رقائق تبريد لتكييف الهواء... من دون كهرباء

قد توفر بديلاً أفضل وأرخص مستقبلاً

جيان واي (إلى اليسار) وزميله لو تشو

ابتكر باحثون تقنية تبريد غير مباشرة ذات تكلفة منخفضة، تعتمد على تصنيع رقائق بوليمرية، شبيهة بأفلام التصوير، يمكن استخدامها في تبريد المباني في المناطق الحضرية، بدون الحاجة إلى الكهرباء، مما يسهم في تقليل استهلاك الطاقة إلى حد كبير، وبالتالي في الحد من التغيرات المناخية.
وعادة ما تستهلك أنظمة تكييف الهواء الحديثة كميات كبيرة من الطاقة، خاصة في ساعات النهار، وينتج عن ذلك انبعاث كميات مرتفعة من غازات الاحتباس الحراري المسؤولة عن تغير المناخ. وعلى سبيل المثال، فإن تكييفات الهواء مسؤولة عن 15 في المائة من إجمالي استهلاك الطاقة في الولايات المتحدة، وقد ترتفع هذه النسبة إلى 70 في المائة في الدول شديدة الحرارة، مثل السعودية.
جدير بالذكر أن تقنية «التبريد الإشعاعي»، التي تعتمد على رقائق دقيقة للتحكم في درجات حرارة المباني، مثل الأفلام الفوتونية المسطحة متعددة الطبقات، وأفلام المادة الهجينة ذات الخصائص الاستثنائية، أصبحت تجذب الانتباه باعتبار أنها لا تستخدم الكهرباء، إلا أنها ما زالت معقدة كما أن تكلفة تصنيعها مرتفعة.
وقد طُورت هذه التكنولوجيا الجديدة من خلال تبادل للطلاب بين الولايات المتحدة وجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست). إذ تمكن باحثون، بقيادة تشاوتشانج جون، وطالب الدراسات العليا، لو تشو، من جامعة ولاية نيويورك في بافالو، وجيان واي ليانج، وعدد من زملائه، من مختبر البروفسور بوون أووي للفوتونات الضوئية في كاوست، بالتعاون مع باحثين من جامعة ويسكونسن، من تطوير تكنولوجيا تبريد غير مباشرة، مصنوعة من تركيبة من ثنائي ميثيل السيلوكسين (PDMS) على فيلم (غشاء رقيق) ألومنيوم.
وثنائي ميثيل السيلوكسين هو مركب ينتمي إلى مجموعة من المركبات البوليمرية العضوية يُشار إليها عادة باسم «السيليكون».
ويوضح جيان واي: «إن ثنائي ميثيل السيلوكسين، يتميز بقدرته المرتفعة على امتصاص الحرارة في نطاق (نفاذية الغلاف الجوي) للأرض، بينما تنخفض هذه القدرة في نطاق الطول الموجي الشمسي المرئي. وهذه الخصائص تجعله مادة مثالية للتبريد الإشعاعي غير المباشر».
ويُقصد بـ«نفاذية الغلاف الجوي» الأطوال الموجية للطيف الكهرومغناطيسي القادرة على الانتقال عبر الغلاف الجوي للأرض.
ويمكن لاستخدام ثنائي ميثيل السيلوكسين على فيلم الألومنيوم، أن يساعد في تبريد الأبنية بكفاءة، خلال ساعات النهار، وذلك عن طريق استغلال التداخل الطيفي بين نفاذية الغلاف الجوي - المقابلة لأطوال موجية تتراوح بين 8 و13 ميكرونا - ونطاق الإشعاع الحراري المنبعث من الأبنية في درجات الحرارة الاعتيادية.
ولصناعة هذا الفيلم، استخدم الباحثون عملية الطلاء بشفرة حادة أولاً، حتى يتمكنوا من طلاء سطح صفيحة ألومنيوم بطبقة من صمغ ثنائي ميثيل السيلوكسين، وبعد ذلك استخدموا شفرة قياس للتحكم في سُمْك الطبقة، مع تسخين التركيبة في فرن بدرجة حرارة 60 مئوية لمدة ساعتين، لإكمال عملية الدمج.
ويقول تشاوتشانج: «رغم أن مادة ثنائي ميثيل السيلوكسين ذات قدرة امتصاص منخفضة في نطاق الطول الموجي الشمسي، فقد وجدنا أن قدرتها على التبريد الإشعاعي تأثرت بشكل ملحوظ بالبيئة المحيطة عند اختبارها في الأماكن المفتوحة، خاصة في المناطق الحضرية المزدحمة».
ولمعالجة هذه التأثيرات، قام الفريق بتطوير مأوى انتقائي للطيف، يوجه الإشعاع الحراري نحو السماء، ما أدى إلى خفض درجة الحرارة أثناء النهار لـ6.5 درجة مئوية في البيئة المحيطة.
ووجد الباحثون أن استخدام ثنائي ميثيل السيلوكسين، مع وضعه على فيلم ألومنيوم، يوفر حلاً منخفض التكلفة وصديقا للبيئة، لتبريد المباني في المناطق الحضرية، كما يمكن تصنيعه بكميات كبيرة، مما يسهم في الترويج التجاري لهذه التكنولوجيا.
يقول جيان واي: «نعمل الآن على البنية الضوئية للفيلم، لتحسين قدرته على التبريد الإشعاعي، كما نبحث أيضاً إمكانية تطبيق هذه التقنية في تكثيف البخار، وتبريد المياه».