מדעי הננו מנקים אבק מהמוזרות של פיזיקה כדי לייעל את מיזוג האוויר. האם זה יכול לעזור גם להציל את כדור הארץ?
הם נראים כמו מראות: 32 מלבנים מסודרים בקפידה בשמונה שורות על גג סופרמרקט בשם Grocery Outlet בסטוקטון, קליפורניה. מנצנץ מתחת לשמים בהירים, במבט ראשון הם יכולים להיות פאנלים סולאריים, אבל העבודה של האסדה הזו שונה לגמרי. זה מונע מהחנות להתחמם יתר על המידה.
כשהם מוטים לכיוון השמש, הלוחות לא סופגים כמעט אף אחד מהחום הפוגע בהם; הם אפילו משגרים חלק לחלל, ומשפרים את הביצועים של המערכות ששומרות על דברים בפנים קרים. ההישג מסתמך על תופעה שנקראת קירור קרינתי: כל דבר על פני כדור הארץ פולט חום בצורה של קרני אינפרא אדום בלתי נראות המתנשאות לשמיים. בלילה, בהיעדר אור יום מעלה כספית, זה יכול לקרר משהו מספיק כדי לייצר קרח. כאשר השמשה הקדמית של המכונית שלך מכפורת, גם אם המדחום לא ירד מתחת לאפס? זה קירור קרינה בפעולה.
עבור Aaswatth Raman, שהיה ראש המפתח מאחורי האריחים המבריקים של Grocery Outlet, האפקט הזה נראה כמו הזדמנות. "העור שלך, הגג שלך, האדמה, כולם מתקררים על ידי שליחת החום שלהם לשמיים", הוא אומר.
ראמאן, פרופסור למדעי החומרים והנדסה באוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס, הוא מייסד שותף של SkyCool Systems, סטארט-אפ שמנסה להפוך את התסריט על הטכנולוגיה שאנו תלויים בה כדי ליצור לְצַנֵן. ככל שהעולם מתחמם, הביקוש למיזוג אוויר וקירור עולה. אבל המערכות הללו עצמן מוציאות כמות אדירה של חום, והתרכובות הכימיות בהן הן משתמשות יכולות לברוח לשמיים, שם הן פועלות כגז חממה המחמם את כוכבי הלכת. לפי מכון האנרגיה של ברמינגהאם בבריטניה, החומרים הללו והכוח המעורב היוו לפחות 11 אחוז מפליטת גזי החממה העולמית ב-2018. עד 2050, יותר מ-4.5 מיליארד מזגנים ו-1.6 מיליארד מקררים צפויים לצרוך כמעט 40% מכלל החשמל. אם זה יעבור למיינסטרים, הטכנולוגיה של SkyCool - וגישות דומות בעבודות מצד מתחרים ואחרים חוקרים - יכולים להאט את המחזור על ידי הורדת טמפרטורות הבניין באופן טבעי והקלה על עומס האנרגיה שיטות קונבנציונליות.
לאחר ש- Grocery Outlet הניח את הפאנלים על גג הבניין ששטחו 25,000 רגל מרובע בסוף 2019, צריכת האנרגיה של מערכת הקירור של החנות ירדה ב-15%. זה מסתכם בכמעט 6,000 דולר חיסכון בשנה.
קשה לומר אם ההתקנה תפסה את טבעת הפליז השדרוג התשתיתי ושילמה על עצמה. Lime Energy, מתקן לאומי המתמחה בשדרוגים להגברת היעילות, מימן את עלויות ההתקנה של הסופרמרקט, מה שהפך את הפאנלים למחירים סבירים. עם זאת, כדי לעבוד בקנה מידה עצום, קירור קרינתי צריך להיות זול לייצור והתקנה. תגרום לזה לקרות, וזו יכולה להיות דרך אחת לחסוך בחשמל ולהפחית את הפליטות. "הייתי קצת סקפטי שאתה יכול להרוויח את הכמות המשמעותית הזו של קירור אפילו בשמש ישירה", אומר כריס אטקינסון, תוכנית לשעבר מנהל הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים–אנרגיה (ARPA-E), חטיבה של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) שמימנה את התוכנית המוקדמת של ראמאן מחקר. "אבל ברגע שזה הוסבר לי, זה נשמע סביר - והתוצאות משכנעות להפליא."
לפני מאות שנים,עמים תושבי המדבר ניצלו קירור קרינתי להכנת קרח. בערבים, הם ביטדו את הקירות של קערות או בורות גדולים, ואז שפכו מים. במהלך הלילה השחור כהה, חום ברח מהנוזל, ובבוקר הוא היה קפוא מוצק.
