نجات شهرها را از گرمای خطرناک با فناوری‌های جالب

به نقل از نیچر، دمای بالا باعث کمبود آب، آسیب به محصولات کشاورزی، فشار بر شبکه‌های برق و فشار گرمایی و مرگ و میر دسته جمعی می‌شود که براساس یک تخمین انجام شده، سالانه نزدیک به ۵۰۰ هزار نفر را می‌کشد. بنابراین دانشمندان به سختی تلاش می‌کنند تا راه‌های نوآورانه‌ای برای خنک کردن شهرها و کاهش مصرف برق در جهانِ در حال گرم شدن ایجاد کنند. پیشرفت‌ها از سیستم‌های تهویه مطبوع با راندمان بالا گرفته تا مواد خاصی که سطوح را بدون استفاده از برق سردتر از محیط اطراف خود نگه می‌دارند، متغیر است.

تحقیقات در مورد تبرید

در بیشتر سیستم‌های تهویه مطبوع و یخچال‌ها، مایعی فشرده می‌شود تا گرما را از داخل اتاق یا دستگاه به بیرون منتقل کند. اما این فرآیند گازهای گلخانه‌ای منتشر می‌کند و انرژی را از بین می‌برد. به گفته آژانس بین‌المللی انرژی، در سطح جهانی، تهویه مطبوع و پنکه‌های برقی حدود ۲۰ درصد از برق مصرفی در ساختمان‌ها را مصرف می‌کنند. این آژانس پیش‌بینی می‌کند که میزان انرژی مورد نیاز برای تهویه مطبوع در سراسر جهان تا سال ۲۰۵۰ سه برابر خواهد شد.

با در نظر گرفتن این موضوع، بسیاری از محققان در تلاش هستند تا میزان انرژی مصرفی دستگاه‌های تهویه مطبوع را کاهش دهند. یک راه حل بالقوه در سال گذشته پدیدار شد، زمانی که گروهی از محققان فناوری‌ را توسعه دادند که ممکن است باعث شود دستگاه‌ها بسیار کارآمدتر عمل کنند که مزیت عدم تکیه بر خنک کننده‌های 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 فرآیند، یک میدان الکتریکی برای تغییر موقعیت اتم‌ها بر یک سرامیک عایق اعمال می‌شود. از آنجایی که این میدان، حرکات اتم‌ها را محدود می‌کند، ارتعاشات آنها افزایش می‌یابد و به گرما تبدیل می‌شود و دمای مواد را افزایش می‌دهد. یک مایع، گرما را به بیرون می‌برد. پس از حذف گرما، میدان خاموش می‌شود و اتم‌های سرامیک می‌توانند آزادانه‌تر حرکت کنند. این باعث می‌شود لرزش آنها کاهش یابد و دمای سرامیک کاهش یابد، تغییری که می‌تواند برای اهداف خنک کننده استفاده شود.

این دستگاه با همکاری شرکت سازنده ژاپنی موراتا(Murata) در ناگاوکاکیو(Nagaokakyo) طراحی شده است که در حال حاضر این نوع سرامیک‌ها را برای تلفن‌های همراه، رایانه و سایر سخت افزارها تولید می‌کند. دفای می‌گوید که این به مقیاس‌پذیری فناوری کمک می‌کند. اما او هشدار می‌دهد که ورود آن به محصولات ممکن است زمان بر باشد. او امیدوار است که با تیمش بتوانند در عرض پنج سال روی اولین موارد خاص مانند خنک کردن باتری در خودروهای 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 می‌شوند ممکن است بتوانند بدون نیاز به برق، دما را کاهش دهند.

همه مواد، بخشی از نور خورشید را که به آنها برخورد می‌کند منعکس می‌کنند و همگی انرژی را به صورت گرما ساطع می‌کنند. اما مواد فوق خنک هر دوی این کارها را بسیار خوب انجام می‌دهند. آنها بیشتر تابش خورشید را منعکس می‌کنند و مقدار زیادی از تابش گرمایی را ساطع می‌کنند. این باعث می‌شود خنک‌تر از دمای محیط خود بمانند.

دیوید سیلر(David Sailor)، مدیر دانشکده علوم جغرافیایی و برنامه‌ریزی شهری در دانشگاه ایالتی آریزونا که این فناوری‌ها را توسعه نمی‌دهد، اما نحوه استفاده از آنها در محیط‌های شهری را مطالعه می‌کند می‌گوید: این مواد به طور بالقوه متحول کننده هستند. آنها نه تنها می‌توانند به خنک کردن ساختمان‌ها کمک کنند و تقاضا برای تهویه مطبوع را کاهش دهند، بلکه می‌توانند هوای بیرون را نیز خنک کنند. او می‌گوید: اگر سطحی همیشه خنک‌تر از هوای اطرافش باشد، آن سطح همیشه گرما را از هوا خارج می‌کند و بنابراین به طور فعال فضای شهری خنک می‌شود.

