صرفه‌جویی در انرژی هوشمند: مصالح ساختمانی آفتاب‌پرست‌مانند، رنگ مادون قرمز خود را تغییر می‌دهد

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۸ فوریه ۲۰۲۳
لینک منبع: Smart Energy Savings: Chameleon-Like Building Material Changes Its Infrared Color

محققان مهندسی مولکولیPritzker برای پراختن به چالش صرفه‌جویی در انرژی در مواجهه با رویدادهای شدید آب‌وهوای مکرر و آب‌وهوای متغیر، یک ماده ساختمانی طراحی کردند که می‌تواند میزان جذب یا انتشار گرما را بر اساس دمای بیرون تغییر دهد.

محققان دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر (PME) دانشگاه شیکاگو، یک ماده ساختمانی آفتاب‌پرست‌مانند طراحی کرده‌اند که رنگ فروسرخ خود و میزان گرمایی که بر اساس دمای بیرون جذب یا ساطع می‌کند را تغییر می‌دهد. در روزهای گرم، این ماده می‌تواند تا ۹۲ درصد از گرمای مادون قرمز موجود را ساطع کند و به خنک شدن داخل ساختمان کمک کند. با این حال، در روزهای سردتر، این ماده تنها ۷ درصد مادون قرمز خود را ساطع می‌کند و به گرم نگه داشتن ساختمان کمک می‌کند.

پروفسور پو چون هسو، که پژوهش منتشر شده درNature Sustainability را رهبری کرد، گفت: «ما اساساً روشی کم‌مصرف برای برخورد با یک ساختمان مانند یک شخص پیدا کرده‌ایم. وقتی سرد هستید یک لایه اضافه می‌کنید و وقتی گرم هستید یک لایه را جدا می‌کنید. این نوع مواد هوشمند به ما اجازه می‌دهد تا دمای یک ساختمان را بدون مقادیر زیادی انرژی حفظ کنیم»

ناشی از تغییرات آب‌وهوایی

بر اساس برخی برآوردها، ساختمان‌ها ۳۰ درصد از مصرف جهانی انرژی را تشکیل می‌دهند و ۱۰ درصد از کل گازهای گلخانه‌ای جهان را منتشر می‌کنند. حدود نیمی از این ردپای انرژی به گرمایش و سرمایش فضاهای داخلی نسبت داده می‌شود.

هسو می‌گوید: «برای مدت طولانی، بیشتر ما کنترل دمای داخل خانه را بدیهی می‌دانستیم، بدون اینکه به انرژی مورد نیاز آن فکر کنیم. «اگر می‌خواهیم آینده‌ای کربن منفی داشته باشیم، فکر می‌کنم باید راه‌های مختلفی را برای کنترل دمای ساختمان به روشی کارآمدتر در نظر بگیریم.»

محققان قبلاً مواد خنک‌کننده تشعشعی ابداع کرده‌اند که به خنک نگه داشتن ساختمان‌ها کمک می‌کنند و با افزایش توانایی آن‌ها در انتشار مادون قرمز، گرمای نامرئی که از افراد و اشیا ساطع می‌شود، کمک می‌کنند. موادی نیز وجود دارند که از انتشار مادون قرمز در آب‌وهوای سرد جلوگیری می‌کنند. Chenxi Sui، دانشجوی فارغ التحصیل PME، اولین نویسنده نسخه خطی جدید، گفت: «یک راه ساده برای فکر کردن در مورد آن این است که اگر یک ساختمان کاملاً سیاه رو به خورشید دارید، راحت‌تر از سایر ساختمان‌ها گرم می‌شود.

این نوع گرمایش غیرفعال ممکن است در زمستان چیز خوبی باشد، اما در تابستان خیر.

از آنجایی که گرم شدن کره زمین باعث بروز رویدادهای شدید آب‌وهوایی مکرر و آب‌وهوای متغیر می‌شود، نیاز به ساختمان‌ها وجود دارد که بتوانند خود را تطبیق دهند. تعداد کمی از اقلیم‌ها به گرمایش در تمام طول سال یا تهویه مطبوع در تمام طول سال نیاز دارند.

از فلز گرفته تا مایع و بالعکس

از قضا Hsu و همکارانش یک ماده ساختمانی غیرقابل اشتعال «الکتروکرومیک» طراحی کردند که حاوی لایه‌ای است که می‌تواند دو شکل به خود بگیرد: مس جامد که بیش‌ترین گرمای مادون قرمز را حفظ می‌کند، یا محلول آبکی که مادون قرمز ساطع می‌کند. در هر دمای ماشه‌ای که انتخاب می‌شود، دستگاه می‌تواند از مقدار کمی الکتریسیته استفاده کند تا با رسوب مس در یک لایه نازک یا جدا کردن مس، تغییر شیمیایی بین حالت‌ها را القا کند.

در مقاله جدید، محققان نحوه تغییر سریع و برگشت‌پذیر دستگاه را بین حالت فلز و مایع توضیح دادند. آن‌ها نشان دادند که توانایی جابجایی بین دو ترکیب حتی پس از ۱۸۰۰ چرخه کارآمد باقی می‌ماند.

سپس، تیم مدل‌هایی را ایجاد کرد که نشان می‌دهد چگونه مواد آن‌ها می‌توانند هزینه‌های انرژی را در ساختمان‌های معمولی در ۱۵شهر مختلف ایالات متحده کاهش دهند. آن‌ها گزارش دادند که در یک ساختمان تجاری متوسط، الکتریسیته مورد استفاده برای ایجاد تغییرات الکتروکرومیک در مواد کم‌تر از ۰.۲ درصد کل برق مصرفی ساختمان است، اما می‌تواند ۸.۴ درصد از مصرف انرژی سالانه HVAC ساختمان را ذخیره کند.

هسو می‌گوید: «وقتی بین حالت‌ها جابه‌جا می‌شوید، دیگر نیازی به مصرف انرژی برای ماندن در هر دو حالت ندارید. بنابراین برای ساختمان‌هایی که نیازی به جابجایی بین این حالت‌ها نیست، واقعاً مقدار بسیار ناچیزی برق مصرف می‌کنند.»

افزایش مقیاس

تاکنون، گروه هسو تنها قطعاتی از این ماده را ساخته‌اند که عرض آن حدود شش سانتی‌متر است. با این حال، آن‌ها تصور می‌کنند که بسیاری از این تکه‌های مواد را می‌توان مانند زونا در ورق‌های بزرگ‌تر مونتاژ کرد. آن‌ها می‌گویند که این ماده هم‌چنین می‌تواند برای استفاده از رنگ‌های مختلف و سفارشی بهینه شود - فاز آبکی شفاف است و تقریباً هر رنگی را می‌توان بدون تأثیر بر توانایی جذب مادون قرمز پشت آن قرار داد.

محققان اکنون در حال بررسی روش‌های مختلف برای ساخت این ماده هستند. آن‌ها همچنین قصد دارند بررسی کنند که چگونه حالت‌های میانی این ماده می‌تواند مفید باشد.

هسو گفت: «ما نشان دادیم که کنترل تابشی می‌تواند در کنترل طیف وسیعی از دمای ساختمان در فصول مختلف نقش داشته باشد. ما به کار با مهندسان و بخش ساختمان ادامه می‌دهیم تا بررسی کنیم که چگونه این امر می‌تواند به آینده‌ای پایدارتر کمک کند.»

این متن با استفاده از ربات ‌ترجمه مقالات تکنولوژی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.