خرداد امسال سیزدهمین ماه پیاپی از ماه‌هایی با بالاترین درجه حرارت ثبت‌شده در سطح جهان بود و چهار روز متوالی در ماه تیر گرم‌ترین روزهای ثبت‌شده در تاریخ برای کل سیاره بود. به همین خاطر رویکردهای مختلفی برای مقابله با این افزایش دمای بی‌سابقه شکل گرفته که برخی از آنها می‌تواند تا حد زیادی اثرگذار باشد.
افزایش دمای شدید باعث کمبود آب، آسیب به محصولات کشاورزی، فشار بر شبکه‌های برق و تنش گرمایی و مرگ‌و‌میر می‌شود که بر اساس یک تخمین سالانه نزدیک به ۵۰۰هزار نفر را از بین می‌برد؛ بنابراین دانشمندان به‌سختی تلاش می‌کنند تا راهکارهای نوآورانه‌ای برای خنک‌کردن شهرها و کاهش مصرف برق در جهانِ در حال گرم‌شدن ایجاد کنند. این پیشرفت‌ها از تهویه مطبوع با بازدهی بالا گرفته تا مواد خاصی که سطوح را بدون استفاده از برق سردتر از محیط اطراف خود نگه می‌دارد، متغیر است.
سازوکارهای جدید برودتی
در بیشتر سامانه‌های تهویه مطبوع و یخچال، مایعی فشرده می‌شود تا گرما را از داخل اتاق یا دستگاه به بیرون منتقل کند اما این فرآیند به انتشار گازهای گلخانه‌ای و اتلاف انرژی منجر می‌شود. به گفته آژانس بین‌المللی انرژی، در سطح جهانی، تهویه مطبوع و پنکه‌های برقی حدود ۲۰درصد از برق مصرفی در ساختمان‌ها را مصرف می‌کنند. این آژانس پیش‌بینی می‌کند که میزان انرژی مورد نیاز برای تهویه مطبوع در سراسر جهان تا سال ۲۰۵۰ سه‌برابر خواهد شد.با در نظر گرفتن این موضوع، بسیاری از محققان در تلاش هستند تا میزان انرژی مصرفی دستگاه‌های تهویه مطبوع را کاهش دهند. یک راه‌حل بالقوه در سال گذشته معرفی شد؛ گروهی از محققان فناوری‌ای را توسعه دادند که می‌تواند بازده دستگاه‌های برودتی را به میزان چشمگیری افزایش دهد و علاوه بر این متکی بر خنک‌کننده‌های مایع مضر برای محیط زیست هم نیست.امانوئل دفای، محقق پژوهشگاه علم و فناوری لوکزامبورگ و همکارانش دستگاهی ساخته‌اند که از خنک‌کننده «الکتروکالری» استفاده می‌کند. در این فرآیند، از میدانی الکتریکی برای تغییر موقعیت اتم‌ها در یک سرامیک عایق استفاده می‌شود. از آنجا که میدان الکتریکی حرکات اتم‌ها را محدود می‌کند، ارتعاشات آنها افزایش یافته، به گرما تبدیل می‌شود و دمای مواد را افزایش می‌دهد، سپس مایعی آن گرما را به بیرون منتقل می‌کند. پس از حذف گرما، میدان خاموش می‌شود و اتم‌های سرامیک می‌توانند آزادانه‌تر حرکت کنند. این امر باعث می‌شود لرزش آنها کاهش و دمای سرامیک کاهش یابد؛ تغییری که می‌تواند برای کاربردهای خنک‌کننده استفاده شود.این دستگاه با همکاری شرکت سازنده ژاپنی موراتا در ناگاوکاکیو طراحی شده که در حال حاضر این نوع سرامیک‌ها را برای تلفن‌های همراه، کامپیوتر و سایر سخت‌افزارها تولید می‌کند. به گفته دفای این فناوری مقیاس‌پذیر است، اما کاربردی‌شدن این فناوری محصولات برودتی ممکن است کمی زمانبر باشد. این پژوهشگر امیدوار است که او و تیمش بتوانند در عرض پنج سال روی اولین موارد خاص مانند خنک‌کردن باتری در خودروهای الکتریکی کار کنند. سپس بتوانند در دهه آینده نسل جدیدی از دستگاه‌های تهویه مطبوع را راهی بازار کنند.