اولین ماده فوق خنک در سال ۲۰۱۴ طراحی شد، زمانی که آسوات رامان(Aaswath Raman)، دانشمند مواد در حال انجام تحقیقات در دانشگاه استنفورد، بود. او و همکارانش سطح خنک‌کننده‌ای ایجاد کردند که تابش خورشید را به شدت بازتاب می‌کرد.

فناوری رامان که بر روی سقف نصب شده بود و از هفت لایه متناوب دی اکسید سیلیکون و دی اکسید هافنیوم ساخته شده بود، پنج درجه سانتی‌گراد خنک‌تر از دمای هوای محیط باقی ماند.

از آن زمان، این حوزه شلوغ شده است. در آزمایشگاه، مواد فوق خنک به شکل پلاستیک، فلز، رنگ و حتی چوب ساخته می‌شوند و دانشمندان همچنان به پیشبرد آنها ادامه می‌دهند. در ماه ژوئیه، محققان دانشگاه سیچوان(Sichuan) در چنگدو(Chengdu)، چین گزارش دادند که محلولی از دی‌ان‌ای 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 می‌گیرد، دمای سطوح را تا ۱۶ درجه سانتی‌گراد کمتر از دمای هوای محیط، خنک می‌کند.

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 ایستگاه‌های هواشناسی برای آن روز و مکان اندازه‌گیری کرده‌اند. رامان می‌گوید: به نظر می‌رسد که حسگر دمای آن‌ها در معرض خورشید قرار گرفته و داغ شده است.

با این حال، ژیان ون‌ما(Jian-Wen Ma)، محقق اصلی این مطالعه، می‌گوید که او و گروهش دمای هوا را در یک جعبه آزمایش خنک‌ کننده بسته اندازه‌گیری کردند، نه دمای جو خارجی. او می‌گوید: بحث‌های مداومی درباره روش‌های آزمایش خنک‌ کننده وجود دارد.

سطوح خنک

رامان در تحقیقات خود از مواد فوق خنک به مقوله‌ای به نام مواد خنک حرکت کرده است که معمولا طوری مهندسی شده‌اند که بیشتر تابش خورشیدی خود را منعکس می‌کنند، اما لزوما برای ساطع کردن بیشتر تشعشعات حرارتی طراحی نشده‌اند.

او می‌گوید: نیازی نیست این کار را برای تشعشعات مادون قرمز نیز انجام دهید، فقط باید واقعا منعکس‌کننده نور خورشید باشد. اکثر مواد همچنان گرما را در سراسر طیف مادون قرمز ساطع می‌کنند و اگر به اندازه کافی بازتابنده باشند، به دمای کمی پایین‌تر از دمای هوای محیط خواهند رسید.

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

گروه رامان یک راه حل بالقوه پیدا کرد. در ماه ژوئن، محققان یک مکانیسم فیزیکی را گزارش 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 به سمت آسمان و گرفتن گرمای بسیار کمتر از زمین در تابستان به این امر دست می‌یابد و در زمستان گرمای کمتری نسبت به دیوارهای معمولی به زمین منتقل می‌کند. محققان دریافته‌اند که بسیاری از مواد ارزان قیمت این ویژگی منحصر به فرد را دارند از جمله کیسه‌های پلی پروپیلن مورد استفاده برای چیپس‌ها. او می‌گوید این کشف می‌تواند برای مکان‌هایی که تهویه‌ی مطبوع ندارند، مفید باشد و می‌تواند آسایش حرارتی و حتی سلامت انسان را بهبود بخشد.

رامان می‌گوید: من می‌خواهم معماران و مهندسان، متوجه شوند که ما می‌توانیم فورا کارهای زیادی انجام دهیم و این چیزی دور از دسترس نیست.

محققان دیگری نیز روی این مشکل کار می‌کنند. گزارشی که در این ماه توسط یوان یانگ(Yuan Yang)، دانشمند مواد در دانشگاه کلمبیا در شهر نیویورک، و همکارانش انجام شد، مطالعه‌ای را توصیف می‌کند که در آن آنها یک رنگ فوق‌العاده 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 نمی‌کند. دمای سطح دیوار دو تا سه درجه سانتی گراد سردتر از دمای هوای محیط باقی ماند. این گروه در حال حاضر به دنبال بودجه برای حمایت 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 می‌کرد، شراکت کردند.

پوشش بسیار منعکس کننده نور در واقع آسفالتی با رنگ روشن است که به سادگی می‌تواند به جای پوشش تیره معمولی که هر پنج سال یا بیشتر برای حفظ سطح اعمال می‌شود، مورد استفاده قرار گیرد. این پوشش برای آزمایش روی تقریبا 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، می‌گوید در اوایل بعد از ظهر، دمای سطح پیاده‌روی خنک تقریبا هشت درجه سانتی‌گراد خنک‌تر از بقیه قسمت‌های پارک خودرو بود و دمای هوای بالای آن ۰.۸ درجه سانتی‌گراد خنک‌تر بود.

