فناوری‌های جالبی که می‌توانند شهرها را از گرمای خطرناک نجات دهند

به گزارش ایسنا. سال گذشته گرم ترین سال ثبت شده روی زمین بود و به نظر می رسد سال 2024 حتی گرمتر باشد و دمای روز در نوادا، مصر و استرالیا به نزدیک به 50 درجه سانتیگراد رسیده است. ژوئن سیزدهمین ماه متوالی گرم‌ترین ماه جهان بود و چهار روز متوالی در ماه جولای گرم‌ترین روزهای ثبت شده در کل سیاره ما بود.

بر اساس گزارش مجله نیچر، دمای بالا باعث کمبود آب، فاسد شدن محصولات کشاورزی، استرس در شبکه های برق، استرس گرمایی و مرگ و میر دسته جمعی می شود که تخمین زده می شود سالانه حدود 500000 نفر را از بین ببرد. بنابراین، دانشمندان سخت کار می‌کنند تا راه‌های نوآورانه‌ای برای خنک کردن شهرها و کاهش مصرف برق در دنیای گرم‌تر پیدا کنند. توسعه‌ها از سیستم‌های تهویه مطبوع بسیار کارآمد گرفته تا مواد خاصی که سطوح را خنک‌تر از مناطق اطراف بدون استفاده از برق نگه می‌دارند، متغیر است.

تحقیقات مربوط به تبرید

در اکثر تهویه مطبوع و یخچال، مایع تحت فشار قرار می گیرد تا گرما را از داخل اتاق یا دستگاه به بیرون منتقل کند. اما این فرآیند باعث انتشار گازهای گلخانه ای و هدر رفتن انرژی می شود. طبق گزارش آژانس بین المللی انرژی، سیستم های تهویه مطبوع و پنکه های برقی در سراسر جهان حدود 20 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 سراسر جهان تا سال 2050 سه برابر شود.

با توجه به این موضوع، بسیاری از محققان در تلاش برای کاهش مصرف انرژی کولر گازی هستند. یک راه حل بالقوه در سال گذشته ظاهر شد، زمانی که گروهی از محققین فناوری ای را توسعه دادند که می توانست دستگاه ها را کارآمدتر کند، با مزیت اضافی عدم تکیه بر مبردهای مایع مضر برای محیط زیست.

امانوئل دوای، محقق انستیتوی علم و فناوری لوکزامبورگ و همکارانش دستگاهی بر اساس خنک کننده الکتریکی ساخته اند.

در این فرآیند، یک میدان الکتریکی برای تغییر موقعیت اتم ها بر روی یک سرامیک عایق اعمال می شود. از آنجایی که این میدان حرکت اتم ها را محدود می کند، ارتعاشات آنها افزایش یافته و به گرما تبدیل می شود که باعث افزایش دمای ماده می شود. مایعی که گرما را آزاد می کند. پس از حذف گرما، میدان خاموش می شود و اتم های سرامیکی می توانند آزادانه تر حرکت کنند. این باعث کاهش لرزش و کاهش دمای سرامیک می شود، تغییری که می تواند برای اهداف خنک کننده استفاده شود.

این دستگاه با همکاری شرکت ژاپنی موراتا در ناگاوکاکیو طراحی شده است که در حال حاضر این نوع سرامیک را برای موبایل، کامپیوتر و دستگاه های دیگر تولید می کند. Devay می گوید: این به مقیاس فناوری کمک می کند. اما او هشدار می دهد که ممکن است تبدیل آن به محصول زمان بر باشد. او امیدوار است که او و تیمش بتوانند در عرض پنج سال روی اولین چیزهای خاص مانند خنک کردن باتری در خودروهای الکتریکی کار کنند. سپس شاید آنها بتوانند در دهه آینده تهویه مطبوع دریافت کنند.

تبدیل مواد

سایر اجزاء که به عنوان مواد فوق خنک کننده شناخته می شوند، ممکن است بتوانند بدون نیاز به برق دما را کاهش دهند.

همه مواد مقداری از نور خورشید را که به آنها برخورد می کند منعکس می کنند و همگی انرژی را به شکل گرما ساطع می کنند. اما مواد فوق سرد هر دو را بسیار خوب انجام می دهند. آنها بیشتر پرتوهای خورشید را منعکس می کنند و مقدار زیادی تابش گرمایی ساطع می کنند. این باعث می شود آن را خنک تر از دمای اطراف نگه دارید.

