10 دقیقه
پنجرهها برای تأمین نور روز و دید به بیرون ضروری هستند، اما همزمان یکی از بزرگترین منابع انتقال حرارت در ساختمانها محسوب میشوند. پژوهشگران دانشگاه کلرادو بولدر یک مادهٔ عایق تقریباً شفاف به نام MOCHI توسعه دادهاند که وعده میدهد انتقال حرارت از طریق شیشه را بدون مسدود کردن نور کاهش دهد — تحولی بالقوه در شیوهٔ گرمایش، سرمایش و طراحی ساختمانهای انرژیبهینه.
MOCHI چیست و چرا اهمیت دارد
MOCHI مخفف Mesoporous Optically Clear Heat Insulator است. این ماده یک ژل مبتنی بر سیلیکون مهندسیشده است که شبکهٔ وسیعی از کانالهای هوایی میکروسکوپی را در خود جای داده است، بهحدی ریز که بیش از ۹۰٪ حجم ماده را هوا تشکیل میدهد. این ساختار درونی اجازه میدهد MOCHI دو ویژگی نادر را ترکیب کند: عایق حرارتی عالی و وضوح نوری بالا، دو خاصیتی که معمولاً همزمان دیده نمیشوند.
یکی از مزیتهای کلیدی MOCHI، ویژگی بصری آن است. برخلاف بسیاری از مواد عایق که نور را پخش کرده و دید را مبهم میکنند، MOCHI تقریباً تمام نور مرئی را عبور میدهد و تنها حدود ۰.۲٪ از نور ورودی را بازتاب میکند. برای مالکین ساختمان و طراحان، این بدان معنی است که میتوان عایق را به پنجرهها افزود بدون آنکه نور روز، منظرهای خورشیدی یا ارتباط بصری با بیرون از بین برود؛ نتیجهای که در طراحی پنجرههای کممصرف و معماری سازگار با انرژی اهمیت زیادی دارد.
Abram Fluckiger holds up a sample panel square that has five sandwiched layers of a new material nearly transparent insulation material called MOCHI, which was designed buy CU Boulder researchers in physics professor Ivan Smalyukh’s lab.
چگونه ماده ساخته میشود و چگونه از انتقال حرارت جلوگیری میکند
هستهٔ عملکرد MOCHI، کنترل اندازه و چینش حفرههاست. تیم تحقیقاتی از مولکولهای سورفکتانت در محلول مایع برای شکلدادن قالبهای رشتهای استفاده میکند. مولکولهای سیلیکون این رشتهها را پوشش میدهند و سپس محققان سورفکتانت را حذف کرده و آن را با هوا جایگزین میکنند، و در نتیجه اسکلت سیلیکونی پیچیدهای با کانالهای پرشده از هوای بسیار کوچک باقی میماند. سمالیوخ این شبکهٔ کانالهای باقیمانده را «کابوس لولهکشها» توصیف کرده است، تصویری که پیچیدگی زیاد ساختار داخلی را نشان میدهد.
این کانالهای ریز، گاز داخل را در آنچه فیزیکدانها آن را «رژیم مزوپور» مینامند قرار میدهند: اندازهٔ منافذ با مسیر میانگین آزاد مولکولهای هوا قابل مقایسه یا کوچکتر است. بهجای آنکه مولکولها آزادانه با هم برخورد کرده و انرژی (حرارت) را منتقل کنند، مولکولهای گاز درون هر منفذ بهطور مکرر با دیوارههای کانال برخورد میکنند. این امر انتقال هدایتی (هدایتشده) حرارت از طریق ماده را محدود میکند، دقیقاً همانطور که در آیروجلها دیده میشود — اما با یک تفاوت مهم: MOCHI طوری طراحی شده تا پخش نور را به حداقل برساند و بنابراین شفافیت استثنایی خود را حفظ کند.
برای نشاندادن قدرت عایقبندی، تیم گزارش کرده است که یک ورق ۵ میلیمتری MOCHI میتواند در برابر شعلهای که به آن نزدیک نگه داشته میشود مقاومت کند بدون آنکه گرما به اندازهٔ کافی منتقل شود تا سوختگی در سمت دیگر ایجاد کند. این نمایش چشمگیر نشان میدهد چگونه یک مادهٔ بسیار متخلخل و با ساختار کنترلشده میتواند جریان حرارت را بهطور چشمگیری کند کند.
Shakshi Bhardwaj holds up blocks in different sizes of a new material nearly transparent insulation material called MOCHI, which was designed buy CU Boulder researchers in physics professor Ivan Smalyukh’s lab.
