في المناطق الحارة من العالم، لدى هذه التقنية الجديدة القدرة على خفض استخدام الطاقة بشكل كبير. تمثل هذه المادة خطوة إضافية في سلسلة التقنيات الجديدة التي تحدد الإجراءات التي يمكن أن تبطئ تغير المناخ، أو تقلل من آثاره أو تساعد المجتمعات على التكيف مع عالم سريع التغير.
يتطلب الأمر الكثير من الطاقة للحفاظ على برودة المباني بشكل مريح في الأجزاء الحارة من العالم. يأمل الباحثون في تقليل استخدام الطاقة من خلال طلاء جديد للنوافذ. وهو على عكس مكيفات الهواء والمراوح، لا يحتاج إلى أي مصدر من مصادر الطاقة على الإطلاق.
يوضح "تونغفي لو" أن أشعة الشمس عندما تمر عبر النوافذ، فهي مصدر كبير للحرارة في المباني. وهو يأمل في تغيير هذا الواقع. "لو" هو مهندس في جامعة نوتردام في إنديانا. وقد صمم فريقه للتو الطلاء الجديد. ووصف في مجلة "رسائل الطاقة ACS".
يحتوي ضوء الشمس على الأشعة المرئية التي يمكننا رؤيتها - والأشعة الذي لا تستطيع أعيننا رؤيتها. تقع هذه الألوان غير المرئية في أطوال موجية فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء القريبة. يمكن لجميع أنواع هذه الأشعة الثلاثة المرور عبر الزجاج. يجب أن تسمح النوافذ بمرور الضوء المرئي فقط، ولكن ليس النوعين الآخرين، كما يوضح لو. "باستثناء رفع درجة حرارة الغرفة، فهذه الأشعة لا تفعل أي شيء حقاً" كما يقول.
لقد شرع لو وفريقه في تصميم طلاء شفاف يحجب أطوال الموجات المسببة للاحترار. لكن لم يكن هدفهم إبعادها عن المباني وحسب. بل أرادوا منعها من المساهمة في تغير المناخ. لا يمكن لهذه الأطوال الموجية للضوء أن تترك الغلاف الجوي للأرض، لذا ينتهي بها الأمر بتسخين الأرض بطريقة أو بأخرى. (يمكن لأطوال موجية أخرى الهروب إلى الفضاء).
إن الطلاء المثالي من شأنه أن يفعل ثلاثة أشياء. أولاً، يجب أن يسمح بدخول أكبر قدر ممكن من الضوء المرئي. وفي الوقت نفسه، يجب أن يحجب كل الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء التي يمكنه دخولها. وأخيراً، يجب أن يشع أي طاقة حرارية بأطوال موجية من المرجح أن تهرب مرة أخرى إلى الفضاء.
يقول "لو" إن الطبقات الرقيقة للغاية من المواد مثل ثاني أكسيد السيليكون وثاني أكسيد التيتانيوم يمكن أن تتفاعل مع الضوء بطرق تساعد في تحقيق هذه الأهداف. لكن لا يمكن لأي منها أن يفعل كل شيء. لذلك قرر فريقه وضع مثل هذه المواد على طبقات، مثل كومة من الفطائر. ولكن كم عدد الطبقات التي يجب أن توضع - وبأي نمط؟ يوضح لو أن هذه الطبقات تغير كيفية تفاعل الهيكل مع أطوال موجية مختلفة من الضوء.
وقد افترضت مجموعته أن زيادة الطبقات من شأنها أن تزيد من فرص تحسين سطوع الضوء القادم. وهذا من شأنه أن يمنع الحرارة من الدخول. ولكن معرفة كيفية تحسين الطبقة وترتيب الطبقات يمكن أن يصبح معقداً للغاية مع زيادة عدد الطبقات. ما لم يكن لديك جهاز كمبيوتر كمي.
تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية بالمعلومات بطرق لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية القيام بها. وهذا يسمح لها بحل بعض أنواع المشكلات - مثل هذه المشكلة - بسرعة كبيرة.