دیوید سیلور، مدیر کالج علوم جغرافیایی و برنامه‌ریزی شهری دانشگاه ایالتی آریزونا، که فناوری‌ها را توسعه نداده است، اما نحوه استفاده از آن‌ها در محیط‌های شهری را مطالعه می‌کند، می‌گوید: این مواد پتانسیل تغییرپذیری را دارند. آنها نه تنها به خنک کردن ساختمان ها و کاهش تقاضای تهویه مطبوع کمک می کنند، بلکه می توانند هوای بیرون را نیز خنک کنند. او می‌گوید: «اگر سطحی همیشه خنک‌تر از هوای اطرافش باشد، آن سطح همیشه گرما را از هوا می‌کشد و در نتیجه فضای شهری را به‌طور مؤثر خنک می‌کند».

اولین ماده فوق خنک در سال 2014 زمانی که دانشمند علم مواد، اسوات رامان در حال انجام تحقیقات در دانشگاه استنفورد بود، طراحی شد. او و همکارانش یک سطح خنک کننده ایجاد کردند که به شدت نور خورشید را منعکس می کند.

فناوری رامان که بر روی سقف نصب شده و از هفت لایه متناوب دی اکسید سیلیکون و دی اکسید هافنیوم ساخته شده است، پنج درجه سانتیگراد خنک تر از دمای هوای محیط باقی مانده است.

از آن زمان میدان شلوغ شده است. در آزمایشگاه، مواد فوق سرد به پلاستیک، فلز، رنگ و حتی چوب تبدیل می شوند و دانشمندان به توسعه آنها ادامه می دهند. در ماه ژوئیه، محققان دانشگاه سیچوان در چنگدو، چین گزارش دادند که محلولی از DNA اسپرم، ماهی قزل آلا و ژلاتین تجاری را برای ایجاد یک آئروژل فوق خنک خشک کرده اند. وقتی کولر گازی در فضای باز قرار می گیرد، دمای سطح را تا 16 درجه سانتی گراد کمتر از دمای هوای محیط خنک می کند.

با این حال، رامان اعتبار نتایج این مطالعه را زیر سوال می برد. این تیم دمای هوا را 20 تا 30 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای گزارش شده توسط ایستگاه های هواشناسی برای آن روز و مکان اندازه گیری کردند. رامان می‌گوید: «به نظر می‌رسد سنسور دمای آن‌ها در معرض نور خورشید قرار گرفته و داغ شده است.

با این حال، Jian Wen Ma، محقق اصلی این مطالعه، می‌گوید که او و تیمش دمای هوا را در یک جعبه تست برودتی بسته اندازه‌گیری کردند، نه دمای هوای بیرون را. او می‌گوید: «بحثی در مورد روش‌های تست خنک‌کننده وجود دارد.

سطوح خنک

رامان در تحقیقات خود از مواد فوق سرد به طبقه ای به نام مواد سرد که معمولاً برای انعکاس بیشتر تابش خورشیدی خود طراحی شده اند، حرکت کرد، اما لزوماً تشعشعات گرمایی زیادی ساطع نمی کنند.

او می‌گوید: «نیازی نیست این کار را برای مادون قرمز نیز انجام دهید، فقط باید واقعاً نور خورشید را منعکس کنید. بیشتر مواد هنوز هم در سراسر طیف مادون قرمز گرما ساطع می کنند و اگر به اندازه کافی بازتابنده باشند، به دمایی درست کمتر از دمای هوای محیط خواهند رسید.

رامان همچنین روی نوع دیگری از متریال برای سطوح عمودی مانند نمای ساختمان کار کرده است. این یک کاربرد دشوار است زیرا دیوارها هم رو به آسمان و هم به زمین هستند و در تابستان گرما را از زمین جذب می کنند و در زمستان گرما را به آن منتقل می کنند.

