しかったエアコンから、 スーパーマーケットで食品を安全に冷たく保つ冷蔵システム、データセンターの稼働を維持する産業規模のシステムまで、あらゆるものが含まれます。これらのシステムは合計すると、世界の温室効果ガス排出量の 8% を占めます。
しかし、夜も眠れないのは、 主にアジアやアフリカ諸国での使用量の増加により、冷房のためのエネルギー使用量が 2050 年までに 6 倍に増加する可能性があるということです。 私はこれを直接見てきました。私の祖母の家とその周辺のほぼすべてのアパートには今ではエアコンがあります。そしてそれは、温暖な気候に住む人々の健康、福祉、生産性にとって良いことであると強調します。しかし、気候変動について最も憂慮すべきことの 1 つは、地球が暖かくなればなるほど、冷却システム、つまりそれ自体が温室効果ガスの大量排出源となる冷却システムの必要性が高まることです。これにより、フィードバック ループが発生する可能性があります。 冷却システムだけでも、 今世紀後半には温室効果ガスの最大の発生源の 1 つになる可能性があります。 最悪の場合、2100 年までに冷却のためだけで年間 10 兆キロワット時を超える電力が必要になる可能性があります。これは現在の電力供給量の半分に相当します。あくまで冷却用です。しかし、これは私たちに素晴らしいチャンスをもたらしていることも示しています。すべての冷却システムの効率が 10 ～ 20% 改善されると、現在および今世紀後半の温室効果ガス排出量に実際に多大な影響を与える可能性があります。そして、最悪の場合のフィードバック ループを回避するのに役立つ可能性があります。
私は光と熱についてよく考える科学者です。 特に、新しい素材によって、 かつては不可能だと考えられていた方法で、自然の基本的な要素の流れをどのように変えることができるかについて説明します。 そのため、私は夏休み中に冷房の重要性を常に理解していましたが、実際にこの問題に取り組むことになったのは、約 6 年前に出会った知的パズルのおかげです。古代人はどのようにして砂漠気候で氷を作ることができたのでしょうか? これは、イラン南西部にあるヤクチャルとも呼ばれる氷の家の写真です。イラン全土にはそのような建造物の遺跡が数十件あり、中東の他の地域にも同様の建造物の証拠がある。 そしてはるばる中国へ。
何世紀も前にこの氷の家を運営していた人々は、 日が沈む夕方早い時間に、左側に見えるプールに水を注ぎました。 そして、驚くべきことが起こりました。気温が氷点下、たとえば摂氏 5 度または華氏 41 度であっても、水は凍ります。生成された氷は早朝に集められ、右側に見える建物で夏の間ずっと使用できるように保管されます。晴れた夜に、たとえ気温が氷点下をはるかに上回っていても、地面に霜が発生していることに気づいたことがあるなら、実際に非常によく似た現象が起こっているのを見たことがあるでしょう。ちょっと待って。 気温が氷点下である場合、水はどのようにして凍るのでしょうか? 蒸発が影響を及ぼした可能性はあります が、実際に水が氷になるには十分ではありません。 他の何かがそれを冷やしたに違いありません。
窓辺で冷やしているパイのことを考えてみましょう。 冷却するには、その熱がより涼しい場所に流れる必要があります。 つまり、それを取り囲む空気のことです。 信じられないことに聞こえるかもしれませんが、 その水たまりの熱は実際には宇宙の冷たさに流れています。
これはどのようにして可能でしょうか? そうですね、その水たまりは、ほとんどの天然物質と同様に、 その熱を光として送り出します。 これは熱放射として知られる概念です。 実際、私たちは今、熱を赤外線として お互いや周囲に送り出しています。 私たちは実際に、今お見せしているようなサーマルカメラとそれが生成する画像を使ってこれを視覚化することができます。 そのため、その水たまりはその熱を大気に向かって上向きに放出しています。大気とその中の分子はその熱の一部を吸収し、送り返します。実はこれが気候変動の原因となる温室効果なのです。
しかし、ここで理解すべき重要なことがあります。 私たちの大気はその熱をすべて吸収するわけではありません。 もしそうなら、私たちはもっと暖かい地球にいるでしょう。 特定の波長、 特に 8 ～ 13 ミクロンでは、 私たちの大気には透過窓と呼ばれるものがあります。 この窓は、赤外線として上昇する熱の一部を 効果的に逃がし、プールの熱を運び去ります。 そして、もっとずっと寒い場所に逃げることができます。 この上層大気から宇宙までの寒さは、摂氏マイナス 270 度、 または華氏マイナス 454 度にも達することがあります。水たまりがより多くの熱を空に送り出せるように 空がそれに送り返すよりも。 そのため、 プールは周囲の温度よりも冷えてしまいます。 これは夜空冷却 または放射冷却として知られる効果です。 そして、それは気候科学者や気象学者によって常に 非常に重要な自然現象として理解されてきました。
私がこれらすべてに出会ったのは、 スタンフォード大学の博士課程の終わり頃でした。 そして私は、冷却方法としてのその見かけの単純さに驚きましたが、 本当に困惑しました。 なぜこれを活用しないのでしょうか？ さて、科学者や技術者はこのアイデアを 過去数十年にわたって研究していました。 しかし、少なくとも 1 つの大きな問題があることが判明しました。 それが夜空冷却と呼ばれたのには理由がありました。 なぜ？ まあ、それは太陽と呼ばれる小さなものです。 したがって、冷却を行う表面は 空に面する必要があります。 そして、残念ながら、最も冷たいものが欲しくなる日中は 、太陽を見上げることになります。 そして、太陽はほとんどの物質を この冷却効果を完全に打ち消すほど加熱します。
