سيعاني الناس في جميع أنحاء العالم من أيام أكثر من الحر الشديد مع استمرار تغير المناخ. ستكون تلك الأيام غير مريحة في أحسن الأحوال. وفي أسوأ الأحوال ستهدد الحرارة المفرطة حياة الناس.

أدى انقطاع التيار الكهربائي إلى إغلاق أجهزة تكييف الهواء لمئات الآلاف من الأشخاص في ولاية أوهايو الصيف الماضي. بلغت درجات الحرارة في كولومبوس في 14 تموز 34 درجة مئوية. بين عشية وضحاها، لم تصبح درجة الحرارة المؤقتة أكثر برودة من 25 درجة مئوية. نتيجة لذلك، ظلت المنازل ساخنة وخانقة. أدى تغير المناخ إلى جعل تلك الليلة الحارة تتكرر بوتيرة أكبر.

كثير من الناس الذين أصيبوا بهذه النوبات الحارة لم يكن لديهم مكيف للهواء. على سبيل المثال، نادراً ما رأى الناس في أجزاء من إنجلترا وشمال غرب المحيط الهادئ أي حاجة لها.

مع استمرار ارتفاع حرارة الكوكب، يواجه الناس حول العالم المزيد من الأيام الحارة جداً. يمكن أن تؤدي الحرارة الشديدة إلى تفاقم المشاكل الصحية - وفي بعض الأحيان تكون قاتلة. كما أن الطقس الحار يجعل من الصعب على الناس العمل بفعالية. لذلك ليس من المستغرب أنه في عالم حار، سيحتاج الكثير من الناس إلى طرق للبقاء في جو بارد.

ومع ذلك، يمكن للكهرباء الإضافية، التي سوف تستخدم لمزيد من تكييف الهواء، إجهاد شبكة الطاقة الكهربائية. حذر تقرير صدر في كانون الثاني 2022 في دورية "مستقبل الأرض" من أن بعض الأماكن في الولايات المتحدة قد تشهد المزيد من انقطاع التيار الكهربائي.

روهيني كومار هو مؤلف مشارك لتلك الدراسة. يعمل في مركز هيلمهولتز لأبحاث البيئة- UFZ في لايبزيغ، ألمانيا. يلاحظ كومار أن معظم الناس في الولايات المتحدة لديهم بالفعل مكيفات هواء. ولكن في أجزاء أخرى كثيرة من العالم، مثل الهند، قلة من الناس لديهم مكيفات هواء في المنزل. إن إضافة مكيف هناك سيزيد من استخدام الكهرباء. في الوقت الحالي، يمكن فقط للفحم أو النفط أو الغاز توفير ما يكفي من الكهرباء لذلك. تنبعث من هذه الأنواع من الوقود الكثير من الغازات المسببة للاحتباس الحراري، والتي تؤدي إلى تغير المناخ.

في كل عام، تطلق طاقة التبريد حوالي 1.95 مليار طن متري من غازات الدفيئة في الغلاف الجوي. هذا ما يقرب من 4 في المائة من الانبعاثات العالمية. والأكثر من ذلك، أن العديد من أنظمة التكييف اليوم تستخدم سوائل ممتصة للحرارة تسمى المبردات، وهي نفسها غازات دفيئة. يمكن لهذه الغازات أن تتسرب من وحدات التكييف إلى الغلاف الجوي.

يعمل المهندسون على طرق جديدة وأفضل للتبريد. تعمل بعض أنظمة التكييف هذه على كهرباء أقل وتتخلص من المبردات الضارة بيئياً. ستساعد الابتكارات الأخرى في إبقاء حرارة الصيف بعيدة عن المباني، ولا حاجة للمزيد من الكهرباء. تتراوح الخيارات الناشئة من التكنولوجيا الفائقة إلى البساطة. لكن يمكنها قريباً مساعدة الناس في جميع أنحاء العالم على التعامل بشكل أفضل مع ارتفاع درجة حرارة الأرض.

طرق جديدة للتبخر

يعمل المهندس الميكانيكي إيريك كوزوبال في المختبر الوطني للطاقة المتجددة في غولدن في كولورادو، وهو مؤلف دراسة في نيسان 2022. وجدت مجموعته أن أكثر من نصف غازات الدفيئة المرتبطة بمكيفات الهواء اليوم تأتي من إنتاج الطاقة لتشغيل هذه المكيفات. يأتي معظم الباقي من المبردات الخاصة بها. تأتي حصة أصغر من تصنيع مكيفات الهواء.

تعمل أنظمة التكييف على نقل الحرارة خارج المباني من خلال التبريد التبخيري. في الأساس عندما يتبخر السائل، يمكن للبخار الناتج أن يحمل الحرارة بعيداً. هذه هي نفس العملية التي تجعلك تشعر بالبرودة عندما تخرج من حمام السباحة ويتبخر الماء من بشرتك. تقوم وحدات التكييف الحالية بالتبريد بالتبخير باستخدام مبردات غازات الاحتباس الحراري. لكن فريق كوزوبال صمم نظاماً جديداً يقوم بالتبريد بالتبخير بالمياه المالحة.