بعد نظر
اختار الفريق أربع مواد واعدة. ثم وضعوا المشكلة على هذا النحو: رصوا تلك المواد في طبقات رقيقة للغاية، وبترتيب عشوائي في البداية. يمكن أن يكون هناك ما يصل إلى 24 طبقة. من بين جميع الترتيبات الممكنة، ما هي أفضل طريقة لإبعاد الحرارة مع السماح بدخول الضوء المرئي؟
اتضح أن هناك مئات المليارات من الترتيبات الممكنة، كما يقول لو. سيستغرق الكمبيوتر التقليدي ملايين السنين لتقييمها. أما الحاسوب الكمومي فيمكنه تقييمها في "جزء من الثانية فقط"، كما يقول لو.
لكن لم يكن كافياً النظر في كل ترتيب ممكن مرة واحدة. يقول لو: "إن العثور على أفضل حل يشبه إلى حد ما العثور على أصغر قطعة رمل على الشاطئ. مع العثور على رمل أصغر وأصغر، تحتاج إلى مسطرة أكثر دقة".
هنا، كانت "المسطرة" عبارة عن أنموذج كمبيوتر يصبح أكثر دقة مع المزيد من جولات القياس. يمكن أن يستغرق الأمر آلاف الدورات من القياس وصقل البرنامج للوصول إلى إجابة، كما يوضح لو. وبعد يومين تقريباً من إجراء الحسابات، توصل الفريق إلى مخطط الطلاء.
لقد وضعوا هذا الطلاء طبقة تلو الأخرى على شريحة زجاجية. وفي الأعلى أضافوا مادة أخيرة تسمى PDMS. تشع هذه الطبقة طاقة حرارية بأطوال موجية يمكنها الانتقال عبر الغلاف الجوي للأرض. ولا يزال من الممكن امتصاص جزء من هذا الضوء بواسطة الأجسام على الأرض. ومع ذلك، فإن معظمها سيصل إلى الفضاء، كما يقول لو.
وكانت النتيجة طلاءً شفافاً بشكل مدهش، كما وجد فريقه. وعلى الرغم من الصبغة البرتقالية الخفيفة، إلا أنها كانت شفافة للغاية بالنسبة إلى الضوء المرئي.
الطلاء الجديد
يستخدم الطلاء مواد شائعة وغير مكلفة. ولا يتطلب تقنيات غريبة. لذا يمكن ربطه بالنوافذ الجديدة أثناء تصنيعها أو إضافته إلى النوافذ الموجودة.
أرسل فريق لو عينة من النافذة إلى فينيكس بولاية أريزونا للاختبار. وبعد يوم ونصف في ذلك المناخ الحار، حافظت النافذة المعالجة على درجة حرارة غرفة الاختبار، فكانت أكثر برودة بـ 6 درجات مئوية من النافذة غير المعالجة. تشير المحاكاة إلى أنه في المناخات الحارة، يمكن لهذا الطلاء الجديد أن يقلل من الطاقة المستخدمة لتبريد المباني بنحو الثلث. (لم يختبروا كيف سيؤثر الطلاء على المنازل خلال فصول الشتاء الباردة).
يرى لو إمكانية الاستخدام الواسع النطاق لهذا الطلاء الزجاجي في البلدان ذات المناخات الحارة. لمعالجة تغير المناخ بشكل جدي، تعد المباني الموفرة للطاقة أمراً ضرورياً.
يمكن أن تكون النوافذ جزءاً من هذا الحل، وفقاً لتوماس كولب، الذي لم يشارك في هذا البحث. لكنه يعمل مهندساً مستقلاً يقدم المشورة للرابطة الوطنية للزجاج. ويشير كولب إلى أن الحفاظ على درجات الحرارة المريحة في المباني ذات النوافذ يتطلب قدراً أكبر من الطاقة. ويشير إلى أن "النوافذ تستهلك في الوقت الحالي 25% من الطاقة المستخدمة لتدفئة وتبريد المباني".
ويدعو كولب الباحثين إلى معالجة هذه المشكلة باستخدام تكنولوجيا جديدة، كما فعل فريق لو. ويقول إن عملهم هو مثال على "استخدام أدوات الكمبيوتر الحديثة لتصميم مواد متقدمة يمكن أن تساعد في تقليل استخدام الطاقة في المباني". ويقول إن هذا من شأنه في نهاية المطاف أن يقلل من انبعاثات الكربون التي تساهم في تغير المناخ.
----