سيراميك التبريد الجديد يعزز كفاءة الطاقة في قطاع البناء ويساعد في مكافحة الاحتباس الحراري

أعلن باحثون في جامعة مدينة هونج كونج (CityU) عن تقدم كبير في تطوير مادة التبريد الإشعاعي السلب (PRC) ، حيث حققت المادة، المعروفة باسم سيراميك التبريد، خصائص بصرية عالية الأداء لتوليد تبريد خالي من الطاقة وخالي من المبردات.

إن فعاليته من حيث التكلفة ومتانته وتعدد استخداماته تجعله مناسبًا للغاية للتسويق في العديد من التطبيقات، وخاصة في تشييد المباني.

من خلال تقليل الحمل الحراري للمباني وتوفير أداء تبريد مستقر، حتى في الظروف الجوية المتنوعة في جميع المناخات، يعزز السيراميك المبرد كفاءة الطاقة ويمكنه مكافحة ظاهرة الاحتباس الحراري.

نُشرت النتائج في مجلة Science في ورقة بحثية بعنوان “سيراميك التبريد الإشعاعي السلبي ذو الهيكل الهرمي ذو الانعكاسية الشمسية العالية”.

تقنيات التبريد الخضراء الواعدة

تعتبر الصين واحدة من تقنيات التبريد الخضراء الواعدة للحد من الطلب المتزايد على تبريد المساحات، والحد من التلوث البيئي، ومكافحة ظاهرة الاحتباس الحراري، وفقا للبروفيسور إدوين تسو تشي يان، الأستاذ المشارك في كلية الطاقة والبيئة في جامعة كاليفورنياCityU، أحد مؤلفي الورقة.

فالصين الحالية التي تستخدم الهياكل الضوئية النانوية محدودة بسبب تكلفتها العالية وضعف توافقها مع الاستخدامات النهائية الحالية، في حين تفتقر البدائل الضوئية البوليمرية إلى مقاومة الطقس والانعكاس الشمسي الفعال.

تعزيز الخصائص البصرية وقابلية التطبيق

وقال البروفيسور تسو: “لكن سيراميك التبريد الخاص بنا يحقق خصائص بصرية متقدمة وله قابلية تطبيق قوية”، “إن اللون ومقاومة الطقس والمتانة الميكانيكية والقدرة على تقليل تأثير ليدنفروست – وهي ظاهرة تمنع نقل الحرارة وتجعل التبريد السائل على السطح الساخن غير فعال – هي ميزات رئيسية تضمن الطبيعة المتينة والمتعددة الاستخدامات لسيراميك التبريد.”

يكمن التفرد الاستثنائي لسيراميك التبريد في بنيته المسامية الهرمية كمادة خزفية كبيرة الحجم، والتي يمكن تصنيعها بسهولة باستخدام مواد غير عضوية يمكن الوصول إليها بسهولة مثل الألومينا من خلال عملية بسيطة من خطوتين تتضمن عكس الطور والتلبيد.

ليست هناك حاجة إلى معدات دقيقة أو مواد باهظة الثمن، مما يجعل تصنيع سيراميك التبريد القابل للتطوير أمرًا ممكنًا للغاية.

تحدد الخصائص البصرية أداء التبريد لمواد الصين في نطاقين من الطول الموجي: النطاق الشمسي (0.25-2.5 ميكرومتر) ومدى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (8-13 ميكرومتر).

يتطلب التبريد الفعال انعكاسية عالية في النطاق السابق لتقليل اكتساب الحرارة الشمسية والانبعاثية العالية في النطاق الأخير لتحقيق أقصى قدر من تبديد الحرارة الإشعاعية، ونظرًا لفجوة نطاق الألومينا العالية، فإن سيراميك التبريد يحافظ على امتصاص الطاقة الشمسية عند الحد الأدنى.