אדריכלים ופיזיקאים היו סקפטיים זמן רב שהאפקט יוכל אי פעם לעבוד באור יום. בשנות ה-70 וה-80, הם עשו ניסיונות שונים ליישם אותו על מבנים באמצעות בריכות מים על גגות. אבל המבנים היו קשים לתחזוקה ועדיין ספגו יותר מדי מחמימות השמש.
העניין של ראמאן עצמו בטכניקה השתלט בשנת 2012 בזמן שסיים את הדוקטורט שלו בפיזיקה יישומית באוניברסיטת סטנפורד. הוא היה מוקסם מהאופן שבו חומרים מתקשרים עם אור וחשב על המשך קריירה באנרגיה סולארית. ואז הוא נתקל במחקר שדן בקירור קרינתי והתקבע אם ההשפעה יכולה להתרחש אי פעם באור שמש ישיר.
"מה שקורה בלילה הוא שאתה מאבד חום לשמים, והשמים נותנים לחלק מזה ללכת לחלל", הוא אומר. "במהלך היום, אתה רוצה להמשיך לעשות את זה, אבל באותו זמן אתה רוצה להימנע מספיגת אנרגיית השמש."
למרבה המזל, לרשות ראמאן הייתה ננוטכנולוגיה - דיסציפלינה שמעצבת ומייצרת חומרים באמצעות סידור מולקולות ואטומים כך שינהגו בדיוק לפי הצורך.
בהדרכתו של Shanhui Fan, פרופסור לפיזיקה יישומית והנדסת חשמל בסטנפורד, ועם צוות קטן ממחלקת ההנדסה, Raman פיתח את החומר שמהווה כעת את הבסיס של SkyCool מערכות. (ARPAE עזר במענק של 300,000 דולר; מאוחר יותר, הסוכנות העניקה לצוות כ-2.5 מיליון דולר במימון נוסף.) במעבדות הייתה לו גישה ל- מגוון כלים: מכונות שיקוע אדים פיזיות, המשמשות לייצור ציפויים רב-שכבתיים דקים במיוחד; סריקת מיקרוסקופים אלקטרונים לקביעת עובי השכבות; ומגוון ספקטרופוטומטרים, אשר מדדו את תכונות האולטרה סגול והאינפרא אדום של החומרים.
תוך פחות משנה הם יצרו סרט דק המורכב משבע שכבות מיקרוסקופיות על גבי רסיס כסף. הפרוסות החליפו בין תחמוצת הפניום, תרכובת אנאורגנית הפועלת כמבודדת חשמלית, ו סיליקון דו חמצני, או סיליקה, חומר טבעי המרכיב קוורץ, חול וכמעט שני שלישים מכדור הארץ קרום.
כשהם פועלים יחד, החומרים מאפשרים סט מיוחד של תכונות אופטיות. בתור התחלה, הם טובים במיוחד בפליטת אור אינפרא אדום. גזי חממה ומולקולות מים באטמוספרה בדרך כלל סופגים את רוב הקרניים הללו ושולחים אותן בחזרה לכדור הארץ. אינפרא אדום בין 8 ל-13 מיקרומטר באורך גל, לעומת זאת, אינו נספג באטמוספירה ובמקום זאת מחליק לחלל, אז ראמאן כיוון את הסרט כך שיקרין רק בטווח הצר הזה. יתרה מכך, החומר מחזיר 97 אחוז מקרני השמש, מספיק כדי ליצור אפקט קירור במהלך היום. "זה למעשה שולח יותר חום לשמיים ממה שהשמיים בכללם שולחים בחזרה", אומר רמאן.
[קָשׁוּר: איך להישאר מגניב בלי לפוצץ את ה-AC.]
בסביבות 2013, רמאן החל לבחון את המשקף המיוחד שלו בעולם האמיתי. באותו קיץ, הוא הקים מערך קטן של לוחות על גבי בניין הנדסת החשמל של האוניברסיטה. בוקר אחד, בזמן שבדק מכשירים מודדים קרינה והשתקפות, רמאן הניח את ידו על אחד הסדינים שנאפים בשמש. זה הרגיש קר.
"זה היה מיד די מרגש", מרשה רמאן. למעשה, החומר היה קריר יותר ב-9 מעלות צלזיוס מטמפרטורת האוויר הסביבתית, שהייתה הרבה מעל 80 מעלות צלזיוס, תוצאה שפרסם לאחר מכן ב- טֶבַע.