مواد پیشرفته
استفاده از برخی مواد که به‌عنوان مواد فوق‌خنک (supercool) شناخته می‌شوند، ممکن است بتوانند بدون مصرف برق به کاهش دما کمک کنند. همه مواد بخشی از نور خورشید را که به آنها برخورد می‌کند، منعکس می‌کنند و همگی انرژی را به‌صورت گرما ساطع می‌کنند، اما مواد فوق‌خنک در هر دو این موارد عملکرد بسیار خوبی دارند؛ آنها بیشتر تابش خورشیدی برخوردی خود را منعکس می‌کنند و مقدار زیادی از تابش گرمایی خود را ساطع می‌کنند. این باعث می‌شود آنها خنک‌تر از دمای محیط‌شان باشند.دیوید سیلور، مدیردانشکده علوم جغرافیایی وبرنامه‌ریزی شهری در دانشگاه ایالتی آریزونا در تمپ که مطالعه گسترده‌ای در مورد چگونگی کاربرد این مواد در محیط شهری داشته، می‌گوید: «این مواد به‌طور بالقوه تغییردهنده بازی هستند. آنها نه‌تنها می‌توانند به خنک‌کردن ساختمان کمک کنند، بلکه این موضوع به کاهش نیاز به استفاده از تهویه مطبوع منجر می‌شود؛ بنابراین می‌توانند هوای بیرون را نیز خنک کنند. اگر سطحی همیشه خنک‌تر از هوای اطراف باشد، آن سطح همیشه گرما را از هوایی که از روی آن سطح عبور می‌کند، خارج خواهد کرد؛ بنابراین به‌طور فعال فضای شهری را خنک می‌کند.اولین ماده فوق‌خنک در سال ۲۰۱۴ زمانی که آسوات رامان، در حال انجام تحقیقات در دانشگاه استنفورد بود، طراحی شد. او و همکارانش سطح خنک‌کننده‌ای ایجاد کردند که در طول موج‌های مرئی که در آن تابش خورشید به اوج می‌رسد، بازتاب بسیار بالایی داشت و پرتوی فروسرخ میانه منتشر می‌کرد. نکته اصلی این ماده همین طول موج خاص پرتوهای فروسرخ بود؛ اتمسفر پرتوهای فروسرخ منتشرشده از سطوح مختلف و اجسام روی زمین را به‌صورت انرژی گرمایی به دام می‌اندازد و همین موضوع موجب افزایش گرما می‌شود، اما طول موج خاصی از پرتوهای فروسرخ با طول موج ۸ تا ۱۳ میکرومتر مستقیما از جو عبور می‌کند و وارد فضا می‌شود. مواد فوق‌خنک دقیقا همین طول موج را ساطع می‌کنند.فناوری رامان که روی سقف نصب شده بود و از هفت لایه متناوب دی‌اکسید سیلیکون و دی‌اکسید هافنیوم ساخته شده بود، پنج درجه سانتی‌گراد خنک‌تر از دمای هوای محیط باقی ماند.از آن زمان، در آزمایشگاه، مواد فوق‌خنک مختلفی از جنس پلاستیک، فلز، رنگ و حتی چوب طراحی و ساخته شده و محققان متعددی همچنان در حال توسعه این دسته از مواد هستند.
سطوح خنک
رامان در تحقیقات خود از مواد فوق‌خنک به مقوله‌ای به نام مواد خنک رسیده که معمولا طوری مهندسی شده‌اند که بیشتر تابش خورشیدی برخوردی خود را منعکس می‌کنند، اما لزوما برای ساطع‌کردن بیشتر تشعشعات حرارتی خود طراحی نشده‌اند. او می‌گوید: «نیازی نیست حتما این مواد تابشی در طول موج فروسرخ داشته باشند، فقط کافی است که به شکل بهینه و بیشینه تابش خورشید را بازتاب دهند. به این دلیل که اکثر مواد همچنان گرما را در سراسر طیف فروسرخ ساطع می‌کنند و اگر به اندازه کافی بازتابنده باشند، خودبه‌خود به دمای پایین‌تری از دمای محیط خواهند رسید.»
رامان همچنین روی نوع دیگری از مواد برای سطوح عمودی مانند نمای ساختمان کار کرده است. این نوع کاربری برای مواد دشوار است، زیرا دیوارها هم رو به آسمان و هم به زمین هستند؛ بنابراین در تابستان گرما را از زمین جذب می‌کنند و در زمستان گرما را به آن می‌دهند.تیم رامان یک راه‌حل بالقوه برای این چالش پیدا کرده است. به‌تازگی محققان سازوکاری فیزیکی را گزارش کردند که به یک ماده خاص برای خنک‌کردن یا گرم‌کردن دیوارها بسته به فصل، متکی است. این پوشش با از دست دادن انتخابی گرما به سمت آسمان و گرفتن گرمای بسیار کمتر از زمین در تابستان و در زمستان از دست دادن گرمای کمتری نسبت به دیوارهای معمولی این کاربرد را پیدا کرده است. این تیم دریافته که بسیاری از مواد ارزان‌قیمت این ویژگی منحصربه‌فرد را دارند؛ از جمله کیسه‌های پلی پروپیلن مورد استفاده برای چیپس یا پفک. او می‌گوید این کشف می‌تواند برای مکان‌هایی که تهویه مطبوع ندارند، موهبت باشد و آسایش حرارتی و حتی سلامت انسان را بهبود بخشد.سایر فناوری‌ها در تلاش هستند تا شهرها را به‌صورت پایه‌ای خنک کنند. تابستان گذشته، تیمی در دانشگاه ایالتی آریزونا در تمپ، به سرپرستی سیلور، با یک شرکت آمریکایی که یک مرکز خرید بزرگ را برای استقرار و آزمایش یک «روسازی خنک» بازتابنده مدیریت می‌کرد، شریک شدند. این پوشش بسیار انعکاسی به سادگی یک درزگیر اعمال می‌شود و رنگ روشن‌تری دارد که می‌تواند به جای پوشش تیره معمولی که هر پنج سال یا بیشتر برای عایق‌کاری اعمال می‌شود، استفاده شود. این فناوری به‌صورت پایلوت روی سقف تقریبا ۶۰۰۰ متر مربع از پارکینگ مرکز خرید اعمال شد و اطراف آن با عایق تیره معمولی پوشانده شد تا این دو عایق سقف با هم مقایسه شوند. تفاوت آنها به اندازه شب و روز بود. سیلور که هنوز این یافته را منتشر نکرده، می‌گوید در ابتدای بعدازظهر، دمای سطح خنک تقریبا هشت درجه سانتی‌گراد خنک‌تر از سایر قسمت‌های پارک خودرو بود و دمای هوای بالای آن ۸/۰ درجه سانتی‌گراد خنک‌تر بود.
