جهاز جديد قد يقضي على حرارة الصيف!

جهاز التبريد القابل للإرتداء الجديد حقوق الصورة: UCLA Soft Materials Research Laboratory

حقق العلماء طفرة في تكنولوجيا التبريد، حيث قاموا بتطوير جهاز تبريد قابل للإرتداء يمكنه ضخ الحرارة بشكل مستمر باستخدام طبقات من الأغشية الرقيقة المرنة. هذا التصميم المبتكر، المعتمد على التأثير الكهروكالوري (electrocaloric)، لديه القدرة على إحداث ثورة في الطريقة التي ندير بها الحرارة، مما يجعله حلاً مثاليًا لتكنولوجيا التبريد القابلة للارتداء، وأجهزة التبريد المحمولة، وحتى الإلكترونيات.

وقد أثبت فريق البحث أن النموذج الأولي يمكن أن يخفض درجات الحرارة المحيطة بمقدار -8.8 درجة مئوية بشكل مستمر وما يصل إلى -3.8 درجة عند مصدر الحرارة في 30 ثانية فقط. تم ذكر تفاصيل هذا الإنجاز المثير للإعجاب في ورقة بحثية منشورة في دورية “Science”.

محتويات المقال :

فهم الحاجة إلى تبريد فعال

مع استمرار ارتفاع درجة حرارة الأرض، أصبح التحكم في الحرارة قضية حرجة. إن جسم الإنسان، على سبيل المثال، قادر على تبديد الحرارة من خلال التعرق، ولكن هذه العملية يمكن أن تكون صعبة في درجات الحرارة القصوى أو أثناء النشاط البدني المكثف. علاوة على ذلك، فإن الحرارة الناتجة عن الأجهزة الإلكترونية والعمليات الصناعية وحتى المباني يمكن أن يكون لها عواقب إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح.

لا يمكن المبالغة في أهمية التبريد الفعال. في البيئات الحارة، يمكن أن يصل جسم الإنسان إلى درجات حرارة تصل إلى 40 درجة مئوية، مما يؤدي إلى ضربة الشمس، وتلف الأعضاء، وحتى الموت. علاوة على ذلك، يؤدي الطلب المتزايد على أنظمة التبريد إلى زيادة استهلاك الطاقة، مما يساهم بدوره في انبعاثات الغازات الدفيئة وتغير المناخ.

ووفقا لوكالة الطاقة الدولية، تمثل أنظمة التبريد ما يقرب من 20٪ من استهلاك الكهرباء العالمي، ومن المتوقع أن يتضاعف هذا الرقم ثلاث مرات بحلول عام 2050. وترجع هذه الزيادة في الطلب إلى حد كبير إلى الحاجة المتزايدة لتكييف الهواء والتبريد وغيرها من الخدمات. تقنيات التبريد.

التأثير الكهروكالوري

إن التأثير الكهروكالوري (ECE) هو ظاهرة رائعة حيث تتعرض بعض المواد لتغير في درجة حرارتها استجابة لحقل كهربائي مطبق. وينبع هذا التأثير من البنية الذرية للمادة وكيفية تفاعلها مع الكهرباء. وفي قلب هذا التأثير توجد “ثنائيات القطب”، وهي مناطق صغيرة داخل المادة ذات شحنات موجبة وسالبة تفصل بينها مسافة صغيرة.

في المواد الكهروكالورية، تتجه هذه الأقطاب الثنائية بشكل عشوائي، مما يساهم في مستوى معين من الفوضى أو الإنتروبيا. وعندما يتم تطبيق مجال كهربائي، تتماشى هذه الأقطاب الثنائية مع المجال، وتصبح أكثر تنظيمًا. يقلل هذا المحاذاة من إنتروبيا المادة. وفقًا لقوانين الديناميكا الحرارية، يجب أن يكون هذا الانخفاض في الإنتروبيا مصحوبًا بإطلاق الحرارة، مما يتسبب في ارتفاع درجة حرارة المادة. وعلى العكس من ذلك، عندما يتم إزالة المجال الكهربائي، تعود الأقطاب الثنائية إلى حالتها الفوضوية، وتمتص الحرارة من المناطق المحيطة وتتسبب في تبريد المادة.

