فناوری های جالبی که می توانند شهرها را از گرمای خطرناک نجات دهند
به گزارش کارا پیام، از مواد فوق خنک که گرما را به فضا می فرستند تا مواد تغییر شکل دهنده که می توانند به صورت انتخابی گرما را دفع کنند، تنها چند مورد از گزینه هایی هستند که دانشمندان در جستجوی یافتن استراتژی های جدید برای کاهش دمای شهری به آنها دست یافته اند.
به گزارش کارا پیام به نقل از ایسنا، سال گذشته گرم ترین سال ثبت شده زمین بود و سال ۲۰۲۴ درحال تبدیل شدن به سالی حتی گرم تر است و دما در نوادا، مصر و استرالیا در روزها به نزدیک به ۵۰ درجه سانتی گراد بیشتر می شود. ماه ژوئن سیزدهمین ماه پی در پی با درجه دمای بالای هوا در سطح جهان بود و چهار روز متوالی در ماه ژوئیه تبدیل به گرم ترین روزهای ثبت شده در تاریخ کل سیاره ما شدند.
به نقل از نیچر، دمای بالا موجب کمبود آب، لطمه به محصولات کشاورزی، فشار بر شبکه های برق و فشار گرمایی و مرگ و میر دسته جمعی می شود که بر طبق یک تخمین انجام شده، سالانه نزدیک به ۵۰۰ هزار نفر را می کشد. بدین سبب دانشمندان به سختی تلاش می کنند تا راه های نوآورانه ای برای خنک کردن شهرها و کاهش مصرف برق در جهانِ درحال گرم شدن ایجاد کنند. پیشرفت ها از سیستم های تهویه مطبوع با راندمان بالا گرفته تا مواد خاصی که سطوح را بدون استفاده از برق سردتر از محیط اطراف خود نگه می دارند، متغیر است.
تحقیقات در مورد تبرید
در بیشتر سیستم های تهویه مطبوع و یخچال ها، مایعی فشرده می شود تا گرما را از داخل اتاق یا دستگاه به بیرون منتقل کند. اما این پروسه گازهای گلخانه ای منتشر می کند و انرژی را از بین می برد. بگفته آژانس بین المللی انرژی، در سطح جهانی، تهویه مطبوع و پنکه های برقی حدود ۲۰ درصد از برق مصرفی در ساختمان ها را مصرف می کنند. این آژانس پیش بینی می کند که میزان انرژی مورد نیاز برای تهویه مطبوع در سرتاسر جهان تا سال ۲۰۵۰ سه برابر خواهد شد.
با در نظر گرفتن این موضوع، خیلی از پژوهشگران در تلاش هستند تا میزان انرژی مصرفی دستگاه های تهویه مطبوع را کاهش دهند. یک راهکار بالقوه در سال قبل پدیدار شد، زمانی که تعدادی از محققان فناوری را توسعه دادند که ممکنست موجب شود دستگاهها بسیار کارآمدتر عمل کنند که مزیت عدم تکیه بر خنک کننده های مایع مضر برای محیط زیست را نیز به همراه دارد.
امانوئل دفای(Emmanuel Defay)، محقق موسسه علم و فناوری لوکزامبورگ و همکارانش دستگاهی ساختند که بر خنک کننده «الکتروکالریک»(electrocaloric) متکی است.
در این فرایند، یک میدان الکتریکی برای تغییر موقعیت اتم ها بر یک سرامیک عایق اعمال می شود. از آنجا که این میدان، حرکات اتم ها را محدود می کند، ارتعاشات آنها بیشتر می شود و به گرما تبدیل می شود و دمای مواد را بیشتر می کند. یک مایع، گرما را به بیرون می برد. بعد از حذف گرما، میدان خاموش می شود و اتم های سرامیک می توانند آزادانه تر حرکت کنند. این موجب می شود لرزش آنها کم شود و دمای سرامیک کم شود، تغییری که می تواند برای اهداف خنک کننده استفاده گردد.
این دستگاه با همکاری شرکت سازنده ژاپنی موراتا(Murata) در ناگاوکاکیو(Nagaokakyo) طراحی شده است که هم اکنون این نوع سرامیک ها را برای تلفن های همراه، کامپیوتر و سایر سخت افزارها تولید می کند. دفای می گوید که این به مقیاس پذیری فناوری کمک می نماید. اما او هشدار می دهد که ورود آن به محصولات ممکنست زمان بر باشد. او امیدوار است که با تیمش بتوانند در عرض پنج سال روی نخستین موارد خاص مانند خنک کردن باتری در خودرو های الکتریکی کار کنند. سپس، شاید آنها بتوانند در دهه آینده به تهویه مطبوع بپردازند.
