طريقة جديدة للتبريد: قام المهندسون باختراع مرآة ذات تقنية عالية لتبديد الحرارة بعيداً عن المباني باتجاه الفضاء.
قام مهندسون من جامعة ستاندفورد بابتكار مواد طلاء ستحدث ثورة في مجال التبريد، تساعد هذه المواد في تبريد المباني حتى في الأيام المشمسة بشعّ الحرارة بعيداً عن الأبنية وإرسالها مباشرة إلى الفضاء.
الفريق الذي يقوده مهندس الكهرباء البروفسيور Shanhui Fan والباحث المساعد ” Aaswath Raman” أصدروا تقريراً عن هذه التقنية الموفّرة للطاقة في صحيفة “Nature” .
قلب هذا الابتكار كان مادّة رقية جدّاً ومتعددة الطبقات والتي تتعامل مع الضوء المرئي وغير المرئي بطريقة جديدة تماماً.
الضوء غير المرئي على هيئة “أشعّة تحت الحمراء” هو إحدى الطرق التي تصدر من خلالها كل الأشياء والكائنات الحيّة الحرارة، فعندما نقف أمام فرن مغلق حتى بدون لمسه نشعر بالحرارة، هذه الحرارة التي تشعر بها هي “الأشعّة تحت الحمراء” . هذا الضوء غير المرئي والمسبب للحروق الحرارية هو من يقوم ابتكار ستاندفورد الجدير بتبديده بعيداً عن المباني باتجاه الفضاء.
بالطبع إنّ أشعّة الشمس تقوم أيضاً بتدفئة المباني. تقوم هذه المادّة الجديدة بالإضافة مع تعاملها مع الأشعّة تحت الحمراء بالعمل كمرآة فعّالة جدّاً تعكس عمليّاً كل ضوء الشمس الذي يضربها.
النتيجة النهائيّة هي ما أطلق عليه فريق ستاندفورد اسم “التبريد الضوئي الإشعاعي”. حيث أصابوا عصفورين بحجر واحد، قام بالتخفيف من أثر الأشعّة تحت الحمراء الحراري وأيضاً قاموا بعكس أشعة الشمس التي تقوم بتدفئته. والنتيجة أبنية أبرد تتطلب قدر أقل من التكييف الهوائي.
“إنّها طريقة جديدة جدّا وبسيطة بشكل استنثائي” يقول “Eli Yablonovitch” وهو بروفسور في الهندسة في جامعة كاليفورنيا بيركيلي ورائد في مجال الضوء ويقوم بإدارة مركز للعلوم الإلكترونية الفعّالة. “كنتيجة لعمل البروفسور Fan نستطيع الآن أن نستخدم “التبريد الإشعاعي” ليس فقط أثناء الليل ولكن بشكل يخالف التوقعات أثناء النهار أيضاً”
قال الباحثون أيضاَ أنهم صمموا هذه المادّة لتكون جيّدة التكلفة لأسطح الأبنية الممتدة على نطاق واسع. ومع أنّ هذه التقنية لا تزال في بداياتها، فابعتقادهم أنّها ستخفّض من استخدام الكهرباء بشكل واسع. خصوصا عندما نعلم أنّ 15% من الكهرباء في الأبنية الأمريكية تستخدم لتشغيل أنظمة تبريد الهواء.
في الممارسة العمليّة يعتقد الباحثون أنّ رش هذا الطلاء على المواد الصلبة سيجعلها مقاومة في وجه العناصر.
“أظهر الفريق كيف أنّه يمكن تبريد المنشآت بعكس الحرارة ببساطة باتجاه الفضاء البارد” يقول الفيزيائي الفائز بجائزة نوبلل “Burton Richter” وهو بروفسور في جامعة ستاندفورد ومدير سابق لمنشأة بحث تدعى الآن بـSLAC.
عالم دافئ يتطلّب تقنيات تبريد لا تتطلّب حرارة، طبقا لـRaman كاتب رئيسي في صحيفة Nature. “عبر هذا العالم المتطوّر فإنّ التبريد الإشعاعي الضّوئي سيجعل من التبريد في المناطق الريفية خارج الشبكة ممكناَ وسيواجه الطلب الشديد على التكييف الهوائي في المناطق المدنيّة”
استخدام نافذة على الفضاء
إنّ السؤال الحقيقي حول هذا الابتكار هو كيف تمكّن فريق بحث ستانفورد من تبديد الحرارة بعيداً عن المباني.