إن تأثير التسخين والتبريد القابل للعكس هذا له آثار كبيرة على تطوير تقنيات التبريد الصديقة للبيئة والموفرة للطاقة. وعلى عكس التبريد بالضغط البخاري التقليدي، والذي يعتمد على مبردات ضارة، فإن التبريد الكهروسالوجي يستخدم مواد صلبة ويزيل الحاجة إلى ضواغط ضخمة. وهذا يجعله أكثر إحكاما وكفاءة واستدامة.

كيف تعمل الأغشية الرقيقة المرنة على إبعاد الحرارة؟

تتكون المادة التجريبية من مجموعة دائرية من ستة أغشية بوليمر رقيقة، كل منها مطلي بأنابيب الكربون النانوية على كلا الجانبين. المادة الناتجة هي مادة كهربائية حديدية (ferroelectric)، مما يعني أنها تغير شكلها عند تطبيق مجال كهربائي عليها.

عندما يتم تشغيل المجال الكهربائي للجهاز، فإن الطبقات المكدسة تضغط على بعضها البعض في أزواج. وعندما تنقطع الكهرباء، تتفكك الأزواج المكدسة لتضغط على الطبقات المجاورة الأخرى. وبينما تتكرر هذه العملية بالتناوب، فإن الحركة المتتالية المتجددة ذاتيًا والتي تشبه الأكورديون تعمل باستمرار على ضخ الحرارة بعيدًا، طبقة تلو الأخرى.

جهاز التبريد القابل للإرتداء الجديد حقوق الصورة: UCLA Soft Materials Research Laboratory

جهاز تبريد قابل للإرتداء أفضل من أنظمة التبريد الأخرى

تعتمد أنظمة التبريد التقليدية، مثل مكيفات الهواء والثلاجات، على التبريد بانضغاط البخار (vapor compression)، وهي عملية كثيفة الطاقة وغالبًا ما تستخدم مبردات ذات إمكانات عالية للاحتباس الحراري العالمي. في المقابل، يقدم جهاز تبريد تم تطويره حديثًا بديلاً أبسط وأكثر استدامة. يزيل هذا الجهاز الحاجة إلى المبردات والسوائل الضارة، ويعمل فقط بالكهرباء، والتي يمكن الحصول عليها من الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية.

ويجمع هذا التصميم المبتكر بين المواد المتقدمة والهيكل الميكانيكي المتطور لتحقيق تبريد موفر للطاقة. من خلال دمج وظيفة التبريد مباشرة في هيكل الجهاز، فإنه يقلل من التعقيد واستهلاك الطاقة والمتطلبات الحسابية مقارنة بالأنظمة التقليدية.

ملحقات التبريد القابلة للارتداء وما بعدها

تتمتع تقنية التبريد الثورية هذه بالقدرة على تبريد أجسادنا. حيث يمكن دمجه في الملابس كجهاز تبريد قابل للإرتداء، مثل القبعات أو الأساور أو حتى الملابس بأكملها. وهذا من شأنه أن يغير قواعد اللعبة بالنسبة للأشخاص الذين يعملون في الهواء الطلق، أو الرياضيين، أو أي شخص يقضي فترات طويلة في البيئات الحارة.

كما يمكن أيضًا استخدام هذه التقنية لتبريد الأجهزة الإلكترونية، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو الهواتف الذكية، مما يقلل من خطر ارتفاع درجة الحرارة ويزيد من عمرها الافتراضي. علاوة على ذلك، يمكن دمجه في أجهزة التبريد المحمولة، مما يجعل من السهل البقاء باردًا أثناء التنقل. ومع إمكانية التخفيف من آثار تغير المناخ، يمكن أن يكون لهذا الاكتشاف تأثير كبير على حياتنا اليومية والبيئة.