تقنية مبتكرة لتبريد المباني وتقليل استهلاك الطاقة على غرار “آذان الفيل”
باحثون يبتكرون جدرانًا "ذكية" تتحكم بالحرارة مستوحاة من فيسيولوجيا الأرانب والفيلة
استلهم باحثون من جامعة دريكسل فكرةً من آذان الأرانب البرية والفيلة الوريدية، فابتكروا نهجًا جديدًا للتدفئة والتبريد السلبيين، قد يجعل المباني أكثر كفاءةً في استهلاك الطاقة يومًا ما.
يتضمن مفهومهم، الذي نُشر مؤخرًا في مجلة هندسة البناء، شبكةً وعائيةً داخل مواد بناء أسمنتية، تُساعد، عند ملئها بمادة أساسها البارافين، على تنظيم درجة حرارة أسطح الجدران والأرضيات والأسقف بشكل سلبي.
يهدف هذا النهج إلى معالجة المساهمة الكبيرة لطلب الطاقة في المباني — ما يقارب 40% من إجمالي استخدام الطاقة — في إنتاج غازات الاحتباس الحراري. يُنفق حوالي نصف استهلاك الطاقة في المباني على الحفاظ على درجة حرارة مريحة.
وبينما ساهمت منتجات وتقنيات العزل الجديدة في تدعيم الجدران والنوافذ والأسقف، لا تزال هذه الأسطح تمثل التحدي الأكبر فيما يتعلق باحتجاز الحرارة أو فقدانها، حيث تُساهم في حوالي 63% من فقدان الطاقة في المباني.
وقال ريثم أوسان، وهو طالب جامعي في كلية الهندسة ومؤلف مشارك في البحث: «من الناحية المعمارية، يبدو من الجيد أن يكون هناك مساحة كبيرة من النوافذ في المبنى، ولكن هذا يؤدي أيضًا إلى تقليل خصائص العزل.
في عالم مثالي، لن يفقد المبنى أي حرارة، ولكن من وجهة نظر واقعية للبناء، فإن قضايا مثل الجسور الحرارية، وتسرب الهواء من القنوات، وأداء المواد وتفاصيل المفاصل ستشكل دائمًا بعض فقدان الحرارة.»
ولقلب هذا الواقع المحبط رأسًا على عقب، ابتكر فريق دريكسل طريقة تجعل هذه الأسطح تساهم في الحفاظ على درجة الحرارة الداخلية المطلوبة، بدلاً من أن تكون عائقًا أمامها.
وأوضح الدكتور أمير فارنام، الأستاذ المشارك في كلية الهندسة بجامعة دريكسل وقائد البحث: «انظروا إلى طريقة عمل جهازنا الدوري لتنظيم درجة الحرارة، عندما يكون الجو حارًا، يتدفق الدم إلى السطح — قد يحمر وجهنا قليلًا ويبدأ بالتعرق عبر غددنا، وهذا يُبرّدنا من خلال عملية تغير طوري تُعرف بتبخر العرق، هذه عملية طبيعية فعّالة للغاية، وقد أردنا تكرارها في مواد البناء”.
يُعد مختبر مواد البنية التحتية المتقدمة (AIM) التابع لفارنام رائدًا في الأبحاث التي تُركز على الأساليب المستوحاة من الطبيعة لجعل مواد البنية التحتية أكثر متانة.
وقد سبق لهم تطوير خرسانة تستخدم مواد متغيرة الطور — تشبه البارافين المستخدم في صناعة الشموع — لإذابة الثلج والجليد من سطحها؛ وخرسانة ذاتية الشفاء تستخدم بكتيريا خاصة تُنتج كربونات الكالسيوم؛ وبوليمرات مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتعزيز الهياكل الخرسانية.
مواد تغيير الطور، مثل البارافين، مناسبةٌ بشكلٍ فريدٍ لهذا التطبيق، إذ تمتص وتُطلق الطاقة الحرارية أثناء انتقالها من الحالة السائلة إلى الصلبة.