پنجرهها، ساختمانها و وسعت مسئله
ساختمانها تقریباً ۴۰٪ از مصرف انرژی جهانی را به خود اختصاص میدهند و بخش قابلتوجهی از این انرژی از طریق پنجرهها مبادله میشود. در زمستان، هوای گرم داخل فرار میکند؛ در تابستان، تابش خورشید و گرمای بیرون از طریق شیشه وارد میشود. راهحلهای متداول برای کاهش این تبادل عبارتاند از شیشههای دو یا سه جداره، پوششهای کمتابش (low-e)، و قابهای پنجرهٔ عایقشده — که همگی تا حدی مؤثرند اما گاهی با محدودیتهایی از نظر هزینه، وزن یا کاهش نور روز همراه هستند.
MOCHI شکافی در بازار هدفگذاری کرده است: یک پانل داخلی یا ورق نازک که بتوان آن را به پنجرههای موجود افزود تا مقاومت حرارتی را بهبود بخشد در حالی که شفافیت حفظ شود. اگر تولید در مقیاس بزرگ قابلاتکا شود، چنین رویکردی میتواند تقاضای گرمایش و سرمایش را در ساختمانهای مسکونی و تجاری کاهش دهد، هزینههای انرژی و انتشار کربن را پایین بیاورد و در عین حال نور روز و دید را حفظ کند. این قابلیت بازترتیب پنجرهها (retrofit) بهصورت اقتصادی میتواند نقش مهمی در برنامههای بازسازی انرژی-بهرهور داشته باشد.
Eldho Abraham, left, and Taewoo Lee, right, hold up a new window insulation material called MOCHI affixed to a thin sheet of plastic, which was designed by CU Boulder researchers in physic professor Ivan Smalyukh’s lab.
MOCHI در برابر آیروجل و دیگر عایقها
آیروجلها شناختهشدهترین عایقهای فوقسبک هستند و در کاربردهای خاصی از جمله قطعات فضایی ناسا مورد استفاده قرار میگیرند. با این حال، آیروجلها اغلب بهصورت مات یا کدر بهنظر میرسند زیرا منافذ آنها نور مرئی را پخش میکند. تیم CU Boulder بهطور عمدی منافذ MOCHI را طوری ساختاربندی کرد تا پخش نور کاهش یابد و شفافیتی نزدیکتر به شیشهٔ معمولی بهدستآید، در حالی که کارایی حرارتی آن به سطح عایقهای متخلخل پیشرفته نزدیک باقی میماند.
شیمی مادهٔ MOCHI — چارچوب ژل سیلیکونی — همچنین مزایای کاربردی دارد: مواد اولیه نسبتاً ارزان هستند و محصول قابلیت شکلگیری بهصورت ورقهای نازک یا پانلهای ضخیمتر برای مصارف مختلف را داراست. با این وجود، ساخت فعلی نیازمند کارهای آزمایشگاهی آهسته و دقیق است. نویسندگان مقالهٔ منتشرشده در Science تأکید میکنند که مقیاسبندی تولید و سادهسازی فرایندهای ساخت برای ورود MOCHI به بازار ضروری است؛ از جمله توسعهٔ روشهای roll-to-roll، قالبگیری پیوسته یا فرآیندهای قابل ریختهگری که هزینهها را کاهش داده و تولید انبوه را تسهیل کنند.
کاربردهای بالقوه فراتر از پنجره
در حالی که پنجرهها واضحترین هدف هستند، ترکیب وضوح و مقاومت حرارتی MOCHI امکانات دیگری را نیز باز میکند. تیم تحقیقاتی کاربردهایی را پیشنهاد میدهد که گرمای خورشیدی را جمعآوری یا مدیریت میکنند: جمعکنندههای حرارتی شفاف، نورگیرهای عایقشده، یا سیستمهای نصبشونده بر پنجره که نور خورشید را جذب کرده و بخشی از انرژی را به گرما برای آب یا فضای گرمایشی تبدیل میکنند. حتی در شرایط ابری هم، جمعآوری جزئی انرژی خورشیدی همراه با عایق بهتر میتواند صرفهجویی قابلمشاهدهای در انرژی ایجاد کند، بهویژه زمانی که در طراحی سیستمهای هیبریدی و بهینهسازی حرارتی ساختمانها لحاظ شود.
پژوهشگران همچنین امکان استفاده در محفظههای الکترونیکی، ابزارهای اپتیکی و هر مکانی که یک مانع حرارتی شفاف مورد نیاز باشد را مطرح میکنند. از آنجا که MOCHI تنها کسری اندک از نور مرئی را بازتاب میدهد، میتواند در سیستمهای نما (فاصاد) و محصولات قابل بازسازی بدون تغییر محسوس در ظاهر ساختمان، ادغام شود؛ این ویژگی برای معماران و مهندسان سازه که به حفظ زیباییشناسی و عملکرد انرژی همزمان نیاز دارند اهمیت دارد.