مواد متحول کننده
اجزای دیگری که به عنوان مواد فوق خنک شناخته می شوند ممکنست بتوانند بدون نیاز به برق، دما را کاهش دهند.
همه مواد، قسمتی از نور خورشید را که به آنها برخورد می کند منعکس می کنند و همگی انرژی را بصورت گرما ساطع می کنند. اما مواد فوق خنک هر دوی این کارها را بسیار عالی انجام می دهند. آنها بیشتر تابش خورشید را منعکس می کنند و مقدار زیادی از تابش گرمایی را ساطع می کنند. این موجب می شود خنک تر از دمای محیط خود بمانند.
دیوید سیلر(David Sailor)، مدیر دانشکده علوم جغرافیایی و برنامه ریزی شهری در دانشگاه ایالتی آریزونا که این فناوری ها را توسعه نمی دهد، اما روش استفاده از آنها در محیط های شهری را مطالعه می کند می گوید: این مواد بطور بالقوه متحول کننده هستند. آنها نه فقط می توانند به خنک کردن ساختمان ها کمک کنند و تقاضا برای تهویه مطبوع را کاهش دهند، بلکه می توانند هوای بیرون را نیز خنک کنند. او می گوید: اگر سطحی همیشه خنک تر از هوای اطرافش باشد، آن سطح همیشه گرما را از هوا خارج می کند و بدین سبب بطور فعال فضای شهری خنک می شود.
نخستین ماده فوق خنک در سال ۲۰۱۴ طراحی شد، زمانی که آسوات رامان(Aaswath Raman)، دانشمند مواد درحال انجام تحقیقات در دانشگاه استنفورد، بود. او و همکارانش سطح خنک کننده ای ایجاد کردند که تابش خورشید را به شدت بازتاب می کرد.
فناوری رامان که بر روی سقف نصب شده بود و از هفت لایه متناوب دی اکسید سیلیکون و دی اکسید هافنیوم تولید شده بود، پنج درجه سانتی گراد خنک تر از دمای هوای محیط باقی ماند.
از آن زمان، این حوزه شلوغ شده است. در آزمایشگاه، مواد فوق خنک به صورت پلاستیک، فلز، رنگ و حتی چوب ساخته می شوند و دانشمندان همچنان به پیشبرد آنها ادامه می دهند. در ماه ژوئیه، پژوهشگران دانشگاه سیچوان(Sichuan) در چنگدو(Chengdu)، چین گزارش دادند که محلولی از دی ان ای اسپرم، ماهی آزاد و ژلاتین تجاری را برای ایجاد یک هواژل فوق خنک در حالت انجماد خشک کردند. هنگامی که هواژل در محیط بیرون قرار می گیرد، دمای سطوح را تا ۱۶ درجه سانتی گراد کمتر از دمای هوای محیط، خنک می کند.
با این وجود رامان در صحت نتایج این مطالعه تردید دارد. این تیم دمای هوا را ۲۰ تا ۳۰ درجه سانتیگراد بالاتر از دمای گزارش شده توسط ایستگاه های هواشناسی برای آن روز و مکان اندازه گیری کرده اند. رامان می گوید: بنظر می رسد که سنسور دمای آنها در معرض خورشید قرار گرفته و داغ شده است.
با این وجود، ژیان ون ما(Jian-Wen Ma)، محقق اصلی این مطالعه، می گوید که او و گروهش دمای هوا را در یک جعبه آزمایش خنک کننده بسته اندازه گیری کردند، نه دمای جو خارجی. او می گوید: بحث های مداومی درباره ی روش های آزمایش خنک کننده وجود دارد.
سطوح خنک
رامان در تحقیقات خود از مواد فوق خنک به مقوله ای به نام مواد خنک حرکت کرده است که بطور معمول طوری مهندسی شده اند که بیشتر تابش خورشیدی خودرا منعکس می کنند، اما لزوما برای ساطع کردن بیشتر تشعشعات حرارتی طراحی نشده اند.
او می گوید: نیازی نیست این کار را برای تشعشعات مادون قرمز نیز انجام دهید، فقط باید واقعا منعکس کننده نور خورشید باشد. بیشتر مواد همچنان گرما را در سراسر طیف مادون قرمز ساطع می کنند و اگر به اندازه کافی بازتابنده باشند، به دمای کمی پایین تر از دمای هوای محیط خواهند رسید.
رامان همین طور روی نوع دیگری از مواد برای سطوح عمودی مانند نمای ساختمان کار کرده است. این یک کاربرد دشوار است برای اینکه دیوارها هم رو به آسمان و هم رو به زمین هستند، بدین سبب در تابستان گرما را از زمین جذب می کنند و در زمستان گرما را به آن منتقل می کنند.
