این عایق جدید پنجره‌ بهره‌وری انرژی در ساختمان‌ها را متحول می کند

پژوهشگران دانشگاه کلرادو بولدر موفق به ساخت نوعی عایق جدید برای پنجره‌ها شده‌اند که می‌تواند بهره‌وری انرژی ساختمان‌ها را در مقیاس جهانی متحول کند.

به گزارش سرویس علمی تک‌ناک، عملکرد این ماده‌ به نسخه‌ای پیشرفته و مهندسی‌شده از پلاستیک حباب‌دار شباهت دارد. این ماده که با نام «عایق حرارتی شفاف مزوحفره‌ای» یا MOCHI شناخته می‌شود، قابلیت تولید در قالب پنل‌های ضخیم یا لایه‌های نازک قابل نصب در سطح داخلی پنجره‌ها را دارد. هرچند عایق MOCHI در حال حاضر تنها در شرایط آزمایشگاهی تولید می‌شود و هنوز به بازار راه نیافته، اما به گفته پژوهشگران، از دوام بالا برخوردار است و شفافیتی نزدیک به کامل دارد.

شفافیت بالای این عایق امکان عبور نور را بدون ایجاد اختلال محسوس در دید فراهم می‌کند؛ ویژگی کلیدی که آن را از بسیاری از راهکارهای رایج عایق‌کاری متمایز می‌سازد. ایوان اسمالیوخ، استاد فیزیک دانشگاه کلرادو بولدر و نویسنده ارشد این مطالعه گفت: «برای مهار تبادل حرارت، می‌توان دیوارها را با لایه‌های ضخیم عایق پوشاند، اما پنجره‌ها ناگزیر باید شفاف باشند. یافتن عایق‌هایی که هم شفافیت بالا داشته باشند و هم عملکرد حرارتی موثر، یکی از دشوارترین چالش‌ها است.»

این پژوهش در تاریخ ۱۱ دسامبر در نشریه معتبر Science منتشر شده است.

حتما بخوانید: بزرگنمایی اثر حرارتی اشیا تا ۹ برابر با کمک فناوری فراپراکندگی حرارتی

چالش انرژی پنجره‌ها

پنجره‌ها به یکی از چالش‌های اصلی مصرف انرژی در ساختمان‌ها تبدیل شده‌اند. ساختمان‌ها، از خانه‌های کوچک تک‌خانواده‌ای تا آسمان‌خراش‌های عظیم اداری، نزدیک به ۴۰ درصد از انرژی تولیدی جهان را مصرف می‌کنند و بخش قابل توجهی از این انرژی هنگام فرار گرما در زمستان یا ورود گرما در تابستان از طریق پنجره‌ها هدر می‌رود. پژوهشگران با توسعه عایق MOCHI قصد دارند این تبادل دائمی حرارت را به حداقل برسانند.

عایق MOCHI مبتنی بر ژل سیلیکونی با ساختار داخلی منحصر به فرد است؛ شبکه‌ای متراکم از حفره‌های میکروسکوپی در داخل ژل وجود دارد که قطر آنها به مراتب کمتر از موی انسان است. این فضاهای پرشده از هوا به قدری موثر هستند که حتی یک ورق ۵ میلی‌متری عایق MOCHI می‌تواند شعله آتش را تحمل کند بدون اینکه آسیبی به فرد وارد شود. ایوان اسمالیوخ، پژوهشگر موسسه انرژی تجدیدپذیر و پایدار (RASEI) در دانشگاه کلرادو بولدر گفت: «صرف‌نظر از دمای بیرون، هدف ما این است که افراد بتوانند دمای داخلی ساختمان را در سطحی مطلوب حفظ کنند و بهره‌وری انرژی ساختمان‌ها بهبود یاید.»

بیشتر بخوانید: تبدیل پره‌های توربین بادی به پارکینگ در سوئد!

