كيف تحافظ على البرودة بدون أن تكلف الأرض

حوالي 6% من الكهرباء المنتجة في أمريكا تستخدم لتشغيل أنظمة تكييف الهواء التي تبرد المنازل والمكاتب. ومع نمو بلدان مثل البرازيل والصين والهند، فإنها ستقوم بنفس الشيء بالتأكيد. لا يعد ذلك فقط مكلفاً للعميل، ولكنه يرفع انبعاثات الغازات الدفيئة كذلك في صورة كلاً من ثاني أكسيد الكربون، الناتج عن حرق الوقود في محطات الكهرباء، ومُرَكبات الكلوروفلوروكربونات، التي تستخدم كمُبَردات داخل المكيفات.

كما يصف “رونجوي يانج” و”زياوبي ين” من جامعة “كلورادو” في ورقة داخل مجلة “Science” لهذا الأسبوع، فإنهم يملكون بديلاً محتملاً لكل هذا. لقد قاموا بإختراع غشاء يستطيع تبريد المباني بدون استخدام غازات التبريد، وبشكلٍ ملحوظ، بدون أن يستمد أي طاقة للقيام بذلك. والأفضل من ذلك، يمكن تصنيع هذا الغشاء باستخدام طرق تصنيع “لفة إلى لفة” العادية بتكلفة تبلغ حوالي 50 سنتًا للمتر المربع.

يعمل الغشاء الجديد بطريقة تدعى “التبريد الإشعاعي”. ويستفيد هذا من حقيقة أن الغلاف الجوي للأرض يسمح لبعض الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء التي تحمل الحرارة بالخروج إلى الفضاء دون عوائق. لذا، فقط قم بتحويل الحرارة غير المرغوب فيها إلى أشعة تحت الحمراء بالطول الموجي الصحيح، ومن ثم، يمكنك تفريغها في الفضاء بلا عودة.

دكتور يانج ودكتور ين ليسوا أول من حاول تبريد المباني بتلك الطريقة. أظهر”شنهوي فان” وزملاؤه من جامعة ستانفورد في كاليفورنيا جهازًا استخدم هذا المبدأ في عام 2014. على الرغم من ذلك، فإن مادتهم تتكون من سبع طبقات متناوبة من “ثاني أكسيد الهافنيوم” و”ثاني أكسيد السيليكون” بسمك متفاوت، مثبتة على رقاقة مصنوعة من السيليكون.

سيكون هذا صعباً ومكلفاً ليُصَنَّع بكميات كبيرة.

على الجانب الآخر، صُنِّع الغشاء الخاص بدكتور يانج ودكتور ين من مادة تدعى “بوليميثيل بنتين(polymethyl pentene)” وهي عبارة عن مادة بلاستيكية شفافة متاحة تجارياً، وتباع تحت اسم العلامة التجارية “TPX”. إضافةً إلى ذلك قاموا بخلط حبات زجاجية صغيرة. ثم قاموا بتشكيل الناتج إلى صفائح بسُمك حوالي” 50 مليون من المتر الواحد (ميكرون)”، وطَلُوا تلك الصفائح بالفضة من جانب واحد. عند وضعها علي الأسطح، يكون الجانب الفضي هو الأسفل. لذا فينعكس ضوء الشمس الساقط عليها مروراً بالبلاستيك، مما يمنع تدفق الحرارة لداخل المبنى ادناها.

ومع ذلك، فإن منع شيء من إرتفاع درجة حرارته ليس كالقيام بتبريده. المفتاح للقيام بذلك هو حبات الزجاج الصغيرة. المحافظة على درجة الحرارة ليست عملية ثابتة. كل الأجسام تقوم بامتصاص وإخراج الحرارة طوال الوقت، وعادة ما تكون الإنبِعاثات على هيئة أشعة تحت الحمراء. في حالة حبات الزجاج، فإن الطول الموجي لتلك الإنبعاثات يتحدد بناءً على قطر الحبات. ومن الواضح أن تلك التي يبلغ قطرها نحو ثمانية “ميكرون” تُخرِج انبعاثات في الغالب عند أطوال موجية تمر مباشرة عبر “نافذة” الأشعة تحت الحمراء في الغلاف الجوي.

نظرًا لأن مصدر الحرارة الذي يتحول إلى هذا النوع من الأشعة تحت الحمراء هو المبنى أدناها، فإن التأثير هو تبريد المبنى.

يعد تأثير التبريد، الذي يبلغ 93 واط لكل متر مربع في ضوء الشمس المباشر، وأكثر من ذلك ليلاً، شديداً. يُقَدِر الفريق أن 20 متر مربع من غشائهم، مثبتة فوق بيت أمريكي متوسط، كافية للحفاظ على درجة حرارة داخلية مقدرة ب 20 درجة مئوية في اليوم الذي تكون فيه درجة الحرارة الخارجية 37 درجة مئوية.

لتَنظيم كمية التبريد، يحتاج أي نظام عملي يتضمن الغشاء إلى أنابيب مياه لحمل الحرارة إليه من داخل المبنى. التحكم في معدل التدفق خلال هذه الأنابيب وتغييره مع اختلاف درجة الحرارة الخارجية سيُبقي درجة حرارة المبنى ثابتة. على عكس نظام التبريد نفسه، تحتاج تلك المضخات إلى الطاقة لِكَيْ تعمل. ولكن ليس الكثير منها. بخلاف ذلك، يتم كل العمل نتيجة فارق درجات الحرارة الكبير، حوالي 290 درجة مئوية، بين سطح الأرض والفضاء الخارجي.

ترجمة: محمد صلاح

المصادر: 1