מערכות קירור הן חרב פיפיות. מזגנים ומקררים לסוגיהם צורכים כרבע מכמות האנרגיה הגלובלית, ובמקביל גם פולטים 7% מסך גזי החממה בעולם. בעתיד זה יחמיר אף יותר – כי צורכי האנרגיה לקירור יגדלו פי 6 עד שנת 2050.

מערכות קירור הן חרב פיפיות. מזגנים ומקררים צורכים כרבע מכמות האנרגיה הגלובלית, ובמקביל פולטים 7% מגזי החממה בעולם. בעתיד זה יחמיר – כי צורכי האנרגיה לקירור יגדלו פי 6 עד שנת 2050

הירשמו עכשיו לניוזלטר היומי

כך אנו למעשה נמצאים בלולאה אינסופית – החום מאלץ אותנו להשתמש ביותר מערכות קירור, שבתורן גורמות לטמפרטורות להמשיך לעלות. במקרה הגרוע ביותר, עד שנת 2100 יידרשו יותר מ-10 טריליון קילוואט-שעה של חשמל בכל שנה, רק כדי להפעיל מערכות קירור בכדור הארץ. זו מחצית מאספקת החשמל הנוכחית בימינו.

למרבה המזל, הכורח והצורך הם אבי ההמצאה. פיזיקאי בשם אסוואט רמאן (Aaswath Raman) מצא שיטה שתוכל לשפר את יעילותה של כל מערכת קירור ב-10 עד 20 אחוזים. שיפור שכזה יצמצם את ההשפעה על ההתחממות הגלובלית, ויהפוך על פניה את לולאת המשוב הקיימת כיום.

לייצר קרח במדבר

הכול מתחיל משאלה פשוטה ששאל רמאן – איך תרבויות מסוימות הצליחו ליצור קרח במדבר? זו אינה שאלה תיאורטית, אלא אמיתית ומעשית לחלוטין. בדרום מערב איראן, בסין ובחלקים נוספים במזרח התיכון – יש מבנים בצורת קונוס מחודד שנקראים יאחצ'ל ("בור קרח" בפרסית).

למרות שהתרבויות הללו התקיימו לפני 2,400 שנה, הן הצליחו להקפיא מים באמצע המדבר. הן עשו זאת באמצעות בריכות אבן שטוחות, שאליהן נשפכו מים לאחר שקיעת השמש. למרות שגם בשעות הערב טמפרטורת האוויר הייתה מעל נקודת הקפיאה (נגיד 5 מעלות), המים בבריכות קפאו במהלך הלילה. לאחר מכן הועבר הקרח לאחסון בבתי הקרח המחודדים, לשימוש במשך חודשי הקיץ.

הפיזיקאי אסוואט רמאן מצא שיטה לשיפור יעילות כל מערכת קירור ב-10 עד 20 אחוזים. שיפור שכזה יצמצם את ההשפעה על ההתחממות הגלובלית, ויהפוך על פניה את לולאת המשוב הקיימת כיום

תופעה דומה מתרחשת כשנוצרת שכבת קרח או כפור על פני הקרקע בלילות בהירים ללא עננים. גם פה טמפרטורת האוויר היא מעל נקודת הקיפאון, ולכן נחשוב שאולי התאדות המים גורמת לקפיאה. אין ספק שהתאדות ממלאת תפקיד כלשהו בתהליך, אבל לא מספיק כדי להפוך את המים לקרח. משהו אחר קורה שם.

כדי שמשהו יתקרר, החום שלו צריך לברוח למקום אחר, קר יותר. זה קורה באמצעות תופעה טבעית ומוכרת שנקראת קירור באמצעות קרינה. בדיוק כמו כל גוף חם אחר (עצמים דוממים, צמחים, חיות ובני אדם) המים פולטים החוצה את חומם באמצעות קרינה תרמית אינפרה אדומה, שבורחת החוצה אל השמיים.

חלק מהקרינה ייספג באטמוספרה וחלק יוחזר בחזרה אל האדמה, אבל חלק נוסף יברח החוצה אל האטמוספרה העליונה וגם לחלל (באורכי גל של 8 עד 13 מיקרון). זה בהחלט טריק נחמד מאוד של הטבע, אבל הוא מתרחש באופן טבעי רק בשעות הלילה. בשעות היום, השמש מחממת אותנו ומבטלת כל אפשרות לאפקט הקירור הזה.

