مادة زجاجية “ذكية” تحجب الأشعة دون حجب الرؤية

( أخبار نانويرك )

اخترع فريق بحث دُوَليّ بقيادة علماء من جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة (NTU Singapore) مادة نافذة “ذكية” تتحكم في انتقال الحرارة دون حجب المناظر، مما قد يساعد في خفض الطاقة اللازمة لتبريد المباني وتدفئتها.
تم تطوير المادة الجديدة الموفرة للطاقة للنوافذ الكهروضوئية (EC) التي تم تطويرها بواسطة باحثين في الجامعة التي تعمل بضغطة زر لمنع الأشعة تحت الحمراء – وهي المكون الرئيسي لضوء الشمس الذي ينبعث منه الحرارة.

المواد الجديدة لديها البنية النانوية المصممة خصيصا وتضم المواد المتقدمة مثل ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2 )، ثالث أكسيد التنجستن (WO3 )، النيوديميوم-النيوبيوم (Nd-Nb)، والقصدير (IV) أكسيد (SnO2 ). تهدف المادة المركبة إلى أن تكون مطلية بألواح زجاجية للنوافذ، وعند تنشيطها بالكهرباء، سيتمكن المستخدمون على “تشغيل وإيقاف” إرسال الأشعة تحت الحمراء عبر النافذة.

يمكن للاختراع الذي ظهر بجانب الغلاف الأمامي لمجلة ACS Omega أن يحجب ما يصل إلى 70 في المائة من الأشعة تحت الحمراء وفقًا لعمليات المحاكاة التجريبية دون المساس بالمشاهد عبر النافذة لأنها تسمح بمرور ما يصل إلى 90 في المائة من الضوء المرئي. تُعد المادة أيضًا أكثر فاعلية بنسبة 30 في المائة في تنظيم الحرارة من النوافذ الكهربائية المتاحة تجاريًا وهي أرخص في صنعها بسبب متانتها.

النوافذ الكهربائية هي شائعة في المباني “الخضراء” تعمل بأن نصبح ملونة عند الاستخدام مما يقلل من دخول الضوء إلى الغرفة.

عادة ما تحتوي النوافذ الكهربائية المتاحة تجارياً على طبقة من ثالث أكسيد التنغستن (WO3) مغلفة على جانب واحد من الزجاج، والجانب الآخر بدون هذه الطبقة. عندما يتم تشغيل النافذة يقوم التيار الكهربائي بتحريك أيونات الليثيوم في الجانب الذي يحتوي على طبقة من ثالث أكسيد التنغستن WO3 لتظلم النافذة أو تصبح معتمة. وبمجرد إيقاف التشغيل تختفي الأيونات بعيدًا عن الزجاج المطلي وتصبح النافذة صافية مرة أخرى.
ومع ذلك، فإن النوافذ الكهربية الحالية فعالة فقط في حجب الضوء المرئي، وليس الأشعة تحت الحمراء، مما يعني استمرار الحرارة في المرور عبر النافذة مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الغرفة.

المعوق الآخر للتكنولوجيا الحالية هو متانتها حيث يميل أداء المكون الكهربائي إلى التدهور في غضون ثلاث إلى خمس سنوات حسب الاختبارات المعملية، تم وضع تقنية NTU الكهربائية بواسطة دورات تشغيل وإيقاف صارمة لتقييم متانتها، وأظهرت النتائج أن خصائص النافذة احتفظت بثبات ممتاز (حجب أكثر من 65٪ من الأشعة تحت الحمراء) مما يدل على أدائها المتفوق، وإمكانية توفير التكاليف على المدى الطويل في المباني المستدامة.

يقول الباحث الرئيسي لدراسة النوافذ الكهربية، البروفيسور المشارك ألفريد توك من كلية NTU “خلال دمج البنية النانوية المصممة خصيصًا، قمنا بتمكين المادة من التفاعل بطريقة” انتقائية، ومنع الأشعة تحت الحمراء القريبة بينما يسمح لمعظم الضوء المرئي بالمرور كلما تم تشغيل النافذة الكهربائية. كما ساعد اختيار المواد المتقدمة على تحسين أداء واستقرار ومتانة النافذة الذكية”.

قد تساعد التكنولوجيا الكهربائية الجديدة في الحفاظ على الطاقة التي سيتم استخدامها لتدفئة وتبريد المباني ويمكن أن تسهم في التصميم المستقبلي للمباني الخضراء المستدامة، كما يقول فريق البحث.

تظهر الدراسة التزام الجامعة بمعالجة التحديات الإنسانية الكبرى بشأن الاستدامة كجزء من الخطة الاستراتيجية، التي تسعى إلى تسريع تَرْجَمَة الاكتشافات البحثية إلى ابتكارات تخفف من تأثير الإنسان على البيئة.الجيل القادم من النافذة الذكية تتحكم في كل من إشعاعات الأشعة تحت الحمراء وحرارة التوصيل.

سعياً لتحسين أداء تقنية النوافذ الذكية أنشأ الفريق البحثي في عمل منفصل عن ذلك نظام تبديل يساعد على التحكم في الحرارة الموجهة ، وهي الحرارة من البيئة الخارجية. يشتمل على مفتاح التشغيل والحاصل على براءة اختراع على جزيئات كربون مغناطيسية وأغشية رقيقة موصلات جيدة للحرارة. عند إيقاف تشغيل المفتاح، لا يمكن للحرارة الموصلة أن تنتقل عبر النافذة. وعند التشغيل يُسمح للحرارة بالمرور عبر النافذة الزجاجية.
عند دمجها مع المواد الكهربائية المطورة حديثًا، يمكن للنافذة الذكية التحكم في نوعين من نقل الحرارة: الأشعة تحت الحمراء وحرارة التوصيل وهي الطريقة الرئيسية لنقل الحرارة عبر المادة.

قال الباحث الأول للدراسة في كلية NTU لعلوم وهندسة المواد، الدكتور رون جوي: “من خلال دمج كل من المواد الكهربائية الجديدة التي اخترعناها والمفتاح الحاصل على براءة اختراع في النافذة، يمكننا إنشاء نافذة ذكية ذات تصميم فريد من نوعه مع القدرة على التحكم في كل من الحرارة المشعة بالأشعة تحت الحمراء من الشمس والحرارة التي تمر عبر النافذة، نتوقع أن تكون هذه التقنية مفيدة بشكل خاص في المناخات المعتدلة، حيث يمكن لشاغلي المبنى استخدامها لتنظيم فقدان الحرارة أو اكتسابها وفقًا لاحتياجات تغيير المواسم، بينما تتمتع بالكثير من المناظر عبر النافذة “.

استكشاف الإمكانات التجارية
من الآن فصاعدًا، يأمل فريق البحث في نقل الاختراع من المختبر إلى السوق. وقد دخلت في شراكة مع شركة تصنيع الزجاج لإجراء مزيد من الاختبارات، ولإلقاء النَّظْرَة على إمكانية دمج النافذة الذكية في مشاريعها من أجل تحسين الكفاءة والاستدامة.

قال مسئول شركة تصنيع الزجاج (iGlass Asia Pacific) وهي شركة مقرها سنغافورة متخصصة في تصنيع الزجاج المبتكر، والمتعاون الصناعي في الدراسة البحثية: “إنه لامتياز لنا ونتشرف القيام برحلة الابتكار هذه في حين أننا نمتلك المعرفة التجارية والتطبيقية، فإن المعرفة المتعمقة للجامعة من منظور تقني قد نقلت تنفيذ المشروع إلى المستوى التالي الذي يتجاوز توقعاتنا “.

المصدر: جامعة نانيانغ التكنولوجية