گروه رامان یک راهکار بالقوه پیدا کرد. در ماه ژوئن، پژوهشگران یک مکانیسم فیزیکی را گزارش کردند که برمبنای یک ماده خاص برای خنک کردن یا گرم کردن دیوارها بسته به فصل، متکی است. این پوشش با از دست دادن انتخابی گرما به سمت آسمان و گرفتن گرمای بسیار کمتر از زمین در تابستان به این امر دست می یابد و در زمستان گرمای کمتری نسبت به دیوارهای معمولی به زمین منتقل می کند. پژوهشگران دریافته اند که خیلی از مواد ارزان این خاصیت منحصر به فرد را دارند همچون کیسه های پلی پروپیلن مورد استفاده برای چیپس ها. او می گوید این کشف می تواند برای مکان هایی که تهویه ی مطبوع ندارند، مفید باشد و می تواند آسایش حرارتی و حتی سلامت انسان را بهبود بخشد.
رامان می گوید: من می خواهم معماران و مهندسان، متوجه شوند که ما می توانیم فورا کارهای زیادی انجام دهیم و این چیزی دور از دسترس نیست.
پژوهشگران دیگری نیز روی این مشکل کار می کنند. گزارشی که در این ماه توسط یوان یانگ(Yuan Yang)، دانشمند مواد در دانشگاه کلمبیا در شهر نیویورک، و همکارانش انجام شد، مطالعه ای را توصیف می کند که در آن آنها یک رنگ فوق العاده خنک را روی یک دیوار راه راه اعمال کردند اما فقط در دو طرف الگوی موج مانندی که رو به آسمان است. سپس آنها، فلزی را با جذب حرارت کم به سمتی که رو به زمین است، قرار دادند و اطمینان حاصل کردند که آن طرف گرمای اضافی را جذب نمی نماید. دمای سطح دیوار دو تا سه درجه سانتی گراد سردتر از دمای هوای محیط باقی ماند. این گروه هم اکنون بدنبال بودجه برای پشتیبانی از توسعه بیشتر هستند.
سایر فناوریها در تلاش هستند تا شهرها را از پایه خنک کنند. ماه سپتامبر گذشته، گروهی در دانشگاه ایالتی آریزونا در تمپ، به سرپرستی سیلر، با یک شرکت آمریکایی که مدیریت یک مرکز خرید بزرگ را برای استقرار و آزمایش یک «سطح پیاده روی خنک» بازتابنده، مدیریت می کرد، شراکت کردند.
پوشش بسیار منعکس کننده نور در حقیقت آسفالتی با رنگ روشن است که بسادگی می تواند بجای پوشش تیره معمولی که هر پنج سال یا بیشتر برای حفظ سطح اعمال می شود، مورد استفاده قرار گیرد. این پوشش برای آزمایش روی تقریباً ۶۰۰۰ متر مربع از پارکینگ این مرکز اعمال شد و اطراف آن با یک پوشش معمولی پوشانده شد که به سیلر و گروهش اجازه داد این دو را با هم مقایسه کنند.
تفاوت مثل شب و روز بود. سیلر که هنوز این یافته را منتشر نکرده است، می گوید در اوایل پس از ظهر، دمای سطح پیاده روی خنک تقریباً هشت درجه سانتی گراد خنک تر از بقیه قسمت های پارک خودرو بود و دمای هوای بالای آن ۰.۸ درجه سانتی گراد خنک تر بود.
بااینکه این رقم ممکنست تغییر قابل توجهی به نظر نرسد، اما سیلر استدلال می کند که اگر بتوانید کل شهر فینیکس در آریزونا را ۰.۶ درجه سانتی گراد خنک کنید، مصرف انرژی و مصرف آب را کاهش می دهید و حتی نتایج سلامت انسان را بهبود می بخشید. او تخمین زد که کاهش تهویه مطبوع به تنهایی حدود ۲۰ میلیون دلار صرفه جویی به همراه دارد.
مواد تغییر شکل دهنده
محمد طاها(Mohammad Taha)، مهندس دانشگاه ملبورن در استرالیا و گروهش رویکرد متفاوتی را برای خنک کردن خانه ها و ساختمان ها در پیش گرفته اند. در اوایل سال ۲۰۲۳، این گروه «جوهرهای تغییر فاز دهنده» را که متشکل از نانوذرات معلق بودند و بسته به دما تغییر فاز می دادند و از یک ابررسانا در دماهای سرد به یک فلز در دماهای داغ تغییر می کردند، معرفی کردند.
این ترفند به مواد اجازه می دهد بسته به دمای خارجی، خنک یا گرم بمانند. بطور خلاصه، هنگامی که ماده گرم می شود و تبدیل به فلز می شود، ساختاری خطی به خود می گیرد که می تواند گرمای اضافی را منعکس کند. هنگامی که خنک می شود و به یک ابررسانا تبدیل می شود، این ماده یک ساختار زیگزاگی عایق به خود می گیرد که اجازه ورود گرما را می دهد.