כדי שתופעת הקירור הזו תוכל להתקיים גם בשעות היום שטופות השמש, ד"ר רמאן פיתח סוג מיוחד של חומר ננו-פוטוני שמורכב ממספר חומרים הנערמים אחד על השני (SiO2, HfO2, SiO2, Ag, Ti, Si). יחד הם יוצרים שכבה בעובי של 1.8 מיקרון – דקה פי 40 מעובי של שערה אנושית.

החומר המיוחד הזה עושה שתי פעולות במקביל:

1. הוא פולט את החום שלו בדיוק בטווח שבו הקרינה יכולה לברוח החוצה לחלל.
2. הוא לא מתחמם בשמש, מכיוון שהוא למעשה סוג של ראי ביעילות גבוהה.

בתופעה הטבעית – קירור באמצעות קרינה, כמו בכל גוף חם (עצמים דוממים, צמחים, חיות ובני אדם) המים פולטים החוצה את חומם באמצעות קרינה תרמית אינפרה אדומה, שבורחת החוצה אל השמיים

חומר מסוג כזה וחומרים דומים לו יתקררו יותר ככל שנוציא אותם אל השמש. בניסוי הראשון המכשיר הצליח להישאר בטמפרטורה נמוכה ב-5 מעלות בהשוואה לטמפרטורת האוויר סביבו, למרות שהשמש הקרינה עליו ישירות.

אנרגיה חופשית מהחלל

עכשיו, כשהיה ברור שיש מכשיר שמסוגל לשמור על קור בלי גזי חממה גם מול השמש, שאל את עצמו ד"ר רמאן איך יהיה אפשר לחסוך אנרגיה באותה שיטה. כדי לעשות זאת, החומר החדשני ישמש כמגביר יעילות וחיסכון אנרגטי במזגנים ומערכות קירור.

בניסויים נוספים שפיתחו את החומר מעבר לשימושו הראשוני, הצליח ד"ר רמאן לייעל מערכות קירור עד 12 אחוז (ועל הדרך גם להקים חברה בשם SkyCool Systems ב-2016). לא רק שהשיטה משפרת את יעילותן של מערכות קירור, אלא שהיא צפויה גם לקרר בניינים שלמים – ולחסוך להם שני שליש מצריכת האנרגיה הנוכחית. שדרוגים נוספים של המערכת יאפשרו לשמור על טמפרטורה נמוכה ב-42 מעלות לעומת טמפרטורת האוויר.

אבל בתור פיזיקאי שיש לו תשוקה אמיתית לעבודתו, רמאן רוצה לשפר את יעילותו של כל תהליך אנרגטי המתקיים בכדה"א. לדוגמה, כבר ב-2015 הוא הוכיח שיישום חדש של החומר הייחודי יכול להגן על תאים סולריים מהתחממות שפוגעת ביעילותם. כמו כן הוא בוחן האם הקור שבחלל יכול לסייע בשימור מים או ביצירת מקורות אנרגיה עצמאיים, שאינם מחוברים לרשת חשמל ארצית.

האם אפשר גם לייצר אנרגיה באמצעות הקור בחלל? יש הפרש טמפרטורה ענק בין כדור הארץ (20 מעלות) ובין החלל (עד מינוס 270 מעלות). תיאורטית, הפרש הטמפרטורות הזה יכול ליצור מנוע מבוסס חום שמייצר חשמל. והכול היישר מאימא טבע, בלי פליטות מזהמות ועם חיסכון משמעותי בצריכה אנרגטית.

ד"ר רמאן ממשיך ושואל: האם נוכל לייצר חשמל גם בשעות הלילה, כאשר אין אפשרות ליצור אנרגיה סולרית? האם נוכל יום אחד ליצור אור מתוך החושך? וכן הלאה.

יש הפרש טמפרטורה ענק בין כדוה"א (20 מעלות) ובין החלל (עד מינוס 270 מעלות). תיאורטית, הפרש זה יכול ליצור מנוע מבוסס חום שמייצר חשמל, בלי פליטות מזהמות ועם חיסכון משמעותי בצריכה אנרגטית

לא משנה לאילו ניסים ונפלאות נגיע בסופו של דבר. מה שחשוב הוא שמדענים, מהנדסים, רופאים ופיזיקאים כמו ד"ר רמאן ימשיכו לחשוב איך לשפר את איכות חיינו בכל מובן אפשרי.

הרצאת TED של ד"ר רמאן:

עמית אדלר הוא איש דיגיטל, גרפומן בלתי נלאה, בעל תואר שני בפילוסופיה והיסטוריה של המדע