لا يلغي التصميم الجديد الملوثات للمبردات فحسب. يمكنه أيضاً تبريد الهواء بشكل أكثر كفاءة. لماذا؟ نظراً لأن الإعداد الجديد يستخدم الماء المالح الخاص به لتجفيف الهواء فإنه يبرد. تمتص الأملاح الموجودة في الماء، مثل كلوريد الليثيوم أو أسيتات البوتاسيوم، الرطوبة من الهواء. والتبريد بالتبخير أسهل بكثير مع الهواء الجاف. ربما تكون قد اختبرت هذا بنفسك. فكر كيف يمكنك أن ترتجف عند خروجك من حمام السباحة في الهواء الجاف، حتى عندما يكون الجو حاراً في الخارج، كما يقول كوزوبال. تشعر بالبرودة أسرع بكثير مما تحصل عليه في الهواء الرطب لحمام السباحة الداخلي.

يقول كوزوبال إن النظام الجديد يمكنه تبريد الهواء باستخدام سدس كمية الكهرباء التي تستخدمها وحدات التكييف القياسية. يعتمد مقدار الطاقة التي تحتاجها على مدى رطوبة المنطقة المحلية.

تستخدم تقنية تبريد جديدة أخرى الماء كمبرد بدلاً من السوائل التي تعمل مثل غازات الاحتباس الحراري. يحرك الهواء الداخل عبر سلسلة من الأنفاق الخزفية المسامية.

يستخدم نظام التبريد التبخيري الذي طوره معهد Wyss بجامعة هارفارد قنوات منفصلة من الهواء الرطب والجاف لتبريد الغرفة. يتدفق الهواء الساخن إلى الوحدة. يتدفق الهواء البارد الجاف من نصف أنفاق النظام إلى الغرفة. بينما الرطوبة الزائدة من النصف الآخر من أنفاق النظام تغادر المبنى.

يقوم النظام برش الماء على نصف الأنفاق. يمتص السيراميك بعضاً من ذلك الماء. الحرارة في تلك الأنفاق تبخر الماء. هذا يبرد من جدران النفق. ثم تخرج الرطوبة الزائدة من تلك الأنفاق.

تحتوي الأنفاق الأخرى على طبقة حاجزة تحافظ على المياه. الهواء الذي يمر من خلالها يبقى جافاً. لكن هذا الهواء يبرد أيضاً لأن الأنفاق الجافة تجلس بجوار الأنفاق التي تم رشها وتبريدها.

اختبر الفريق النظام في حزيران 2022 في منزل في كامبريدج، ماساتشوستس. على الرغم من موجة الحرارة، خفض هذا النظام درجة حرارة الغرفة بنحو 10 درجات مئوية. ويستخدم النظام طاقة أقل بدون مبردات غازات الاحتباس الحراري.

المواد الصلبة

قد تكون مواد الباروكالوريك أدوات جديدة مفيدة أيضاً للتغلب على الحرارة. تطلق هذه المواد الأنيقة الحرارة أو تمتصها استجابة لتغيرات الضغط. إن الضغط على المواد الباروكالورية يجعل جزيئاتها أكثر ترتيباً. هذا يجعل المواد تطلق الطاقة في شكل حرارة. على الجانب الآخر تصبح الجزيئات في هذه المواد أكثر اضطراباً عندما ينخفض الضغط عليها. في هذه العملية، تمتص الجزيئات الطاقة وتبرد الفراغ المحيط بها.

غراد ماسون هو عالم كيمياء غير عضوية في جامعة هارفارد يعمل مع هذه المواد. تشتمل المواد على بعض أنواع البلورات المعروفة باسم البيروفسكايت. وجد فريق ماسون طريقة لجعل البيروفسكايت يطلق أو يمتص الطاقة بعشرات أو مئات من أشرطة الضغط، بدل الآلاف. من بين أشياء أخرى، يستخدم التصميم الجديد للمجموعة بيروفسكايت ثنائي الأبعاد، بدلاً من قطع البلورات ثلاثية الأبعاد.

يقول ماسون: "نعتقد أنه يمكننا صنع أجهزة ... يمكن استخدامها للتدفئة والتبريد". أجهزة تسمى مضخات الحرارة تفعل ذلك الآن. يقول ماسون إن تطبيق الضغط وإطلاقه على المواد ذات الضغط المنخفض من المحتمل أن يستهلك طاقة أقل من أنظمة التدفئة والتبريد الحالية. نتيجة لذلك، من المحتمل أن تحتاج الأجهزة الجديدة المصنوعة من البيروفسكايت إلى كهرباء أقل. بالإضافة إلى ذلك، لن يستخدموا مبردات ضارة بالبيئة. يعمل الباحثون الآن على تعزيز كفاءة تبريد المواد.