يُمكن أن تنتقل الحرارة بثلاثة طرق: بالتوصيل، بالحمل وبالإشعاع. بالتوصيل عن طريق التلامس لهذا لا تستطيع الإمساك بطبق خارج من الفرن للتو إلا باستخدام القفّازات. بالحمل: هو انتقال الحرارة بحركة السوائل أو الغازات وو الهواء الساخن الذي تشعر به عند فتح الفرن. وبالإشعاع على شكل أمواج كهرطيسية تحت حمراء والتي تشع من الأجسام وهي غير مرئيّة.
تمّ تصميم هذا الطلاء الرقيق جدّا بدقّة ليقوم بإرسال هذه الأمواج تحت الحمراء بعيداً عن المباني وبتردد محدد تسمح له بتجاوز الغلاف الجوّي بدون تسخين الهواء مما يبعد عن الأذهان خطر الاحتباس الحراري.
“فكر بالأمر كأنّك تملك نافذة على الفضاء” يقول فان.
توجيه المرآة
ولكن نقل الحرارة إلى الفضاء ليس كافياً في حدّ ذاته. هذا الطلاء متعدد الطبقات أيضا يعمل كمرآة عالية الكفاءة تمنع حوالي 97% من ضوء الشمس من الاصطدام بالمباني وتسخينها.
“لقد ابتكرنا مبرّد وهو في نفس الوقت مرآة ممتازة”
معاً، التبريد والانعكاس تجعل المبرّد الضوئي أبرد بحوالي 9 درجات على مقياس فهرنهايت من الهواء المحيط خلال النهار.
سماكة هذه الماّة متعددة الطبقات هو فقط 1.8 ميكرو متر، أرق من أي رقاقة ألمنيوم.
تتألف من سبع طبقات من ثنائي أوكسيد السيليكون وأوكسيد الهفنيوم على طبقة رقيقة من الفضّة. هذه الطبقات ليس رقيقة بشكل رسمي ولكن عولجت من قبل المهندسين لابتكار مادّة جديدة. بناؤها الداخلي منتاغم ليسمح لها بعكس الأشعّة تحت الحمراء بتردد معيّن يسمح للأشعة بعبور الهواء من دون تسخين الهواء.
“إنّ هذا الممر الفوتوني يقدّم لنا وأخيراً القدرة على مناغمة كل من الانعكاس الشمسي والأشعّة تحت الحمراء الحراريّة” يقول ” Linxiao Zhu ” حامل شهادة الدكتوراة في الفيزياء التطبيقية ومن الكتاب المشاركين بالورقة البحثية.
“أنا شخصيّاً متحمّس جدّا للنتائج التي حصلوا عليها، إنّها أكبر مثال على قدرة البصريات النانونية”
من النموذج الأوّلي إلى لوحة البناء
إنشاء جزيئات التبريد بالإشعاع الضوئي على مجال واسع يتطلّب على الأقل حل مشكلتين تقنيتين.
الأولى: كيف يمكن وصل الحرارة دخل البناء إلى الطلاء الخارجي. وما إن تصل إلى هناك فإن الطلاء يستطيع أن يوجهها إلى الفضاء، ولكن على المهندسن أوّلاً كيف يمكن توصيل حرارة البناء بكفاءة عالية إلى الطلاء.
الثانية: هي مشكلة في الإنتاج. النموذج الأوّلي حاليا بحجم بيتزا لشخص واحد ولتبريد الأبنية فنحن بحاجة للوحات أكبر، قال الباحثون أنّه توجد منطقة كبيرة مرافقة للتصنيع تجعل لوحاتهم الكبيرة موجودة.
الثلّاجة الكونية
على نطاق أوسع، إنّ الفريق يرى مشروعه على أنّه الخطوة الأولى نحو استخدام البرودة في الفضاء كمصدر للطاقة. فكما أشعّة الشمس تقدّم لنا مصدر طاقة متجدد، فإنّ برودة الكون تقدّم لنا تقريباً فسحة لا نهائية للتخلّص من الحرارة.
“كل جسم ينتج الحرارة عليه أن يتخلّص من هذه الحرارة باستخدام مغطس حراري، ما صنعناه هو طريقة تسمح لنا باستخدام برودة الكون كمغطس حراري خلال النهار” يقول فاين.