چالشها در مسیر تجاریسازی
علیرغم نتایج امیدبخش آزمایشگاهی، موانعی وجود دارد. سنتز کنونی زمانبر است و برای نمونههای کوچک بهینه شده؛ دوام بلندمدت و پایداری در برابر اشعهٔ فرابنفش (UV) در شرایط واقعی آبوهوا باید تأیید شود؛ و فرایندهای تولید باید برای تولید با مساحت وسیع و از لحاظ هزینهای مقرونبهصرفه سازگار شوند. علاوه بر این، پارامترهای کیفیت نوری و حرارتی در تولید انبوه باید کنترل شوند تا انحرافات در شفافیت یا هدایت حرارتی به حداقل برسد.
با این حال، تیم پژوهشی نسبتاً خوشبین است که سادهسازیهای فرایندی و روشهای تولید پیوسته مانند roll-to-roll، قالبگیری شیت یا فناوریهای خود-آرایی میتوانند در نهایت MOCHI را به گزینهای عملی برای نصبهای پسینی (retrofit) یا نصب در کارخانه تبدیل کنند. هزینه-فایدهٔ نهایی بسته به دوام محصول، هزینهٔ مواد اولیه، و میزان صرفهجویی انرژی در طول عمر مفید خواهد بود؛ ارزیابی چرخهٔ حیات (LCA) و تحلیل سرمایهگذاری در پروژههای آزمایشی بزرگتر از گامهای منطقی بعدی خواهد بود.
دیدگاه کارشناسی
"MOCHI نشان میدهد چگونه طراحی ریزساختار میتواند دو خواستهٔ رقابتی — وضوح اپتیکی و مقاومت حرارتی — را با هم آشتی دهد،" دکتر مایا اورتگا، دانشمند مواد که روی عایقهای متخلخل پژوهش میکند (کارشناس فرضی) میگوید. "اگر تیم بتواند روشهای آزمایشگاهی را به تولید پیوسته ترجمه کند، این میتواند تحول بزرگی در استراتژیهای بازترتیب برای ساختمانهای موجود و پروژههای جدید باشد. کلید موفقیت دوام و هزینه در مقیاس است."
ایوان سمالیوخ، نویسندهٔ ارشد و استاد فیزیک در CU Boulder، هدف را ساده بیان کرد: "مهم نیست دمای بیرون چه باشد؛ ما میخواهیم مردم در داخل ساختمان دمای راحت داشته باشند بدون اینکه انرژی را هدر دهند." مقالهای که MOCHI را گزارش کرده در تاریخ ۱۱ دسامبر در Science منتشر شد و تأیید همتا-بازبینی جزئی از مفهوم اصلی را ارائه داد در حالی که کار مهندسی و تجاریسازی را به عنوان گامهای بعدی برجای گذاشت.
پژوهشگران و حرفهایهای حوزهٔ ساختمان با دقت مشاهده خواهند کرد که چگونه MOCHI از نمایش آزمایشگاهی چشمگیر به محصولی عملی تبدیل میشود. اگر این پل عبور شود، این ماده میتواند اجازه دهد پنجرههایی شفافتر و انرژیبهرهورتر داشته باشیم که دید و نور روز را حفظ میکنند — و بهطور چشمگیری انرژی مورد نیاز برای گرمایش و سرمایش ساختمانها را کاهش دهند. در مجموع، MOCHI میتواند یک گزینهٔ کلیدی در مجموعه فناوریهای بازسازی انرژی-کارآمد و طراحی معماری پایدار باشد، بهخصوص اگر فرایند تولید، دوام و مقرونبهصرفهبودن آن اثبات شود.
منبع: scitechdaily
نظرات
سیتیلاین
دیدگاه متعادلیه، کاربردها فراتر از پنجرهها جذابه — مخصوصا جمعآوری حرارت خورشیدی. اما در نهایت هزینه و طول عمر تعیینکنندهست
لابکور
بیش از حد هیجانزده نشید، مقاله جالبه اما تولید انبوه و مقاومت در برابر UV چی میشه؟ feels overhyped ولی ایده خوبیه، تست طولانی لازمه
توربو
من تو کار خنککنندگی سرورها تجربه دارم، چیزایی شبیه دیدم ولی نه اینقدر شفاف. اگه MOCHI تو پنجره جواب بده عالیه 🙂 ولی نصبش چطوریه؟
کوینپایل
این همه خوبه اما سوالم اینه: در مقیاس صنعتی هم همین خواص حفظ میشه؟ فرایندها که فعلاً آزمایشگاهیه... شک دارم ولی امیدوارم اشتباه باشم
رودایکس
وای، واقعاً انتظار نداشتم! شیشه عایق اما شفاف؟ اگه قیمت معقول باشه، میتونه تغییر بزرگی ایجاد کنه، امیدوارم دوام داشته باشه
ارسال نظر