طاها امیدوار است در آینده از این جوهر به عنوان پوشش پنجره ها استفاده گردد. آنها می گویند: اگر به ضعیف ترین حلقه یک ساختمان از نظر اتلاف گرما نگاه کنید، آنها پنجره ها هستند. ساختمانی که کاملا شیشه ای است، می تواند در یک روز گرم شبیه یک گلخانه باشد. اگر طاها و گروهش بتوانند در آینده این جوهر را بطور موثر روی پنجره ها اعمال کنند، ممکنست این مساله تغییر کند. علاوه بر این، پژوهشگران می توانند بسته به فصل، پوشش های مختلفی را مهندسی کنند، آنها را لایه بندی کنند تا ساختمان را در تابستان خنک و در زمستان گرم نگه دارند.
از لابراتوار تا شهرها
هنوز مشخص نیست که کدام یک از این فنآوری های خنک کننده بر آینده تاثیر زیادی خواهند گذاشت. خیلی از آنها لابراتوار را ترک نکرده اند و برخی دیگر فقط در پروژه هایی با مقیاس کوچک مستقر شده اند. به همین دلیل، سیلر استدلال می کند که پژوهشگران باید پیش از حرکت به جلو، تمام مواد جدید را به دقت ارزیابی کنند. او می گوید: این واقعا مهمست که ما در جامعه علمی نه فقط بر نقاط قوت، بلکه بر نقاط ضعف آنها نیز تمرکز نماییم.
برای مثال پوشش پیاده روی خنک دارای یک اشکال بالقوه است که تابش را به سمت بالا منعکس می کند. زمانی که خورشید در بالای آسمان قرار دارد، شخصی که روی آن سطح ایستاده است، تابش منعکس شده از پایین را علاوه بر تابش از بالا احساس خواهدنمود. او می گوید که این پوشش برای مناطقی مانند زمینهای بازی، جایی که افراد ممکنست زمان زیادی را در وسط روز روی آن بگذرانند، کمتر مناسب می باشد. او می گوید، یک گزینه بهتر استفاده از آن در گذرگاه های عابر پیاده خیابانی است، جایی که افراد تنها چند ثانیه را روی آنها سپری می کنند.
همین طور سوالاتی در مورد چگونگی عملکرد مواد فوق خنک در انواع مختلف آب و هوا وجود دارد. برای مثال، اگر هوا ابری یا مرطوب باشد، چنین موادی ممکنست کمتر موثر باشند و بخار آب تابش مادون قرمز را به دام می اندازد و مانع از فرار آن به فضا می شود. رامان، با این وجود، استدلال می کند که مواد فوق خنک هنوز هم می توانند در این آب و هواها عملکرد خوبی داشته باشند. او می گوید حتی اگر آنها نتوانند دمای هوا را به اندازه کافی خنک کنند، آنرا گرم هم نمی کنند.
مورد ناشناخته دیگر این است که آیا مصرف کنندگان این ایده ها را خواهند پذیرفت یا خیر. حتی روش ساده جایگزین کردن سقف های قدیمی با سقف های روشن تر و بازتابنده هنوز به شکل گسترده مورد استفاده قرار نگرفته است.
با وجود این، چندین شهر درحال آزمایش و استقرار فناوری های مختلف کاهش دما هستند. به عنوان مثال، لس آنجلس با هدف افزایش ۳۰ درصدی سطوح خنک تا سال ۲۰۴۵، پیاده روهای خنک را افزوده است.
ماتئوس سانتاموریس(Mattheos Santamouris)، فیزیکدان دانشگاه نیو ساوث ولز در سیدنی، استرالیا، و گروهش از مواد مشابه در بالاتر از ۳۰۰ پروژه کاهش دما در مقیاس بزرگ در سرتاسر جهان بهره برده اند. در ماه ژانویه، گروه او یک استراتژی چند وجهی برای خنک کردن ریاض تا دمای ۴.۵ درجه سانتیگراد ارائه نمود. سانتاموریس می گوید: این واقعا قهرمان پروژه های کاهش دما است. رویکرد سفارش شده، که ریاض اتخاذ آنرا آغاز نموده است، شامل مقاوم سازی ساختمان ها با مواد سرد و فوق سرد و دو برابر کردن تعداد درختانی با آبیاری قطره ای است.
بااینکه این رویکرد شامل مجموعه ای از راهکار ها است، گروه سانتاموریس محاسبه کرده است که افزودن مواد فوق خنک بیشترین تأثیر را خواهد داشت.
منبع: karapayam.ir
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب