يعمل نظام التبريد السلبي المبتكر من MIT بدون كهرباء
الاعتماد على التبخر والإشعاع – ولكن ليس الكهرباء – يمكن لنظام التبريد السلبي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن يحافظ على الطعام طازجًا لفترة أطول أو يكمل تكييف الهواء في المباني.
من المتوقع أن يزداد استخدام أنظمة تكييف الهواء المتعطشة للطاقة بشكل كبير مع ازدياد دفء العالم، مما يشكل ضغطًا على شبكات الطاقة الحالية وتجاوز العديد من المواقع مع القليل من الطاقة الكهربائية الموثوقة أو انعدامها.
الآن، يوفر نظام مبتكر تم تطويره في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) طريقة لاستخدام التبريد السلبي للحفاظ على المحاصيل الغذائية وتكملة مكيفات الهواء التقليدية في المباني.
ليس هناك حاجة إلى الطاقة ومجرد حاجة صغيرة للمياه.
يجمع النظام بين التبريد الإشعاعي والتبريد بالتبخير والعزل الحراري في حزمة رفيعة يمكن أن تشبه الألواح الشمسية الموجودة.
يمكن أن توفر ما يصل إلى 19 درجة فهرنهايت (9.3 درجة مئوية) من التبريد من درجة الحرارة المحيطة.
هذا يكفي للسماح بتخزين الطعام بشكل آمن لمدة أطول بحوالي 40 في المائة في ظل ظروف شديدة الرطوبة. في ظل ظروف التجفيف، يمكن أن يضاعف وقت التخزين الآمن ثلاث مرات.
تم الإبلاغ عن النتائج 20 في مجلة Cell Reports Physical Science في سبتمبر، في ورقة كتبها MIT postdoc Zhengmao Lu و Arny Leroy PhD ’21 والأساتذة جيفري جروسمان وإيفلين وانج واثنين آخرين.
على الرغم من الحاجة إلى مزيد من البحث من أجل خفض تكلفة أحد المكونات الرئيسية للنظام، يقول المطورون إنه في النهاية، يمكن أن يلعب مثل هذا النظام دورًا مهمًا في تلبية احتياجات التبريد في أجزاء كثيرة من العالم حيث يوجد نقص في الكهرباء أو الماء يحد من استخدام أنظمة التبريد التقليدية.
من خلال الجمع بذكاء بين تصميمات التبريد المستقلة السابقة التي توفر كل منها كميات محدودة من طاقة التبريد، يكون النظام قادرًا على إنتاج قدر أكبر من التبريد بشكل عام.
يكفي للمساعدة في تقليل فقد الغذاء من التلف في أجزاء من العالم التي تعاني بالفعل من محدودية الإمدادات الغذائية.
تقديراً لهذه الإمكانات، تلقى فريق الباحثين دعماً جزئياً من مختبر عبد اللطيف جميل لأنظمة المياه والغذاء التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
يقول لو: “تجمع هذه التقنية بين بعض الميزات الجيدة للتقنيات السابقة مثل التبريد بالتبخير والتبريد الإشعاعي”.
باستخدام هذا المزيج، كما يقول، “نظهر أنه يمكنك تحقيق إطالة عمر غذائي كبير، حتى في المناطق التي يكون لديك فيها رطوبة عالية”، مما يحد من إمكانات أنظمة التبريد التبخيري أو الإشعاعي التقليدية.
سيكون مفيدًا أيضًا في الأماكن التي يوجد بها أنظمة تكييف هواء موجودة في المباني. هناك، يمكن استخدام النظام الجديد لتقليل الحمل على هذه الأنظمة بشكل كبير عن طريق إرسال الماء البارد إلى الجزء الأكثر سخونة من النظام، وهو المكثف.
يقول لو: “من خلال خفض درجة حرارة المكثف، يمكنك زيادة كفاءة مكيف الهواء بشكل فعال، وبهذه الطريقة يمكنك توفير الطاقة”.
على الرغم من أنه يقول إن مجموعات أخرى كانت تسعى أيضًا إلى اتباع تقنيات التبريد السلبي، “من خلال الجمع بين هذه الميزات بطريقة تآزرية ، يمكننا الآن تحقيق أداء تبريد عالي، حتى في المناطق عالية الرطوبة حيث لا يمكن للتقنية السابقة عمومًا أن تعمل بشكل جيد.”
يتكون النظام من ثلاث طبقات من المواد، والتي توفر مجتمعة التبريد مع مرور الماء والحرارة عبر الجهاز.
من الناحية العملية، يمكن للجهاز أن يشبه الألواح الشمسية التقليدية، ولكن بدلاً من توليد الكهرباء، فإنه سيوفر التبريد بشكل مباشر.
على سبيل المثال، يمكن أن يكون بمثابة سقف لحاوية تخزين الطعام، مما يحافظ على برودة المحتوى.
تطبيق عملي آخر هو استخدامه لإرسال المياه المبردة عبر الأنابيب لتبريد أجزاء من نظام تكييف الهواء الحالي وتحسين كفاءته.
الصيانة ضئيلة؛ كل ما هو مطلوب هو إضافة الماء للتبخر. علاوة على ذلك، فإن استهلاك المياه منخفض للغاية لدرجة أن هذا لن يلزم القيام به إلا مرة واحدة كل أربعة أيام في المناطق الأكثر حرارة وجفافًا، ومرة واحدة فقط في الشهر في المناطق الأكثر رطوبة.