گروه رامان یک راه حل بالقوه پیدا کرده است. ژوئن گذشته، محققان مکانیزم فیزیکی را اعلام کردند که بر اساس یک ماده خاص برای خنک کردن یا گرم کردن دیوارها بسته به فصل، متکی است. این پوشش با از دست دادن انتخابی گرما در آسمان، جذب گرمای بسیار کمتر از زمین در تابستان و انتقال گرمای کمتری به زمین در زمستان نسبت به دیوارهای سنتی به این مهم دست می یابد. محققان دریافته اند که بسیاری از مواد ارزان قیمت این ویژگی منحصر به فرد را دارند، از جمله کیسه های پلی پروپیلن که برای ساخت تراشه ها استفاده می شود. او می گوید این کشف می تواند برای مکان های بدون تهویه مطبوع مفید باشد و می تواند آسایش حرارتی و حتی سلامت انسان را بهبود بخشد.

رامان می‌گوید: «من می‌خواهم معماران و مهندسان بفهمند که ما می‌توانیم کارهای زیادی را در یک زمان انجام دهیم، و این دست نیافتنی نیست.

محققان دیگری نیز روی این مشکل کار می کنند. گزارشی که در این ماه توسط یوان یانگ، دانشمند مواد در دانشگاه کلمبیا در شهر نیویورک و همکارانش منتشر شد، مطالعه‌ای را شرح می‌دهد که در آن آنها یک پوشش فوق‌سرد را روی یک دیوار موج‌دار اعمال کردند، اما فقط در دو طرف یک الگوی آسمانی موج‌مانند. سپس فلز را با جذب حرارت کم در سمتی رو به زمین قرار دادند و مطمئن شدند که این طرف گرمای اضافی را جذب نمی کند. دمای سطح دیوار دو تا سه درجه سانتیگراد سردتر از دمای هوای محیط باقی ماند. این گروه در حال حاضر به دنبال بودجه برای حمایت از توسعه بیشتر است.

فناوری های دیگر در تلاش هستند تا شهرها را از پایه خنک کنند. سپتامبر گذشته، گروهی از دانشگاه ایالتی آریزونا در تمپ، به رهبری سلرز، با یک شرکت آمریکایی که یک مرکز خرید بزرگ را برای استقرار و آزمایش یک “سطح راه رفتن سرد” بازتابنده اداره می کند، شریک شدند.

لایه بسیار بازتابنده در واقع یک آسفالت با رنگ روشن است که می تواند به سادگی به جای رنگ تیره معمولی که هر پنج سال یا بیشتر برای حفظ سطح اعمال می شود، اعمال شود. این رنگ برای آزمایش روی تقریباً 6000 متر مربع از پارکینگ مرکز اعمال شد و با یک پوشش معمولی احاطه شد و به Sayler و تیمش اجازه داد این دو را با هم مقایسه کنند.

تفاوت شب و روز بود. سلرز که هنوز نتایج خود را منتشر نکرده است، می‌گوید تا اوایل بعد از ظهر، دمای سطح سرد روسازی حدود 8 درجه سانتی‌گراد خنک‌تر از بقیه قسمت‌های پارکینگ بود و دمای هوای بالا 0.8 درجه سانتی‌گراد خنک‌تر بود.

در حالی که این عدد ممکن است تغییر بزرگی به نظر نرسد، سلرز می‌گوید که اگر بتوانید کل شهر فینیکس، آریزونا را 0.6 درجه سانتی‌گراد خنک کنید، مصرف انرژی و مصرف آب را کاهش می‌دهید و حتی نتایج را بر سلامت انسان بهبود می‌بخشید. او تخمین زد که کاهش تهویه مطبوع به تنهایی حدود 20 میلیون دلار صرفه جویی می کند.

مواد تغییر شکل

محمد طاها، مهندس دانشگاه ملبورن استرالیا و تیمش رویکرد متفاوتی را برای خنک کردن خانه ها و ساختمان ها در پیش گرفتند. در اوایل سال 2023، این گروه “جوهرهای تغییر فاز” متشکل از نانوذرات معلق را معرفی کردند که بسته به دما تغییر فاز می‌دهند و از یک ابررسانا در دماهای سرد به یک فلز در دماهای گرم تغییر می‌کنند.

این ترفند به مواد اجازه می دهد بسته به دمای بیرون خنک یا گرم بمانند. به طور خلاصه، هنگامی که یک ماده گرم می شود و به فلز تبدیل می شود، ساختاری خطی به خود می گیرد که می تواند گرمای اضافی را منعکس کند. هنگامی که این ماده برای تبدیل شدن به یک ابررسانا سرد می شود، ساختار زیگزاگی عایق به خود می گیرد که اجازه می دهد گرما از آن عبور کند.