فعندما تنخفض درجات الحرارة وتتحول المادة من السائل إلى الصلب، تُطلق طاقةً حراريةً؛ وعلى العكس، عندما ترتفع درجات الحرارة المحيطة، تمتص المادة الطاقة الحرارية، مُنتجةً سطحًا باردًا.
قال الدكتور روبن ديب، الباحث العلمي في مختبر AIM والمؤلف المشارك في البحث: “لقد استخدمنا في السابق مادة تعتمد على البارافين كمكون لتغيير الطور في الخرسانة ذاتية التدفئة، لذلك كنا نعلم أنها مادة موثوقة يمكنها التأثير على درجة حرارة سطح مواد البناء الخرسانية، ولهذا التطبيق، اخترنا مادةً متغيرة الطور بدرجة انصهار تبلغ حوالي 18 درجة مئوية، وهي نقطة انصهار منخفضة نسبيًا، لاختبار فعاليتها في المناخات الباردة. ولكن هذا النظام يسمح بتعديل المادة لتكون أكثر استجابةً في المناخات الدافئة أيضًا.”
وباستخدام قالب بوليمر قابل للذوبان أو “التضحية”، أنشأ الفريق سلسلة من عينات الأسمنت ذات أنماط قنوات وعائية مختلفة، بما في ذلك قناة واحدة، وقنوات متعددة، وقنوات متوازية عمودية على حواف السطح، وقنوات متوازية قطرية، وشبكة من القنوات على شكل ماسة، تتراوح سماكتها بين 3 و8 ملليمترات.
وقد اختبروا كل عينة لتحديد سلوكها الميكانيكي، وكذلك قدرتها على إبطاء ارتفاع درجة حرارة السطح وتبريده، بالنسبة للظروف البيئية المحيطة، عندما تم ملء القنوات بمواد تغيير الطور.
أثبتت العينة ذات بنية القناة الشبكية الماسية الشكل أنها الأكثر فعاليةً بين المتانة والتنظيم الحراري. حافظت هذه العينة على سلامتها الهيكلية أثناء اختبارات التمدد والضغط، مع إبطاء تسخين وتبريد سطحها — إلى 1-1.25 درجة مئوية في الساعة — مقارنةً ببيئتها.
“وجدنا، وهو أمر ليس مفاجئًا، أن زيادة مساحة سطح الأوعية الدموية تؤدي إلى أداء حراري أفضل، تُشبه هذه الملاحظة فسيولوجيا آذان الفيل والأرنب البري، التي تحتوي على مساحات واسعة من الأوعية الدموية للمساعدة في تنظيم درجة حرارة أجسامها»، كما قال ديب.
وأضاف “نعتقد أن موادنا الوعائية يمكن أن تلعب دورًا مماثلًا في المبنى من خلال المساعدة في تعويض التحولات في درجات الحرارة وتقليل الطلب على الطاقة من أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء للحفاظ على الراحة الحرارية”.
ولتعزيز قوة المواد بشكل أكبر — على الرغم من تجويفها جزئيًا بواسطة القنوات — أظهر الفريق أن إضافة مادة مجمعة دقيقة إلى الأسمنت يمكن أن يحسن متانته دون التأثير على قدرة الأوعية الدموية على تداول مادة تغيير الطور.
قال فارنام: «مع أن هذه الدراسة كانت تهدف إلى إثبات صحة المفهوم، إلا أن هذه النتائج واعدة ويمكننا البناء عليها. وهذا يُظهر فعالية هذه الطريقة في تنظيم درجة حرارة سطح المواد الأسمنتية، بالإضافة إلى كونها طريقة بسيطة واقتصادية لإنتاجها.
ومع إجراء المزيد من الاختبارات والتوسع، نعتقد أن هذه الطريقة قادرة على الإسهام بشكل كبير في الجهود المبذولة لتحسين كفاءة الطاقة في المباني.»
وسوف يستلزم البحث المستقبلي للفريق اختبار مواد مختلفة لتغيير الطور وتكوينات القنوات في عينات أكبر من المواد الأسمنتية على مدى فترة زمنية أطول ومجموعة أوسع من درجات الحرارة البيئية، من بين متغيرات أخرى.