בערך באותה תקופה, חברים משותפים חיברו אותו עם אלי גולדשטיין, שהיה בסטנפורד וסיים דוקטורט בהנדסת מכונות. הגברים בילו את השנתיים הבאות במתן השכלה מעשית במיזוג אוויר וקירור, ושוחחו עם יצרנים וגם עם לקוחותיהם. בשנת 2016, השניים הקימו את SkyCool Systems - שמה הוא קרינה לקירור שמי הלילה, כינוי נוסף לתופעת הפיזיקה - ויצאו למסחר את הטכנולוגיה שלהם.
בטיול למומבאיכדי לבקר את סבתו, ראמאן הבחין עד כמה הסרט החדש עשוי להיות משפיע. ליותר בתים ממה שהוא זכר מילדות הותקנו יחידות AC בחלונות.
בעוד שרק ל-15% מאוכלוסיית העולם - בעיקר בארה"ב, יפן, קוריאה וסין - יש מיזוג אוויר, השימוש בו הולך ומתרחב. על פי תחזיות 2015, המכירות במדינות כמו ברזיל ואינדונזיה גדלות ביותר מ-15 אחוז מדי שנה, אם כי לפי ההערכות, הודו היא הסקטור הצומח ביותר: כשראמאן בחן את הסרט שלו, התושבים היו בבעלותם יותר מ-20 מיליון אוויר מזגנים; עד 2020 זה היה 48 מיליון. סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA), קבוצה שבסיסה בפריז שממליצה המלצות מדיניות לאומיים ממשלות על פתרונות אנרגיה בת קיימא, פרויקטים שההודים יקבלו בבעלותם יותר ממיליארד יחידות 2050. זהו ניצחון לבריאות הציבור - בשנת 2015, יותר מ-2,300 אנשים במדינה מתו בגל חום משתק - אבל מבשר על השלכות האקלים.
תאר לעצמך שבמקום לקנות מזגן בבית קטן בהודו או באפריקה, אתה יכול פשוט לשים את זה על הגג.
-אלי גולדשטיין
בינתיים, היסודות של טכנולוגיית הקירור זהים בערך לאלו כאשר יחידת המיזוג החשמלית הראשונה תוכננה בשנת 1902. מערכות AC שואבות נוזל קירור - התרכובת הכימית שמניעה חום ובתורה גורמת לקירור - דרך מערכת מכנית המאלצת אותו לעבור מספר שינויי פאזה. נוזל הקירור עובר בתוך הבית דרך סליל כנוזל, שם הוא הופך לאדים כשהוא סופג חום. הוא יוצא מהבניין ונכנס למעבה, שבו נוזל הקירור נדחס ומוציא חום החוצה כשהוא הופך מאדי חזרה לנוזל. תהליך זה חוזר על עצמו עד שהחלק הפנימי נמצא בטמפרטורה שנקבעה על ידי התרמוסטט.
הדלקים המאובנים שמניעים את הכוריאוגרפיה הזו והכימיקלים הנדרשים, לעומת זאת, תורמים עיקריים להתחממות הגלובלית. בשנת 2016, ה-DOE דיווח כי מערכות AC נייחות היוו כמעט 700 מיליון טון מטרי של פליטת גזי חממה ברחבי העולם מדי שנה. הזיהום נובע מהבעירה להפקת הכוח שמפעיל את היחידות ומהידרופלואורו-פחמנים המשמשים כחומרי קירור, אשר נוטים לברוח במהלך תיקונים או פרישה. ההשפעה שלהם "גבוהה פי כמה אלפי מזו של פחמן דו חמצני", סיכם הדו"ח.
[קָשׁוּר: איך להישאר קריר אם אתה מאבד את הכוח בגל חום.]
במילים רחבות, העולם פשוט מתחיל להשתמש ביותר מדי מיזוג אוויר מהר מדי - ובכל זאת הוא חייב, כשהטמפרטורות עולות. זה מוביל, כפי שניסחה זאת ה-IEA ב-2018, ל"משבר קר" הממשמש ובא. עד אמצע המאה, המיץ הנדרש להפעלת ACs יהפוך אחד מהמניעים המובילים של הביקוש לחשמל ברחבי העולם, עוזר לדחוף את כדור הארץ אל מעבר לנקודה של אקולוגית בלתי הפיכה נֵזֶק. ואכן, הצורך הגובר שלנו להוריד את הטמפרטורות הפנימיות מאיץ אותנו לעבר סף ההתחממות של 1.5 מעלות צלזיוס שנקבע בשנת 2018 על ידי הפאנל הבין-ממשלתי של האו"ם לשינויי אקלים.
