التوفير الذكي للطاقة: مواد البناء الشبيهة بالحرباء تغير لون الأشعة تحت الحمراء
ابتكرت مجموعة Hsu نماذج لكيفية خفض موادها من تكاليف الطاقة في المباني النموذجية في 15 مدينة أمريكية مختلفة، ووجدت أن المواد، في المتوسط ، ستستخدم أقل من 0.2٪ من إجمالي الكهرباء للمبنى، ولكنها يمكن أن توفر 8.4٪ من المبنى السنوي.
استهلاك طاقة التكييف. الائتمان: جامعة شيكاغو PME – الصورة مجاملة من مجموعة Hsu
لمواجهة التحدي المتمثل في توفير الطاقة في مواجهة الظواهر المناخية القاسية المتكررة بشكل متزايد والطقس المتغير، صمم باحثو Pritzker Molecular Engineering مادة بناء يمكنها تغيير مقدار الحرارة التي تمتصها أو تنبعث منها بناءً على درجة الحرارة الخارجية.
صمم باحثون في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية (PME) بجامعة شيكاغو مادة بناء تشبه الحرباء تغير لون الأشعة تحت الحمراء – ومقدار الحرارة التي تمتصها أو تنبعث منها – بناءً على درجة الحرارة الخارجية.
في الأيام الحارة، يمكن أن تنبعث المادة ما يصل إلى 92 بالمائة من حرارة الأشعة تحت الحمراء التي تحتوي عليها، مما يساعد على تبريد الجزء الداخلي من المبنى. ومع ذلك، في الأيام الباردة، تنبعث المادة 7 في المائة فقط من الأشعة تحت الحمراء، مما يساعد على إبقاء المبنى دافئًا.
“لقد توصلنا بشكل أساسي إلى طريقة منخفضة الطاقة للتعامل مع المبنى مثل الأشخاص؛ يمكنك إضافة طبقة عندما تكون باردًا وتخلع طبقة عندما تكون ساخنًا، “قال Asst.
البروفيسور بو تشون هسو ، الذي قاد البحث المنشور في Nature Sustainability . “هذا النوع من المواد الذكية يتيح لنا الحفاظ على درجة الحرارة في المبنى بدون كميات هائلة من الطاقة.”
مدفوعة بتغير المناخ
وفقًا لبعض التقديرات، تمثل المباني 30 في المائة من استهلاك الطاقة العالمي وتنبعث منها 10 في المائة من جميع غازات الدفيئة العالمية. يُعزى حوالي نصف بصمة الطاقة هذه إلى تدفئة وتبريد المساحات الداخلية.
قال هسو: “لفترة طويلة، اعتبر معظمنا التحكم في درجة الحرارة الداخلية أمرًا مفروغًا منه، دون التفكير في مقدار الطاقة التي يتطلبها”.
“إذا أردنا مستقبلًا خالٍ من الكربون، أعتقد أنه يتعين علينا التفكير في طرق متنوعة للتحكم في درجة حرارة المبنى بطريقة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.”
طور الباحثون سابقًا مواد تبريد إشعاعية تساعد في الحفاظ على برودة المباني من خلال تعزيز قدرتها على إصدار الأشعة تحت الحمراء، وهي الحرارة غير المرئية التي تشع من الأشخاص والأشياء.
توجد أيضًا مواد تمنع انبعاث الأشعة تحت الحمراء في المناخات الباردة.
تحتوي المادة على طبقة يمكن أن تأخذ شكلين: النحاس الصلب الذي يحتفظ بمعظم حرارة الأشعة تحت الحمراء، مما يساعد على إبقاء المبنى دافئًا؛ أو محلول مائي ينبعث منه الأشعة تحت الحمراء، والذي يمكن أن يساعد في تبريد المبنى.
الائتمان: جامعة شيكاغو PME – الصورة مجاملة من مجموعة Hsu
قال Chenxi Sui ، طالب الدراسات العليا في PME، وهو المؤلف الأول للمخطوطة الجديدة: “هناك طريقة بسيطة للتفكير في الأمر، وهي أنه إذا كان لديك مبنى أسود بالكامل يواجه الشمس، فسوف يسخن بسهولة أكثر من المباني الأخرى”.
قد يكون هذا النوع من التسخين السلبي شيئًا جيدًا في الشتاء، لكن ليس في الصيف.
نظرًا لأن الاحترار العالمي يتسبب في حدوث أحداث مناخية متطرفة متكررة بشكل متزايد وطقس متغير، فهناك حاجة إلى أن تكون المباني قادرة على التكيف؛ تتطلب بعض المناخات تدفئة على مدار العام أو تكييف هواء على مدار العام.
من المعدن إلى السائل والعكس
صمم Hsu وزملاؤه مادة بناء “كهرو كرومية” غير قابلة للاشتعال تحتوي على طبقة يمكن أن تتخذ شكلين: النحاس الصلب الذي يحتفظ بمعظم حرارة الأشعة تحت الحمراء، أو محلول مائي ينبعث منه الأشعة تحت الحمراء.
في أي درجة حرارة تشغيل مختارة، يمكن للجهاز استخدام كمية ضئيلة من الكهرباء للحث على التحول الكيميائي بين الحالات إما عن طريق ترسيب النحاس في غشاء رقيق، أو تجريد هذا النحاس.
في الورقة الجديدة، شرح الباحثون بالتفصيل كيف يمكن للجهاز التبديل بسرعة وعكس بين حالة المعدن والسائل. لقد أظهروا أن القدرة على التبديل بين الشكلين ظلت فعالة حتى بعد 1800 دورة.
بعد ذلك، ابتكر الفريق نماذج لكيفية خفض موادهم لتكاليف الطاقة في مبانٍ نموذجية في 15 مدينة أمريكية مختلفة.
في مبنى تجاري متوسط ، أفادوا أن الكهرباء المستخدمة للحث على التغييرات الكهربية في المادة ستكون أقل من 0.2 ٪ من إجمالي استخدام الكهرباء للمبنى، ولكن يمكن أن توفر 8.4 ٪ من استهلاك الطاقة السنوي للمبنى HVAC.
قال هسو: “بمجرد التبديل بين الولايات، لن تحتاج إلى استخدام المزيد من الطاقة للبقاء في أي من الحالتين”.
“لذلك بالنسبة للمباني التي لا تحتاج فيها إلى التبديل بين هذه الحالات بشكل متكرر، فهي في الحقيقة تستخدم قدرًا ضئيلًا للغاية من الكهرباء.”
زيادة
حتى الآن، ابتكرت مجموعة هسو فقط قطعًا من المادة يبلغ قطرها حوالي ست سنتيمترات. ومع ذلك، فإنهم يتخيلون أن العديد من هذه البقع من المادة يمكن تجميعها مثل الألواح النطاقية في صفائح أكبر.
يقولون إن المادة يمكن أيضًا تعديلها لاستخدام ألوان مخصصة مختلفة – المرحلة المائية شفافة ويمكن وضع أي لون تقريبًا خلفها دون التأثير على قدرتها على امتصاص الأشعة تحت الحمراء.
يدرس الباحثون الآن طرقًا مختلفة لتصنيع المادة. كما يخططون أيضًا لاستكشاف كيف يمكن أن تكون الحالات الوسيطة للمادة مفيدة.
قال هسو: “لقد أثبتنا أن التحكم الإشعاعي يمكن أن يلعب دورًا في التحكم في نطاق واسع من درجات حرارة المبنى طوال المواسم المختلفة”. “نحن نواصل العمل مع المهندسين وقطاع البناء للنظر في كيفية مساهمة ذلك في مستقبل أكثر استدامة.”
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