ایوان اسمالیوخ توضیح داد که عملکرد عایق MOCHI به نحوه دقیق شکل‌دهی و چینش حفره‌های میکروسکوپی پرشده از هوا وابسته است. این ماده شباهت‌هایی با ایروژل‌ها دارد، که امروزه به‌طور گسترده در عایق‌کاری به‌کار می‌روند؛ برای مثال، ناسا از ایروژل‌ها در مریخ‌نوردهای خود برای گرم نگه داشتن تجهیزات الکترونیکی بهره می‌برد. با وجود این، حفره‌های ایروژل به‌ صورت تصادفی توزیع شده است و نور را پراکنده می‌کنند، به همین دلیل اغلب مات به نظر می‌رسند و به‌عنوان «دود منجمد» توصیف می‌شوند.

پژوهشگران قصد داشتند ماده‌ای خلق کنند که هم محافظت حرارتی قوی ارائه دهد و هم شفافیت نوری حفظ شود. برای تولید عایق MOCHI، ابتدا مولکول‌های سورفاکتانت به محلول مایع اضافه می‌شوند. این مولکول‌ها به‌طور طبیعی در قالب رشته‌های نازک تجمع پیدا می‌کنند، سپس مولکول‌های سیلیکون به سطح این رشته‌ها می‌چسبند. در مراحل بعد، ساختارهای مبتنی بر سورفاکتانت حذف و با هوا جایگزین می‌شوند. نتیجه، چارچوبی سیلیکونی است که یک شبکه پیچیده از کانال‌های بسیار کوچک پرشده از هوا را احاطه کرده است. اسمالیوخ این چیدمان را «کابوس یک لوله‌کش» توصیف می‌کند. در نهایت، بیش از ۹۰ درصد حجم عایق MOCHI را هوا تشکیل می‌دهد و همین ویژگی، عامل اصلی در شفافیت و توان عایقی بالای آن است.

چگونگی کاهش انتقال حرارت توسط عایق MOCHI

برای مطالعه بیشتر: ژاکت جدید نایکی دمای بدن را در لحظه تنظیم می‌ کند + تصویر

حرارت در گازها همانند بازی بیلیارد منتقل می‌شود؛ مولکول‌های گاز با دریافت انرژی به یکدیگر برخورد می‌کنند و حرارت را انتقال می‌دهند. اما در عایق MOCHI، حفره‌ها آن‌قدر ریز هستند که مولکول‌ها نمی‌توانند آزادانه برخورد کنند. در عوض، مولکول‌ها بارها به دیواره‌های حفره‌ها برخورد می‌کنند و عبور حرارت به شکل قابل توجهی محدود می‌شود. اسمالیوخ بیان کرد: «مولکول‌ها فرصتی برای برخورد آزادانه و تبادل انرژی با یکدیگر ندارند و بیشتر با دیواره‌های حفره‌ها برخورد می‌کنند.» با وجود قدرت بالای عایق‌بندی، عایق MOCHI تنها حدود ۰.۲ درصد نور ورودی را بازتاب و تقریبا تمامی نور مرئی را عبور می‌دهد.

کاربردی فراتر از بهره‌وری انرژی ساختمان‌ها

تیم پژوهشی بر این باور است که عایق MOCHI می‌تواند کاربردهای فراتر از پنجره‌ها داشته باشد، از جمله سیستم‌هایی که حرارت خورشید را جذب و به انرژی ارزان و پایدار تبدیل می‌کنند. اسمالیوخ عنوان کرد: «حتی در روزهای نیمه‌ابری نیز می‌توان انرژی قابل توجهی جمع‌آوری و برای گرمایش آب و فضای داخلی ساختمان استفاده کرد.»

عایق MOCHI فعلا به بازار عرضه نشده است و تولید آن نیازمند فرایندی کُند و زمان‌بر در آزمایشگاه است. با وجود این، اسمالیوخ امیدوار است با گذر زمان، روش‌های تولید ساده‌تر شود. هزینه مواد اولیه پایین است و همین موضوع، پتانسیل تجاری شدن MOCHI را در آینده تقویت می‌کند. در مجموع، چشم‌انداز عایق MOCHI بسیار امیدوارکننده است، درست همانند دیدی شفاف از پشت پنجره‌ای که با این ماده شگفت‌انگیز عایق شده باشد.