طاها امیدوار است در آینده از این جوهر به عنوان پوشش پنجره استفاده شود. آنها می گویند: اگر به ضعیف ترین حلقه یک ساختمان از نظر اتلاف گرما نگاه کنید، آن پنجره ها است. ساختمانی که تماماً از شیشه ساخته شده است می تواند در یک روز گرم مانند یک گلخانه به نظر برسد. اگر طاها و تیمش بتوانند در آینده به طور موثر این جوهر را روی ویندوز اعمال کنند، ممکن است تغییر کند. علاوه بر این، محققان می‌توانند لایه‌های مختلفی را بسته به فصل مهندسی کنند و آنها را لایه‌بندی کنند تا ساختمان را در تابستان خنک و در زمستان گرم نگه دارند.

از آزمایشگاه تا شهرها

هنوز مشخص نیست که کدام یک از این فناوری های خنک کننده تأثیر عمده ای در آینده خواهد داشت. بسیاری از آنها هرگز آزمایشگاه را ترک نکردند و برخی دیگر فقط در پروژه‌های مقیاس کوچک مستقر شدند. به همین دلیل، سلرز استدلال می کند که محققان باید قبل از حرکت به جلو، تمام مواد جدید را به دقت ارزیابی کنند. او می گوید: واقعاً مهم است که ما در جامعه علمی نه تنها به نقاط قوت آنها، بلکه به نقاط ضعف آنها نیز توجه کنیم.

به عنوان مثال، رنگ سرد روسازی دارای مضرات بالقوه انعکاس تابش به سمت بالا است. هنگامی که خورشید در آسمان است، فردی که روی آن سطح می ایستد، علاوه بر تابش از بالا، تابش منعکس شده از پایین را نیز احساس می کند. او می گوید که این رنگ برای مناطقی مانند زمین های بازی کمتر مناسب است، جایی که مردم ممکن است در وسط روز زمان زیادی را صرف آن کنند. او می گوید بهترین گزینه استفاده از آن در معابر عابر پیاده است، جایی که مردم فقط چند ثانیه را صرف آن می کنند.

همچنین سوالاتی در مورد چگونگی عملکرد مواد فوق سرد در انواع مختلف آب و هوا وجود دارد. برای مثال، اگر هوا ابری یا مرطوب باشد، این مواد ممکن است کمتر موثر باشند و بخار آب تشعشعات فروسرخ را به دام بیاندازد و از فرار آن به فضا جلوگیری کند. با این حال، رامان استدلال می کند که مواد فوق سرد هنوز هم می توانند در این آب و هواها عملکرد خوبی داشته باشند. او می گوید حتی اگر نتوانند دمای هوا را به اندازه کافی خنک کنند، آن را هم گرم نمی کنند.

ناشناخته دیگر این است که آیا مصرف کنندگان این ایده ها را می پذیرند یا خیر. حتی روش ساده جایگزین کردن سطوح قدیمی با سطوح روشن تر و بازتابنده تر هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرد.

با این حال، بسیاری از شهرها در حال آزمایش و به کارگیری فناوری های مختلف برای کاهش دما هستند. به عنوان مثال، لس آنجلس پیاده روهای خنک را با هدف افزایش 30 درصدی پیاده روهای خنک تا سال 2045 اضافه کرد.

ماتیوس سانتامورس، فیزیکدان دانشگاه نیو ساوت ولز در سیدنی استرالیا و تیمش از مواد مشابه در بیش از 300 پروژه تبرید در مقیاس بزرگ در سراسر جهان استفاده کرده اند. در ژانویه، گروه او یک استراتژی چند جانبه برای خنک کردن ریاض تا 4.5 درجه سانتیگراد ارائه کرد. سانتامورس می گوید: «او واقعاً قهرمان پروژه های کاهش دما است. رویکرد توصیه شده که ریاض اتخاذ آن را آغاز کرده است، شامل مقاوم سازی ساختمان ها با مصالح سرد و فوق سرد و دو برابر کردن تعداد درختان از طریق آبیاری قطره ای است.

اگرچه این رویکرد شامل طیف وسیعی از راه حل ها است، گروه Santamores دریافتند که افزودن مواد فوق خنک کننده بیشترین تأثیر را خواهد داشت.

انتهای پیام/