ليس هذا فحسب، فمن خلال محاكاة البياض الحيوي لخنفساء Cyphochilus وتحسين البنية المسامية المعتمدة على تشتت Mie ، ينثر سيراميك التبريد بكفاءة كل الطول الموجي لضوء الشمس تقريبًا، مما يؤدي إلى انعكاس شمسي شبه مثالي بنسبة 99.6% (ارتفاع مسجل) انعكاس الطاقة الشمسية) ويحقق انبعاثًا حراريًا عاليًا للأشعة تحت الحمراء المتوسطة بنسبة 96.5%.

وتتفوق هذه الخصائص البصرية المتقدمة على تلك الخاصة بالمواد الحديثة الحالية.

قال البروفيسور تسو: “إن سيراميك التبريد مصنوع من الألومينا، والذي يوفر التدهور المطلوب في مقاومة الأشعة فوق البنفسجية، وهو أمر مقلق نموذجي لمعظم تصميمات الصين القائمة على البوليمر، كما أنه يُظهر مقاومة رائعة للحريق من خلال تحمل درجات حرارة تتجاوز 1000 درجة مئوية، وهو ما يتجاوز قدرات معظم “مواد الصين القائمة على البوليمر أو القائمة على المعدن”.

مقاومة الطقس المتميزة

بالإضافة إلى أدائه البصري الاستثنائي، يُظهر سيراميك التبريد مقاومة ممتازة للطقس وثباتًا كيميائيًا وقوة ميكانيكية، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات الخارجية طويلة المدى.

في درجات الحرارة المرتفعة للغاية، يظهر سيراميك التبريد محبة فائقة للماء، مما يتيح الانتشار الفوري للقطرات، ويسهل التشريب السريع للقطرات بسبب بنيتها المسامية المترابطة، تمنع هذه الخاصية الفائقة المحبة للماء تأثير ليدنفروست الذي يعيق التبخر، والذي يوجد عادة في مواد غلاف البناء التقليدية، ويتيح التبريد التبخيري الفعال.

تأثير ليدنفروست هو ظاهرة تحدث عندما يتلامس السائل مع سطح أكثر سخونة بكثير من نقطة الغليان، وبدلاً من أن يغلي السائل على الفور، يشكل طبقة بخار تعزله عن الاتصال المباشر بالسطح.

تقلل طبقة البخار هذه من معدل انتقال الحرارة وتجعل تبريد السائل على السطح الساخن غير فعال، مما يتسبب في تحليق السائل وانزلاقه عبر السطح.

قال البروفيسور تسو: “إن جمال سيراميك التبريد يكمن في أنه يلبي متطلبات كل من PRC عالي الأداء والتطبيقات في بيئات الحياة الواقعية”، مضيفًا أن سيراميك التبريد يمكن تلوينه بتصميم مزدوج الطبقة، مما يلبي المتطلبات الجمالية. أيضًا.

ويضيف “لقد وجدت تجربتنا أن تطبيق سيراميك التبريد على سطح المنزل يمكن أن يحقق أكثر من 20٪ من الكهرباء لتبريد المساحة، مما يؤكد الإمكانات الكبيرة لسيراميك التبريد في تقليل اعتماد الناس على استراتيجيات التبريد النشطة التقليدية ويوفر حلاً مستدامًا لتجنب شبكة الكهرباء، “الحمل الزائد وانبعاثات الغازات الدفيئة وجزر الحرارة الحضرية”.

وبناءً على هذه النتائج، قال البروفيسور تسو إن فريق البحث يعتزم تطوير المزيد من استراتيجيات الإدارة الحرارية السلبية، ويهدفون إلى استكشاف تطبيق هذه الاستراتيجيات لتعزيز كفاءة الطاقة، وتعزيز الاستدامة، وزيادة إمكانية الوصول إلى تقنيات الصين وتطبيقها في مختلف القطاعات، بما في ذلك المنسوجات وأنظمة الطاقة والنقل.