اگرچه این رقم ممکن است تغییر قابل توجهی به نظر نرسد، اما سیلر استدلال می‌کند که اگر بتوانید کل شهر فینیکس در آریزونا را ۰.۶ درجه سانتی‌گراد خنک کنید، مصرف انرژی و مصرف آب را کاهش می‌دهید و حتی نتایج سلامت انسان را بهبود می‌بخشید. 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 خانه‌ها و ساختمان‌ها در پیش گرفته‌اند. در اوایل سال ۲۰۲۳، این گروه «جوهرهای تغییر فاز دهنده» را که متشکل از نانوذرات معلق بودند و بسته به دما تغییر فاز می‌دادند و از یک ابررسانا در دماهای سرد به یک فلز در دماهای داغ‌ تغییر می‌کردند، معرفی کردند.

این ترفند به مواد اجازه می‌دهد بسته به دمای خارجی، خنک یا گرم بمانند. به طور خلاصه، هنگامی که ماده گرم می‌شود و تبدیل به فلز می‌شود، ساختاری خطی به خود می‌گیرد که می‌تواند گرمای اضافی را منعکس کند. هنگامی که خنک می‌شود و به یک ابررسانا تبدیل می‌شود، این ماده یک ساختار زیگزاگی عایق به خود می‌گیرد که اجازه ورود گرما را می‌دهد.

طاها امیدوار است در آینده از این جوهر به عنوان پوشش پنجره‌ها استفاده شود. آنها می‌گویند: اگر به ضعیف‌ترین حلقه یک ساختمان از نظر اتلاف گرما نگاه کنید، آنها پنجره‌ها هستند. ساختمانی که کاملا شیشه‌ای است، می‌تواند در یک روز گرم شبیه یک گلخانه باشد. اگر طاها و گروهش بتوانند در آینده این جوهر را به طور موثر روی پنجره‌ها اعمال کنند، ممکن است این موضوع تغییر کند. علاوه بر این، محققان می‌توانند بسته به فصل، پوشش‌های مختلفی را مهندسی کنند، 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 فناوری‌های خنک کننده بر آینده تاثیر زیادی خواهند گذاشت. بسیاری از آنها آزمایشگاه را ترک نکرده‌اند و برخی دیگر فقط در پروژه‌هایی با مقیاس کوچک مستقر شده‌اند. به همین دلیل، سیلر استدلال می‌کند که محققان باید قبل از حرکت به جلو، تمام مواد جدید را به دقت ارزیابی کنند. او می‌گوید: این واقعا مهم است که ما در جامعه علمی نه تنها بر نقاط قوت، بلکه بر نقاط ضعف آنها نیز تمرکز کنیم.

برای مثال پوشش پیاده‌روی خنک دارای یک اشکال بالقوه است که تابش را به سمت بالا منعکس می‌کند. 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 خواهد کرد. او می‌گوید که این پوشش برای مناطقی مانند زمین‌های بازی، جایی که افراد ممکن است زمان زیادی را در وسط روز روی آن بگذرانند، کمتر مناسب است. او می‌گوید، یک گزینه بهتر استفاده از آن در گذرگاه‌های عابر پیاده خیابانی است، جایی که افراد تنها چند ثانیه را روی آنها سپری می‌کنند.

همچنین 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 ممکن است کمتر موثر باشند و بخار آب تابش مادون قرمز را به دام می‌اندازد و مانع از فرار آن به فضا می‌شود. رامان، با این حال، استدلال می‌کند که مواد فوق خنک هنوز هم می‌توانند در این آب و هواها عملکرد خوبی داشته باشند. او می‌گوید حتی اگر آنها نتوانند دمای هوا را به اندازه کافی خنک کنند، آن را گرم هم نمی‌کنند.

مورد ناشناخته دیگر این است که آیا مصرف کنندگان این ایده‌ها را خواهند پذیرفت یا خیر. حتی روش ساده جایگزین کردن سقف‌های قدیمی با سقف‌های روشن‌تر و بازتابنده هنوز به‌طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته است.

با این وجود، چندین شهر در حال آزمایش و استقرار فناوری‌های مختلف کاهش دما هستند. به عنوان مثال، لس آنجلس با هدف افزایش ۳۰ درصدی سطوح خنک تا سال ۲۰۴۵، پیاده روهای خنک را اضافه کرده است.

ماتئوس سانتاموریس(Mattheos Santamouris)، فیزیکدان دانشگاه نیو ساوث ولز در سیدنی، استرالیا، و گروهش از مواد مشابه در بیش از ۳۰۰ پروژه کاهش دما در مقیاس بزرگ در سراسر جهان استفاده کرده‌اند. در ماه ژانویه، گروه او یک استراتژی چند وجهی برای خنک کردن ریاض تا دمای ۴.۵ درجه سانتیگراد ارائه کرد. سانتاموریس می‌گوید: این واقعا قهرمان پروژه‌های کاهش دما است. رویکرد توصیه‌شده، که ریاض اتخاذ آن را آغاز کرده است، شامل مقاوم‌سازی ساختمان‌ها با مواد سرد و فوق‌سرد و دو برابر کردن تعداد درختانی با آبیاری قطره‌ای است.

اگرچه این رویکرد شامل مجموعه‌ای از راه حل‌ها است، گروه سانتاموریس محاسبه کرده است که افزودن مواد فوق خنک بیشترین تأثیر را خواهد داشت.