5 دقیقه
پیشرفت در خنک‌سازی غیرفعال
تهویه مطبوع مؤثر است اما مصرف بالای انرژی دارد. مهندسان و دانشمندان مواد از دانشگاه Southeast در چین یک فرمولاسیون جدید سیمان معرفی کرده‌اند که میتواند با خنک‌سازی پسیو سطوح ساختمان را خنکتر نگه دارد و وابستگی به تهویه مطبوع را به‌طور چشم‌گیری کاهش دهد. این سیمان «سوپرکول» که در Science Advances منتشر شده است، بازتاب نور و تابش حرارتی را ترکیب میکند تا گرمای خورشیدی را پیش از تبدیل شدن به گرمایش داخلی دفع کند.
نحوه عملکرد سیمان سوپرکول
بتن و سیمان سنتی بخش بزرگی از تشعشع فروسرخ خورشید را جذب می‌کنند و آن انرژی را به‌صورت گرما در خود نگه می‌دارند؛ این امر دمای داخل را بالا برده و بار خنک‌سازی را افزایش میدهد. تیم تحقیقاتی به سرپرستی Wei She سیمان را در سطح شیمیایی و ریزساختاری بازطراحی کردند تا این رفتار را تغییر دهند. نتیجه ماده‌ای است که طوری مهندسی شده تا هم‌زمان نور خورشید را بازتاب دهد و انرژی حرارتی را به آسمان تابش کند — یعنی مانند آینه و رادیاتور عمل میکند.
بلورهای اتترینگیت و مهندسی سطح
نوآوری کلیدی، لایه سطحی‌ای است که با بلورهای میکروسکوپی بازتابنده اتترینگیت دانه‌دار شده است. پژوهشگران قرص‌هایی از مواد معدنی رایجی مانند سنگ آهک و گچ تهیه کرده، آن‌ها را به پودرهای بسیار ریز تبدیل کردند، با آب مخلوط کردند و خمیر را در قالب سیلیکونی‌ای ریختند که دارای سوراخ‌های ریز برای ایجاد حفرات سطحی میکروسکوپی است. این حفرات رشد بلورهای اتترینگیت را تشویق کردند که هم بازتاب خورشیدی را افزایش میدهد و هم انتشار تابش در میانه طیف فروسرخ را تقویت میکند — دو ویژگی ضروری برای خنک‌سازی تابشی با کارایی بالا.
آزمایش و عملکرد
تأیید میدانی روی پشت‌بام دانشگاه Purdue انجام شد. در اوج تابش میانه روز، سطح سیمان حدود 5.4 °C خنکتر از هوای پیرامون اندازه‌گیری شد — تفاوت قابل توجهی برای مواد خنک‌سازی پسیو. فراتر از آزمایش دما، ماده تحت آزمونهای پایداری مکانیکی، محیطی و اپتیکی قرار گرفت تا مقاومت آن در شرایط واقعی ارزیابی شود.
یک آزمایش مستقیم زمان سخت‌شدن انجام شد. این آزمایش طراحی تنظیم‌پذیر سریع‌گیر سیمان سوپرکول را نشان داد که با تست سنتی سوزن ویکات قابل ارزیابی مستقیم نیست. ظرف تنها 6 دقیقه پس از هیدراسیون، سیمان سوپرکول به اندازه‌ای سفت شده بود که بتواند ضربه یک توپ آهنی 200 گرمی را تحمل کند و تنها فرورفتگی کوچکی ایجاد شد.
.avif)
ویژگی‌های محصول
- بازتاب بالای خورشیدی و انتشار قوی میانهموج فروسرخ برای خنک‌سازی تابشی.
- سطح میکروساختار یافته با بلورهای اتترینگیت که کارایی اپتیکی را بهبود می‌بخشد.
- رفتار سریع‌گیر نشان‌داده‌شده با پایداری در برابر ضربه، چند دقیقه پس از هیدراسیون.
- طراحی‌شده برای پایداری مکانیکی، محیطی و اپتیکی در معرض شرایط بیرونی.
