مهندسین رایس پلیمر ترموکرومیک هوشمند برای خنک‌سازی با بهره‌وری انرژی توسعه می‌دهند
پژوهشگران دانشگاه رایس ماده هوشمندی توسعه داده‌اند که شفافیت خود را با تغییر دما تنظیم می‌کند و در زمینه‌های دوام، شفافیت و پاسخگویی بهتر از مواد مشابه است.
یک مطالعه جدید که در Joule منتشر شده است، پیشنهاد می‌دهد که این مخلوط پلیمری جدید می‌تواند به طور قابل توجهی بهره‌وری انرژی برای خنک‌سازی فضاهای داخلی را افزایش دهد.
خنک شدن می‌تواند مسئله مرگ و زندگی باشد، اما سیستم‌های تهویه مطبوع ⎯ زمانی که در دسترس هستند ⎯، در حال حاضر 7٪ از مصرف انرژی جهان و 3٪ از انتشار کربن را شامل می‌شوند.
با رسیدن دما به رکوردهای جدید و افزایش فراوانی موج‌های گرما در سراسر جهان، نیاز به روش‌های کارآمدتر برای حفظ دمای داخلی نیز فوری‌تر شده است.
دور نگه داشتن حرارت
یکی از راه‌های کاهش این مشکل، پوشش دادن پنجره‌ها با موادی است که حرارت را دور نگه می‌دارد در حالی که هنوز نور را از خود عبور می‌دهند.
یک دسته از این مواد، ترموکرومیک است. با این حال، انواع موجود این مواد هنوز برای استفاده در ساختمان‌ها، وسایل نقلیه و هر جای دیگری که نیاز باشد بسیار گران‌قیمت و کوتاه‌مدت هستند.
سیستم مخلوط پلیمری جدیدی که توسط مهندسین رایس در آزمایشگاه نانومواد به رهبری پولیکال آجیان توسعه یافته است، این چالش‌ها را برطرف می‌کند و احتمالاً استفاده گسترده از ترموکرومیک‌ها به عنوان فناوری خنک‌کننده فضاهای داخلی با بهره‌وری انرژی را ممکن می‌سازد.
سریهاری ساجو، دانشجوی دکترای مهندسی مواد و نانومهندسی در رایس و یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، گفت: «تصور کنید یک پنجره که با گرم‌تر شدن روز، کمتر شفاف می‌شود و داخلی‌ها را خنک نگه می‌دارد بدون مصرف انرژی.»
او افزود، «فرمول ما از اجزای آلی و معدنی برای غلبه بر محدودیت‌های مواد ترموکرومیک موجود، مانند عمر کوتاه و هزینه‌های بالا استفاده می‌کند. همچنین، پاسخ ترمیک این ماده با نیازهای محیطی واقعی خوب تطبیق داده شده است. ما اعتقاد داریم که پنجره‌های هوشمند ساخته شده از این ماده می‌توانند مصرف انرژی در ساختمان‌ها را به طور قابل توجهی کاهش دهند و تأثیر ملموسی بر هزینه‌های انرژی و ردپای کربن بگذارند.»
آزمایش
پژوهشگران روش‌های تجربی را با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای ترکیب کردند تا رفتار ماده را تحت شرایط محیطی و معماری مختلف درک کنند.
به عنوان مثال، آنها ارزیابی کردند که ماده به چه شکلی در مناطق شهری خاص در سراسر جهان عمل خواهد کرد تا پتانسیل آن را در هنگام استفاده در مقیاس بزرگ درک کنند.
آنان پوتیراث، دانشمند پژوهشی در گروه پژوهشی آجیان و یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، گفت: «رویکرد ما منحصر به فرد بود زیرا نیاز به تعادل دقیقی از مواد و تکنیک‌هایی داشت که قبلاً در این ترکیب کاوش نشده بودند و مسیری جدید برای توسعه مواد هوشمند ارائه می‌داد.»
او افزود: «ما آزمایش‌های جامع برای شناخت ویژگی‌های ماده، و همچنین آزمایش‌های پایداری و دوام محیطی انجام دادیم که نشان می‌دهد مخلوط ما می‌تواند از ترموکرومیک‌های موجود بهتر باشد.»
پژوهشگران ماده را با ترکیب دو پلیمر و نوعی نمک سنتز کردند. آنها ترکیب را بهینه‌سازی کردند تا انتقال‌های نرم بین حالات شفاف و کدر با نوسانات دما را فراهم کنند.
یافته‌های آنها نشان می‌دهد که مخلوط ترموکرومیک جدید در تنظیم اشعه خورشید بسیار مؤثر است و از دوام قابل توجهی برخوردار است و عمر مفید آن حدود 60 سال برآورد می‌شود.
پولیکال آجیان، نویسنده اصلی این مطالعه و استاد مهندسی بنجامین ام و ماری گرینوود اندرسون دانشگاه رایس و رئیس دپارتمان علوم مواد و نانومهندسی می‌گوید: «این یافته‌های پژوهشی معیارهای جدیدی در دوام و عملکرد ترموکرومیک‌ها ایجاد می‌کنند، به ویژه در یک سیستم ساده و عملی.»
او افزود: «کار ما یک چالش اساسی در معماری پایدار را مورد توجه قرار می‌دهد و راه‌حلی عملی و قابل مقیاس برای بهبود بهره‌وری انرژی در ساختمان‌ها ارائه می‌دهد.»
رفتار ترموکرومیک ماده در همکاری با پروفسور یی لانگ و دانشجوی دکترای او، شانسنگ وانگ، از دپارتمان مهندسی الکترونیک دانشگاه چینی هنگ کنگ در شا تین مورد بررسی قرار گرفت.