"הטמפרטורות מתחממות יותר, וזה מטבעו אומר שהמזגנים ומערכות הקירור הופכות פחות יעילות", אומר גולדשטיין של SkyCool.
בסופו של דבר, הוא ורמאן הבינו שלפאנלים שלהם יכולה להיות השפעה גדולה יותר על צריכת האנרגיה אם הם יתגברו מערכות בקרת אקלים קיימות. בסביבות 2016, הקבוצה ניהלה ניסוי נוסף בסטנפורד; הפעם, הוא הקים אסדה עם צינורות מים דקים העוברים ישירות מתחת. במשך שלושה ימים, קירור קרינתי הוריד את טמפרטורת המים ב-9 מעלות צלזיוס. זה לא יהיה קשה לחבר את הצינורות למעבה של AC קונבנציונלי או קירור התקנה, שבה המים המצוננים יעזרו לצנן את הקירור, ולהפחית את האנרגיה הכוללת לִטעוֹן. אחד הדגמים שלהם גם הראה ששילוב הטכניקה בבניין משרדים בן שתי קומות בלאס וגאס יוריד את הביקוש לחשמל ב-21 אחוז במהלך הקיץ.
רמן וגולדשטיין החליטו להשיק את העסק עם מיקומים שמשתמשים במערכות קירור, שכן - בניגוד ל-AC - אלו צריכות לפעול כל שעה בכל יום. ההערכות שלהם הצביעו על כך שהחיסכון בחשמל עבור תשתית קירור הפועלת ללא הרף גדול מ-500 קילוואט-שעה בשנה למ"ר של סרט SkyCool. מ-2017 עד 2019, החברה רשמה כמה לקוחות בקליפורניה המעוניינים לנסות כל דבר שעשוי להוזיל את החשבונות שלהם: חנות נוחות, מרכז נתונים וחנות מכולת. 32 השמשות בראש השוק משתרעות על פני 62 מטרים רבועים; נתונים שנאספו עד כה מראים שהחנות משתמשת ב-100 קילוואט-שעה פחות ביום, או 36,500 פחות קילוואט-שעה מדי שנה.
עם זאת, יש גבול ליעילות הכוללת של קירור קרינתי. האקלים הטוב ביותר שבו ניתן לפרוס את הטכנולוגיה הם יבשים יחסית עם שמיים בהירים: קליפורניה, אריזונה, נבדה וכדומה. כיסוי עננים ולחות גבוהה מפחיתים את ההשפעה במהלך היום, שכן מולקולות המים באוויר לוכדות חלק מהאינפרא אדום הנפלט.
SkyCool מנהלת דיונים עם מערכת אוניברסיטת קליפורניה כדי להשתמש בטכנולוגיה שלה כדי לצנן מים שיועברו דרך תקרות שלוש כיתות ב-Cal Maritime. (גולדשטיין מקווה שהפרויקט יושק ב-2022.) אבל באקלים יבש, זה עשוי להספיק להשתמש בלוחות לבד. "תאר לעצמך במקום לקנות מזגן בבית קטן בהודו או באפריקה, אתה יכול פשוט לשים את זה על הגג", אומר גולדשטיין.
בגלל ההבטחהשל קירור קרינתי, סטארטאפים אחרים מיהרו להיכנס לתחום. מהנדסים מאוניברסיטת קולורדו, בולדר ואוניברסיטת וויומינג חברו יחד כדי ליצור חומר דמוי סרט משלהם ב-2017. מהנדסים מאוניברסיטת באפלו פרסמו בפברואר 2021 מחקר על גרסה משלהם: שתי מראות המורכבות מ-10 שכבות דקות של כסף וסיליקון דו חמצני. כעת הם מנסים להביא אותו לשוק באמצעות החברה שלהם, Sunny Clean Water.
השאלה הגדולה היא מה הסיכוי שאנשים יישמו מוצר חדש לגמרי. "הטכנולוגיה הגיונית", אומר ג'רמי מנדיי, פרופסור באוניברסיטת קליפורניה, דייויס, שחוקר חידושים באנרגיה נקייה. "זה באמת מסתכם בדברים כמו השוק, העלות, ואז יש רק את המוטיבציה לאמץ את זה."
רמן וגולדשטיין לא חושפים את התמחור שלהם, אבל הם מודים שהאתגרים העתידיים של SkyCool יהיו בצד הייצור - לא המדעי - של הדברים. מחקר משנת 2015 של המעבדה הלאומית של צפון-מערב פסיפיק, חלק מה-DOE, העריך שאם חומרים על הגג כמו ניתן לבנות ולהתקין את SkyCool's בפחות מ-6.25 דולר למ"ר, העלויות יכוסו על ידי חיסכון באנרגיה מעל חמש שנים.