يستخدم Airgel للطبقة العليا. تتكون هذه المادة في الغالب من هواء محاط بتجاويف هيكل يشبه الإسفنج مصنوع من البولي إيثيلين.
على الرغم من كونها عازلة للغاية، إلا أنها تسمح بمرور بخار الماء والأشعة تحت الحمراء بحرية. يوفر تبخر الماء (الصاعد من الطبقة السفلية) بعضًا من طاقة التبريد، في حين أن الأشعة تحت الحمراء، التي تستفيد من الشفافية الشديدة للغلاف الجوي للأرض عند تلك الأطوال الموجية، تشع بعض الحرارة مباشرة عبر الهواء وفي الفضاء – على عكس مكيفات الهواء، التي تنفث الهواء الساخن في البيئة المحيطة المباشرة.
يستخدم الهيدروجيل للطبقة التالية أسفل الهلام الهوائي. إنها مادة أخرى تشبه الإسفنج، ولكنها مادة تمتلئ مسامها بالماء بدلاً من الهواء.
إنه مشابه للمواد المستخدمة حاليًا تجاريًا لمنتجات مثل وسادات التبريد أو ضمادات الجروح. يوفر هذا مصدرًا للمياه للتبريد بالتبخير، حيث يتشكل بخار الماء على سطحه ويمر البخار لأعلى مباشرة عبر طبقة الهواء الهوائي ويخرج إلى البيئة.
أسفل الهيدروجيل ، تعكس طبقة تشبه المرآة أي ضوء شمس وارد وصل إليها، وترسله مرة أخرى عبر الجهاز بدلاً من تركه يسخن المواد وبالتالي يقلل من حملها الحراري.
والطبقة العلوية من الهلام الهوائي، كونها عازلًا جيدًا، عاكسة جدًا للشمس، مما يحد من كمية التسخين الشمسي للجهاز، حتى تحت أشعة الشمس المباشرة القوية.
يشرح لو قائلاً: “إن الحداثة هنا هي في الحقيقة مجرد الجمع بين ميزة التبريد الإشعاعي وخاصية التبريد التبخيري وأيضًا ميزة العزل الحراري معًا في بنية واحدة”.
تم اختبار النظام، باستخدام نسخة صغيرة، بعرض 4 بوصات فقط، على سطح مبنى في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، مما يثبت فعاليته حتى أثناء الظروف الجوية دون المستوى الأمثل، كما يقول لو، وتحقيق 9.3 درجة مئوية من التبريد (18.7 درجة فهرنهايت).
يقول لو: “كان التحدي في السابق هو أن المواد التبخرية غالبًا لا تتعامل مع امتصاص الطاقة الشمسية بشكل جيد”.
“مع هذه المواد الأخرى، عادة عندما تكون تحت الشمس، يتم تسخينها، لذلك لا يمكنهم الحصول على طاقة تبريد عالية في درجة الحرارة المحيطة.”
تعتبر خصائص مادة الهلام الهوائي مفتاحًا للكفاءة الإجمالية للنظام، ولكن إنتاج هذه المواد في الوقت الحالي باهظ التكلفة، حيث تتطلب معدات خاصة لتجفيف النقطة الحرجة (CPD) لإزالة المذيبات ببطء من البنية المسامية الدقيقة دون إتلافها.
السمة الرئيسية التي يجب التحكم فيها لتوفير الخصائص المرغوبة هي حجم المسام الموجودة في الهوائي، والتي يتم تصنيعها عن طريق خلط مادة البولي إيثيلين بالمذيبات، مما يسمح لها بالثبات مثل وعاء من الجل- O، ثم الحصول على المذيبات منه.
يستكشف فريق البحث حاليًا طرقًا لجعل عملية التجفيف هذه أقل تكلفة، مثل استخدام التجفيف بالتجميد، أو إيجاد مواد بديلة يمكن أن توفر نفس وظيفة العزل بتكلفة أقل، مثل الأغشية التي تفصلها فجوة هوائية.
في حين أن المواد الأخرى المستخدمة في النظام متاحة بسهولة وغير مكلفة نسبيًا، يقول لو، “إن الهلام الهوائي هو المادة الوحيدة التي هي منتج من المختبر يتطلب مزيدًا من التطوير من حيث الإنتاج الضخم.”
ويقول إنه من المستحيل التنبؤ بالوقت الذي قد يستغرقه هذا التطوير قبل أن يصبح هذا النظام عمليًا للاستخدام على نطاق واسع.
يقول Xiulin Ruan ، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة Purdue ، والذي لم يكن مرتبطًا بهذا البحث: “يمثل هذا العمل نهجًا جديدًا ومثيرًا للاهتمام لتكامل الأنظمة لتقنيات التبريد السلبي”.
يضيف روان: “من خلال الجمع بين التبريد التبخيري والتبريد الإشعاعي والعزل، فإنه يتمتع بأداء تبريد أفضل ويمكن أن يكون فعالًا في نطاق أوسع من المناخات من التبريد التبخيري أو التبريد الإشعاعي وحده.
يمكن أن يجذب العمل تطبيقات عملية كبيرة، مثل حفظ الطعام، إذا كان من الممكن صنع النظام بتكلفة معقولة “.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