私と同僚は、 光を使って新しい有用なことができるように、非常に小さな長さスケールで材料をどのように構造化できるかについて考えることに多くの時間を費やしています 。長さスケールは光自体の波長よりも小さいのです。ナノフォトニクスまたはメタマテリアル研究として知られるこの分野の洞察を使用して、これを日中に可能にする方法があるかもしれないことに初めて気づきました。
これを行うために、ここの顕微鏡画像に示されている 多層光学材料を設計しました。一般的な人間の髪の毛の40分の1以上の細さです。 そして、2 つのことを同時に行うことができます。 まず、大気が最も熱を放出する場所に正確に熱を送り出します。 私たちは窓を宇宙に向けました。2番目の効果は、太陽による熱を避けることです。太陽光に対して非常に優れた鏡です。私がこれを初めてテストしたのは、ここでお見せしているスタンフォードの屋上でした。しばらくデバイスを外したままにし、数分後に近づいてみると、数秒以内にデバイスが機能していることがわかりました。どうやって？ 触ってみると冷たく感じました。
これがいかに奇妙で直観に反しているかを強調しておきますが、 この素材やその他の同様の素材は、 たとえ太陽が当たっていても、日陰から取り出すと冷たくなります。 ここで私たちが最初に行った実験のデータをお見せします。そこでは、太陽が直接当たっているにもかかわらず、その物質は摂氏 5 度、または華氏 9 度以上、つまり気温よりも低いままでした。この材料を実際に製造するために使用した製造方法は、すでに大量スケールで存在しています。とても興奮していました。クールなものを作るだけでなく、実際に何かを実現して役に立つ機会があるかもしれないからです。 そこで次の大きな疑問が生じます。
このアイデアで実際にどのようにエネルギーを節約できるのでしょうか? このテクノロジーを使用してエネルギーを節約する最も直接的な方法は、 今日の空調および冷凍システムの効率を高めることであると私たちは考えています。 これを行うために、ここに示されているような流体冷却パネルを構築しました。これらのパネルは太陽熱温水器と似た形状をしていますが、逆の働きをし、当社の特殊素材を使用して水を受動的に冷却します。これらのパネルは、ほぼすべての冷却システムに備わっているコンデンサーと呼ばれるコンポーネントと統合して、システムの根本的な効率を向上させることができます。私たちのスタートアップである SkyCool Systems は、 は最近、カリフォルニア州デービスでのフィールド試験を完了しました。ここに示されています。 そのデモンストレーションでは、実際に 現場でその冷却システムの効率を 12% も改善できることを示しました。
今後 1 ～ 2 年かけて、これが 空調と冷凍の分野の両方で最初の商業規模のパイロットに導入されるのを見るのがとても楽しみです。 将来的には、この種のパネルをより効率の高い建物冷却システムと統合して、エネルギー使用量を 3 分の 2 削減できる可能性があります。そして最終的には、電力の投入をまったく必要としない冷却システムを実際に構築できるかもしれません。それに向けた第一歩として、スタンフォード大学の同僚と私は、より優れた工学技術を使えば実際に気温より 42 ℃以上低い温度を維持できることを示しました。
想像してみてください。 暑い夏の日に氷点下にあるものを想像してください。 したがって、私は冷却のために私たちができるすべてのことに非常に興奮しており、 やるべきことはまだたくさんあると思いますが、 科学者として、 この研究が浮き彫りにしていると信じているより深い機会にも惹かれています。 私たちは宇宙の冷たい暗闇を利用して、 地球上のあらゆるエネルギー関連プロセスの効率を向上させることができます。 私が注目したいプロセスの 1 つは太陽電池です。太陽の下では熱くなり、暑くなるにつれて効率が低下します。2015 年、私たちは、太陽電池の上に意図的に微細構造を設けることで、この冷却効果をより有効に活用できることを示しました。 太陽電池を受動的に低温に維持します。 これにより、セルがより効率的に動作できるようになります。 私たちはこの種の機会をさらに調査しています。 私たちは宇宙の寒さを 節水に利用できないかと考えています。 あるいは、オフグリッド シナリオの可能性もあります。 この寒さで直接発電することもできるかもしれない。 私たち地球と宇宙の寒さの間には大きな温度差があります。 この違いは、少なくとも概念的には、熱エンジンと呼ばれるものを駆動して発電するために使用できる可能性があります。では、太陽電池が動作しないときに有用な量の電気を生成する夜間発電装置を作ることはできないでしょうか? 暗闇から光を生み出すことはできるでしょうか？
この能力の中心となるのは、私たちの周囲に存在する熱放射を 管理できることです。私たちは常に赤外線を浴びています。 それを自分の意志通りに曲げることができれば、 毎日私たちの周りに浸透する熱とエネルギーの流れを大きく変えることができるでしょう。 この能力は、宇宙の冷たい暗闇と相まって、文明として、非常に大規模な熱エネルギーの使用量をよりインテリジェントに管理できる可能性がある未来を示しています。
私たちが気候変動に直面する中で、 この能力をツールキットに組み込むことが 不可欠であることが判明すると私は信じています。 ですから、次回外を散歩するときは、 太陽が地球上の生命にとっていかに不可欠であるかに驚かれるでしょう。 しかし、空の残りの部分も同様に私たちに何かを提供してくれるということを忘れないでください。