مواد دارای قابلیت تغییر شکل
محمد طاها، مهندس دانشگاه ملبورن در استرالیا و تیمش رویکرد متفاوتی را برای خنک‌کردن خانه‌ها و ساختمان‌ها در پیش گرفته‌اند. در اوایل سال ۲۰۲۳، این تیم «جوهرهای تغییر فاز» را متشکل از نانوذرات معلق معرفی کردند که بسته به دما تغییر فاز می‌دهند و از یک ابررسانا در دماهای سرد به فلز در دماهای داغ‌تر تغییر می‌کنند.این ترفند به مواد اجازه می‌دهد بسته به دمای خارجی، خنک یا گرم بمانند. به‌طور خلاصه، هنگامی که ماده گرم می‌شود و به یک فلز تبدیل می‌شود، ساختاری خطی به خود می‌گیرد که می‌تواند گرمای اضافی را منعکس کند. هنگامی که خنک می‌شود و به یک ابررسانا تبدیل می‌شود، این ماده یک ساختار زیگزاگ عایق می‌گیرد که اجازه ورود گرما را می‌دهد.طاها امیدوار است در آینده از این جوهر به‌عنوان پوشش پنجره استفاده کند. او می‌گوید: «ضعیف‌ترین قسمت یک ساختمان از نظر اتلاف گرما پنجره‌ها هستند. ساختمانی که کاملا شیشه‌ای است، می‌تواند در یک روز گرم شبیه یک گلخانه باشد.» اگر طاها و تیمش بتوانند در آینده این جوهر را به‌طور موثری روی پنجره‌ها اعمال کنند، می‌تواند تأثیرگذاری بسیار بالایی داشته باشد. علاوه بر این، محققان می‌توانند بسته به فصل، پوشش‌های مختلفی را مهندسی کنند تا ساختمان را در تابستان خنک و در زمستان گرم نگه دارند.
از آزمایشگاه تا شهرها
هنوز مشخص نیست که کدام‌یک از این فناوری‌های خنک‌کننده در آینده کاربرد واقعی پیدا می‌کنند و می‌توانند اثرگذار باشند. بسیاری از آنها هنوز در حد مطالعات آزمایشگاهی هستند و برخی دیگر فقط در پروژه‌های کوچک‌مقیاس پیاده‌سازی شده‌اند. به همین دلیل، سیلور استدلال می‌کند که محققان باید با پیشروی بیشتر، تمام مواد جدید را به‌دقت ارزیابی کنند. او می‌گوید: «این واقعا مهم است که ما در جامعه علمی نه‌تنها بر نقاط قوت، بلکه بر نقاط ضعف پژوهش‌ها نیز تمرکز کنیم.»برای مثال پوشش‌های خنک دارای یک اشکال بالقوه هستند که تابش را به سمت بالا منعکس می‌کند. زمانی که خورشید در بالای آسمان قرار دارد، شخصی که در آن سنگفرش قرار دارد، تابش منعکس‌شده از پایین را علاوه بر تابش از بالا احساس خواهدکرد. او پیشنهاد می‌دهد که نباید از این پوشش در مناطقی مانند زمین‌های بازی و جایی که افراد ممکن است زمان زیادی را دروسط روزروی سطح بگذرانند، استفاده شود. همچنین سوالاتی در مورد چگونگی عملکرد مواد فوق‌خنک در انواع مختلف آب‌وهوا وجود دارد. برای مثال، اگر هوا ابری یا مرطوب باشد، چنین موادی ممکن است کمتر موثر باشد. باید دید که در آینده کدام‌یک از این فناوری‌ها می‌تواند به شکل پربازدهی دمای شهرها را به‌صورت عملیاتی کاهش دهد و مورد استقبال قرار گیرد.
منبع: nature.com