השניים חושבים שהם יכולים להגיע למחיר שווה תוך שלוש שנים, בין השאר בגלל שהם חידדו עוד יותר את הסרט שהם בדקו במקור בסטנפורד. כיום, האיפור המדויק הוא קנייני, למרות שהוא עדיין מכיל תערובת של פולימרים וחומרים אנאורגניים. "מצאנו דרכים לעשות זאת בעלות נמוכה יותר ומתאימות יותר לייצור", אומר רמאן.
[קָשׁוּר: צבע זה מחזיר עד 98.1 אחוז מאור השמש.]
בעזרת מענק אנרגיה פדרלי של 3.5 מיליון דולר, SkyCool מקווה בקרוב לקבל סוג של קשרים שיכולים להפוך את הסרט שלה לחסכוני. הסטארט-אפ משתף פעולה עם חברת 3M כדי לתכנן אמצעי סביר ליצירת מאות אלפי סרטים שלו. המטרה היא להוריד את המחיר מספיק עד 2023 כדי שלקוחות עם צורכי קירור מתמשכים יוכלו להחזיר את עלויות ההתקנה תוך שלוש עד חמש שנים.
בנוסף לאתגרים הללו, חוקרים אחרים אומרים שהם יכולים להגיע לאותה תוצאה עם צבע. הגרסה הלבנה שנוסתה לפני עשרות שנים לא שיקפה מספיק קרניים כדי ליצור אפקט קירור. עם זאת, בשנת 2020, מהנדסי אוניברסיטת Purdue יצרו מגוון אולטרה-לבן שעובד כמו החומר דמוי המראה של SkyCool. לדברי Xiulin Ruan, פרופסור להנדסת מכונות המעורבת בפיתוחו, המוצר משקף 98.1 אחוזים אור שמש ומקרין אינפרא אדום באורך הגל הנכון כדי לברוח לחלל - מקרר מבנים בצהריים עד 8 מעלות פרנהייט מתחת לסביבה טֶמפֶּרָטוּרָה.
רואן מודה שהצבע הוא יותר אמצעי משלים. "עדיין צריך להפעיל מזגנים, אבל זה יכול לקזז הרבה מהחום מהשמש ולהפחית את הביקוש", הוא אומר. במובן זה, חסר לו מרכיב אחד של SkyCool: היכולת להתחבר למערכות קיימות ולהגביר את הביצועים שלהן. ובכל זאת, צבעים משכו את עינו של ראמאן. בשנה שעברה הוא שותף לפרסום מאמר בכתב העת ג'אוּל דנים באפשרות לשנות צבעי מדף כך שגם הם יבצעו קירור קרינתי.
אם אחת מהשיטות הללו תופסת, אף אחד לא נראה מודאג יותר מדי לגבי שליחת חום לגבול הסופי. "אם כל האנרגיה הזו הייתה נפלטת חזרה לחלל, לא היו לה השפעות מורגשות בשום מקום בכלל", אומר אטקינסון, פקיד ה-DOE לשעבר שתמך במחקר המוקדם של ראמאן.
לעת עתה, SkyCool מנסה לזכות בעסקים נוספים. בקרוב היא מתכננת לפרוס את הפאנלים שלה בבנייני משרדים כדי להגדיל את AC מסחרי. בחודש מרץ, קמעונאי קופסאות גדולות בדרום קליפורניה הפך ללקוח האחרון. על הגג, חמש שורות מלאות של הסרטים חסרי הקמטים, דמויי המראה, יושבות בין שני עמודים של פאנלים סולאריים - שילוב הולם, בהתחשב בתחומי העניין הקודמים של ראמאן. עכשיו הוא רוצה לחתוך אנרגיה, לא לייצר אותה.
"כל מה שאתה צריך לעשות," הוא אומר, "זה לשים את החומר בחוץ, והוא נשאר קריר."
תיקון: 21 ביולי 2021. גרסה קודמת של הסיפור הזה ציינה באופן שגוי את שינוי הטמפרטורה בבדיקות מוקדמות של הקרינה קירור סרט כמו 40 מעלות פרנהייט, וקבע תאריך סיום על מערכת היחסים של SkyCool עם 3M כאשר שיתוף הפעולה ביניהם מתמשך.
הסיפור הזה רץ במקור בגיליון חום קיץ 2021 של PopSci. קרא עוד PopSci+ סיפורים.