العناصر الأرضية النادرة المختلفة، مثل الغادولينيوم، لها خصائص مغناطيسية. إن تشغيل أو إيقاف تشغيل الحقول المغناطيسية من حولها - وفي الوقت المناسب تماماً - من شأنه أن يوفر دفعات من التبريد. يمكن للمياه التي يتم ضخها حول المادة أن تحمل الحرارة التي تمتصها جزيئات المواد المختلطة.

يقول فيتاليج بيكارسكي عالم المواد في مختبر أميس الوطني وجامعة ولاية أيوا في أميس: إن التفاعلات بين هذه المواد والمجال المغناطيسي هي التي تدعم التأثير حقاً. وقال إن أنظمة التبريد المصنوعة من مواد مغناطيسية يجب أن تحتاج إلى طاقة أقل بحوالي الثلث من مكيفات الهواء الحالية لتبريد الهواء.

وأضاف: "نحن نعرف كيف نصمم الجهاز". لكن المغناطيسات ذات المجالات المغناطيسية القوية الكافية للقيام بذلك غالية الثمن. "إذا تمكنا من تصميم مواد أفضل يمكنها العمل في مجال مغناطيسي أقل، فسيؤدي ذلك إلى خفض التكلفة".

ستحتاج مبردات الباروكالوريك إلى الكهرباء لضغط المواد. وستحتاج المبردات المغناطيسية أيضاً إلى الكهرباء لتشغيل مجالاتها المغناطيسية. بعض استراتيجيات التبريد الأخرى لن تحتاج إلى أية كهرباء على الإطلاق. تسمى هذه الاستراتيجيات بتقنيات التبريد السلبي.

على سبيل المثال، يمكن لطلاء نافذة جديد أن يمنع أشعة الشمس الدافئة. يسمح الطلاء بدخول الضوء المرئي ولكنه يحجب الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. لا يمكن رؤية الضوء في تلك الأطوال الموجية. لكن يمكن الشعور بضوء الأشعة تحت الحمراء كحرارة. والأشعة فوق البنفسجية تسبب حروق الشمس. يطلق غطاء النافذة الجديد أيضاً الحرارة بعيداً عن النافذة بطول موجي يمكن أن ينتقل عبر الهواء إلى الفضاء. كل هذا يساعد في الحفاظ على الهواء الداخلي بارداً بشكل نسبي.

طور باحثون في بريطانيا طلاء نوافذ آخر مزدوج المهام. في الطقس الحار، سيمنع موجات الأشعة تحت الحمراء القريبة التي تحمل الحرارة. وفي الطقس البارد سيسمح لتلك الموجات بالمرور عبر نافذة لتدفئة الداخل. وفي جميع الأوقات تظل النوافذ شفافة للضوء المرئي.

تعد النباتات الخضراء التي تزرع على جدران المبنى أو بالقرب منها استراتيجية "عكسية" للحفاظ على برودة الهيكل. فالماء منتج ثانوي للنباتات التي تصنع طعامها من أشعة الشمس. وعندما يتبخر هذا الماء، فإنه يبرد الهواء حول النباتات. كما توفر المساحات الخضراء بعض الظل من أشعة الشمس.

تم تصميم طرق التبريد الأخرى للأسطح والجدران. على سبيل المثال، قامت بيتا باراميتا بالتحقيق في كيف يمكن لطبقة طلاء بسيطة أن تساعد في الحفاظ على برودة المباني دون تكييف الهواء. باراميتا مهندسة معمارية في جامعة إندونيسيا في باندونغ.

تعكس الألوان الفاتحة أشعة الشمس الدافئة بشكل أفضل من الألوان الداكنة. لذلك قبل وبعد طلاء الأسطح الداكنة بلون فاتح، قام فريق باراميتا بقياس درجة حرارة المبنى. ووجدوا أنه اعتماداً على نوع السقف يمكن أن يترك اللون الفاتح مساحة المعيشة تحته أكثر برودة بما يقرب من 5 درجات مئوية من المعتاد.

بحلول عام 2050 ستواجه معظم نيجيريا أكثر من 50 يوماً إضافياً من الحر الشديد كل عام. في تلك الأيام، سيجعل مزيج الحرارة والرطوبة الشعور بأن درجة الحرارة أعلى من 39.4 درجة مئوية. وهذه المشكلة لن تصيب نيجيريا فقط. في جميع أنحاء العالم من المرجح أن يرتفع عدد الأيام التي تكون فيها درجات الحرارة الخطرة بحلول نهاية هذا القرن من ثلاثة إلى عشرة أضعاف.

للتأقلم مع عالمنا الدافئ، من المهم "التفكير خارج المألوف" حسب قول ألفارينجا من جامعة هارفارد. إذ بعد كل شيء لا يجب أن تكون الحلول من "مقاس واحد يناسب الجميع".

----

بقلم: كاثيان كوالسكي

ترجمة عن موقع: Science News Explores