- ساخته‌شده از مواد معدنی فراوان — سازگار با ورودی‌های تولید سیمان موجود.
مقایسه با مواد متداول
در مقایسه با بتن خاکستری استاندارد و بسیاری پوشش‌های بازتابنده سفید، سیمان سوپرکول یک استراتژی ترکیبی ارائه میدهد: دفع نور خورشید در عین تابش فعال تابش حرارتی. بر خلاف سقف‌های رنگ‌شده خنک که عمدتاً بر بازتاب تکیه دارند، این سیمان با بلورهای معدنی مهندسی‌شده انتشار میانهموج فروسرخ را افزایش میدهد. در مقایسه با فیلم‌های پلیمری پیشرفته یا پوشش‌های خنک‌کننده پرهزینه، سیمان سوپرکول از مواد خام آشنا و فرایندهای صنعتی موجود استفاده میکند و چشم‌اندازهای مقیاس‌پذیری و ادغام در پوسته ساختمان را بهبود می‌بخشد.
مزایا و تأثیرات زیستمحیطی
فراتر از کاهش دمای سطح و بار سیستمهای تهویه، تیم تحقیقاتی با استفاده از تحلیل چرخه عمر مبتنی بر یادگیری ماشین دریافتند که در افق زمانی 70 ساله، تکنولوژی میتواند در برخی سناریوها ردپای کربنی خالص منفی تولید کند. ترکیب صرفهجویی در انرژی و پتانسیل کاهش کربن، سیمان سوپرکول را به ماده‌ای کم‌کربن و کارآمد انرژی برای زیرساخت‌های شهری حساس به اقلیم تبدیل میکند.
موارد استفاده و ارتباط بازار
کاربردهای بالقوه شامل پنل‌های پشت‌بام، پوشش نما، پارکینگ‌ها و کاهش اثر جزیره حرارتی شهری در اقلیم‌های گرم است. در شهری که ساختمان‌ها حدود 40٪ مصرف انرژی و تقریباً 36٪ انتشار گازها را تشکیل می‌دهند، خنک‌سازی پسیو قابل مقیاس‌پذیر میتواند کاهش فوری در هزینههای انرژی و بهبود راحتی حرارتی بیرونی را فراهم کند. این رویکرد برای معماران، مهندسان عمران، مالکان ساختمان و مسئولان پایداری که به دنبال راه‌حل‌های یکپارچه کارآمد انرژی هستند، مرتبط است.
چالش‌ها و چشم‌انداز تجاریسازی
اگرچه آزمایشهای آزمایشگاهی و پشت‌بامی امیدوارکننده‌اند، تجاریسازی مستلزم نمایش در مقیاس بزرگ، سازگاری زنجیره تأمین، تحلیل هزینه-فایده و تأیید عملکرد در اقلیم‌های مختلف است. ادغام در فرایندهای تولید سیمان موجود و جریان‌های کاری ساخت‌وساز تعیین‌کننده سرعت پذیرش بازار خواهد بود. با این حال، این تحقیق گامی معنی‌دار برای مواد سازگار با اقلیم محسوب میشود و نشان میدهد چگونه علم مواد، طراحی تولید و یادگیری ماشین می‌توانند در کاهش تقاضای انرژی ساختمان‌ها همگرا شوند.
نتیجه‌گیری
سیمان سوپرکول — ساخته‌شده از مواد معدنی رایج و میکروساختاردهی‌شده برای بازتاب نور و تابش گرما — مسیری عملی به سوی خنک‌سازی پسیو ارائه میدهد که میتواند تقاضای تهویه مطبوع را کاهش دهد، انتشار کربن را پایین آورد و زیست‌پذیری شهری را بهبود بخشد. در صورت مقیاس‌پذیری و پذیرش، این نوآوری میتواند به ابزاری مهم در ساخت‌وساز کم‌انرژی و کم‌کربن تبدیل شود.
منبع: techxplore
.avif)
نظرات