پنجرهها پاشنه آشیل ساختمانهای کممصرف از نظر انرژی هستند. هرچقدر هم دیوارها را با عایقهای قوی بپوشانید، شیشهها باید نور را عبور دهند و دقیقاً همینجا مشکل آغاز میشود. اغلب موادی که گرما را بهخوبی نگه میدارند، نور را پخش میکنند و دید را کدر میسازند.
این تضاد اساسی توضیح میدهد که چرا ساختمانها حدود ۴۰ درصد از کل انرژی جهان را مصرف میکنند؛ در روزهای سرد گرما را از دست میدهند و در روزهای گرم آن را به دام میاندازند.
اکنون تیمی از دانشگاه کلرادو بولدر معتقد است راهحلی یافته که این معادله را به نفع بهرهوری انرژی تغییر میدهد؛ مادهای شبیه به «بابل رپ» پیشرفته، بدون ایجاد تاری دید.
عایق شفاف با عملکردی در حد دیوار
پژوهشگران این ماده جدید را MOCHI نامگذاری کردهاند؛ مخفف Mesoporous Optically Clear Heat Insulator به معنای «عایق حرارتی شفاف با تخلخل مزوساختاری».
MOCHI یک ژل مبتنی بر سیلیکون است که میتوان آن را به شکل صفحات ضخیم یا فیلمهای نازک تولید کرد و روی سطح داخلی پنجرههای موجود نصب نمود.
در آزمایشهای اولیه، تنها یک لایه ۵ میلیمتری از این ماده کافی بود تا پژوهشگر شعله آتش را بالای کف دست خود نگه دارد، بدون اینکه احساس سوزش کند؛ نمایشی که برای هر بینندهای قانعکننده است.
راز شفافیت همراه با عایقبودن
بیش از ۹۰ درصد حجم MOCHI از حبابهای بسیار ریز هوای محبوس تشکیل شده است، اما با این حال تقریباً کاملاً شفاف باقی میماند و تنها حدود ۰٫۲ درصد از نور ورودی را بازتاب میدهد.
«برای جلوگیری از تبادل گرما میتوان دیوارها را بهشدت عایق کرد، اما پنجرهها باید شفاف باشند. یافتن عایقهایی که هم شفاف باشند هم مؤثر، واقعاً چالشبرانگیز است.»
— ایوان اسمالیوخ، فیزیکدان و نویسنده ارشد مطالعه
کاملکردن حبابهای شفاف
MOCHI از نظر مفهومی به آئروژلها شباهت دارد؛ همان مواد فوقسبک معروف به «دود منجمد» که ناسا برای عایقکاری مریخنوردها استفاده میکند. با این تفاوت که مشکل قدیمی کاهش شفافیت در آن حل شده است.
در آئروژلهای معمولی، حفرهها بهصورت تصادفی شکل میگیرند و باعث پراکندگی نور میشوند، در نتیجه ماده حالتی مهآلود پیدا میکند. اما تیم کلرادو بولدر شبکه حفرهها را از پایه مهندسی کرده است.
فرآیند ساخت در یک نگاه
- شروع با سورفکتانتها؛ مولکولهایی شبیه مواد شوینده که در یک مایع پخش میشوند
- این مولکولها بهطور خودآرا به رشتههایی بسیار نازک شبیه مو تبدیل میشوند
- مولکولهای سیلیکون به سطح این رشتهها میچسبند
- در یک فرآیند کنترلشده، سورفکتانتها حذف و با هوا جایگزین میشوند
نتیجه، شبکهای پیچیده از «لولههای نانومقیاس» پوشیده از سیلیکون است؛ ساختاری که اسمالیوخ آن را با طنز «کابوس یک لولهکش» توصیف میکند.
چگونه پنجرهها جلوی اتلاف انرژی را میگیرند
انتقال گرما در گازها شبیه بازی ماشینهای ضربهای است؛ مولکولهای پرانرژی به یکدیگر برخورد میکنند و انرژی را منتقل میسازند.
در کانالهای بسیار ریز MOCHI، این بازی عملاً متوقف میشود. حفرهها آنقدر کوچک هستند که مولکولها بیشتر با دیوارهها برخورد میکنند تا با یکدیگر و همین موضوع توان انتقال گرما را بهشدت کاهش میدهد.
«مولکولها فرصت برخورد آزادانه با هم و تبادل انرژی را ندارند. بهجای آن مدام به دیوارههای حفرهها برخورد میکنند.»
— ایوان اسمالیوخ
با تنظیم دقیق اندازه حفرهها و ضخامت دیوارههای سیلیکونی، تیم تحقیقاتی موفق شده است پراکندگی نور را به حداقل برساند، در حالی که جریان حرارتی بهشدت محدود میشود.
از پنجرهها تا سامانههای جذب انرژی خورشیدی
کاربرد بدیهی MOCHI، بهینهسازی پنجرههای ساختمانهای مسکونی و اداری است تا با مصرف کمتر انرژی، دمای مطلوبتری حفظ شود.
اما پژوهشگران فراتر فکر میکنند. آنها این ماده را گزینهای مناسب برای سامانههای خورشیدی غیرفعال میدانند که میتوانند گرمای خورشید را حتی در روزهای نیمهابری جذب و ذخیره کنند.
بهدلیل امکان تولید MOCHI به شکل فیلم نازک، میتوان آن را بدون قابهای حجیم یا شیشههای رنگی روی سطوح شیشهای لمینیت کرد.
هزینه، دوام و مقیاسپذیری
در حال حاضر، MOCHI یک محصول آزمایشگاهی است نه کالایی آماده برای قفسه فروشگاهها. فرآیند تولید آن زمانبر است و مقیاسسازی نیازمند کار مهندسی بیشتری خواهد بود.
خبر خوب این است که:
- مواد اولیه رایج و نسبتاً ارزان هستند
- ساختار سیلیکونی از نظر شیمیایی پایدار است
- برخلاف برخی پلاستیکها، به زردشدن تمایل ندارد
تیم تحقیقاتی اطمینان دارد که میتوان فرآیند تولید را به یک خط پیوسته و صنعتی تبدیل کرد که ورقهای بزرگ و یکنواخت برای نوسازی ساختمانها تولید کند.
صرفهجویی بزرگ در انرژی در راه است
اگر پنجرههای پرنشت یک شهر با شیشههایی پوشیده از فیلمی تقریباً نامرئی اما بسیار عایق جایگزین شوند، معادله انرژی دگرگون خواهد شد:
- کاهش بار گرمایشی در زمستان
- کاهش نیاز به سرمایش در تابستان
- متعادلشدن پیک مصرف انرژی
از آنجا که این عملکرد مبتنی بر فیزیک است نه قطعات متحرک، مزایا بهصورت آرام و مداوم در طول سالها انباشته میشوند.
اگر تولید MOCHI در مقیاس صنعتی و با قیمتی رقابتی ممکن شود، این فناوری میتواند بدون قربانیکردن نور طبیعی و منظره، مصرف انرژی ساختمانها را بهطور قابل توجهی کاهش دهد.
این پژوهش در مجله علمی Science منتشر شده است.
نتیجهگیری
MOCHI نمونهای الهامبخش از این است که چگونه علم مواد میتواند یکی از قدیمیترین مشکلات معماری را حل کند؛ پنجرهای که هم پنجره بماند هم عایق حرارتی قدرتمند باشد.
