أثناء الحديث عن التقنيات المدعومة للطاقة التي يجب اعتمادها في إطار التحول العالمي نحو تقليل الاحتباس الحراري، يتم طرح دائمًا “الشبابيك الذكية” كوسيلة أساسية. ومع الاعتراف بقيمتها وأهميتها، يبقى التحفظ الدائم هو وجود تحدي في تبنيها بشكل واسع بسبب العديد من الأسباب، والتكلفة تتصدرها.

ويقدم فريق بحثي من جامعة تكساس في أوستن حلا لهذا التحدي من خلال استخدام مواد كهروضوئية جديدة بتكلفة منخفضة ومستدامة مثل “الأميلوز”، وهي مادة طبيعية موجودة في الذرة والبطاطا والفول.

وقد تم استخدام العلماء في الدراسة التي نُشرت في مجلة “بروسيدنجز””أكاديمية العلوم الوطنية” هي التقنية الكهروكيميائية التي تتيح تغيير لون المادة عند تطبيق تيار كهربائي عليها. في سياق النوافذ الذكية، تسمح هذه التقنية بضبط شفافية النافذة أو كثافتها للسيطرة على كمية الضوء المار عبرها.

اعتمد الباحثون على البوليمر “الأميلوز” واليود في تطبيقهم. يتفاعل اليود بصورة ديناميكية مع الأميلوز، وتعتبر هذه التفاعلات ضرورية لتغيير اللون المطلوب في النافذة الذكية، تمكن الباحثون من ضبط شفافية النافذة من خلال تنظيم هذه التفاعلات بواسطة التحكم الكهربائي.

لماذا “الأميلوز”؟

ذكر الباحثون أسباب اختيار “الأميلوز”، إذ إنه بوليمر طبيعي موجود بكثرة في مصادر نباتية مختلفة مثل الذرة والبطاطس والفاصوليا، يتناسب مع الغاية البيئية في استخدام مواد مستدامة لتقنية النوافذ الذكية للحد من الاعتماد على الموارد الاصطناعية أو النادرة.

بالإضافة إلى ذلك، يتمتع الأميلوز بخصائص كهروكيميائية تتغير بشكل عكسي عند تعرضه لمحفزات كهربائية، مما يؤدي إلى تغييرات في اللون أو الكثافة. تسهم هذه الخاصية في تحقيق الوظيفة المرغوبة للنافذة الذكية، حيث يمكن تعديل الشفافية بشكل ديناميكي بناءً على الظروف الخارجية.

يمكن الحصول على الأميلوز بسهولة نسبية من مصادر نباتية ومعالجته، مما يجعله مناسبًا لتصنيع الأجهزة الكهروضوئية على نطاق واسع ويساهم في تحقيق التكلفة المناسبة للتكنولوجيا. كما يعتبر متوافقا حيويا وآمنا للاستخدام في مختلف التطبيقات، بما في ذلك مواد البناء مثل النوافذ الذكية.

تسمح تركيبة الأميلوز الجزيئي بخصائص بصرية قابلة للتعديل، الأمر الضروري للتحكم في انتقال الضوء من خلال النافذة الذكية، ويمكن للباحثين تصميم الخصائص البصرية لتلبية المتطلبات المحددة. كما يمكن تحقيق وظائف إضافية عند إضافة اليود في التصنيع، حيث يمكن للنافذة الذكية السيطرة على نقل الضوء عبر مجموعة واسعة من الأطوال الموجية.

كفاءة عالية تحقق الهدف

من خلال التجارب على النظام الكهروضيء الجديد للنوافذ الذكية، لوحظ من قبل الباحثين عدة نتائج مهمة، وأشاروا إليها في البيان الصحفي الصادر عن جامعة تكساس، تتضمن:

• كفاءة تعديل عالية للضوء: أظهر النظام الجديد قدرة على تقليل أو زيادة كمية الضوء المار عبر النافذة بنسبة تزيد على 85%، وهو ما يوضح القدرة على التحكم بشفافية أو كثافة النافذة بفاعلية.
• ضبط للطيف الواسع: تمكن الباحثون من ضبط انتقال الضوء عبر مجموعة متنوعة من الأطوال الموجية، بما في ذلك أطوال الموجات فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة، وهذا التحكم يسهم في الإدارة الشاملة للإشعاع الشمسي وتوفير الطاقة داخل المباني.
• الاستقرار والعمليةية : يعمل النظام بكفاءة عالية ويحقق النتائج المطلوبة مما يعكس النجاح الكبير للتقنية.

الصلابة والمتانة على المدى البعيد: تبدو النظام الكهروضوئي ثابتًا وقويًا في ظل الظروف الصعبة، واستمرت لأكثر من 6 أسابيع متتالية في التعرض للأشعة فوق البنفسجية، مع 1200 دورة استخدام و4000 تبديل بين نفاذية الضوء. يُظهر هذا الأداء الممتاز قدرة النظام على الحفاظ على وظائفه لفترات زمنية طويلة، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات الواقع العملي.

طموحات واختبارات إضافية

الفريق البحثي يأمل في نجاح تطبيقات النظام الجديد في الواقع العملي، وتحقيق التوقعات التي تشير إلى أن سوق الزجاج الذكي – مثل النوافذ وشاشات العرض الذكية – ستصل إلى 12.7 مليار دولار بحلول عام 2030.

رئيس البحث “يويانغ وانغ” يعلق بقول: “زيادة هذا النمو تعوقها التكاليف، حيث تكون تكلفة النوافذ الذكية ما يصل إلى 10 أضعاف النوافذ القياسية الموفرة للطاقة”.

بحسب وزارة الطاقة الأمريكية، تمثل المباني 39% من استهلاك الطاقة في الولايات المتحدة، ومن هذا النسبة 35% يأتي من خلال أنظمة التدفئة، التهوية، وتكييف الهواء.

ويضيف وانغ قائلاً: “الحاجة إلى حلول بناء أكثر استدامة وكفاءة في استخدام الطاقة تُطلق سوقًا قويًا ومتزايدًا للنوافذ الذكية، ويثير إمكانية تحويل المعرفة إلى منتجات قيّمة من خلال التصميم الذكي”.

بتعليقه على هذه العملية، يوضح الباحث خالد أبو زيد، المتخصص في هندسة البناء والتشييد بجامعة الزقازيق المصرية، بأن هذه النتائج الإيجابية للنظام الجديد تستوجب مجموعة من الاختبارات الإضافية من أجل تأكيد صلاحيتها للتطبيق العملي.

ويرى أبو زيد أن “الاختبار الأول هو الأداء على المدى البعيد”، مشددًا على ضرورة اختبار النظام على فترات طويلة من الزمن تحت ظروف الحياة الواقعية، بما في ذلك التحمل لدرجات حرارة متنوعة ومستويات رطوبة مختلفة، والتأكد من الإجراءات التي يمكن اتخاذها لتعزيز أداء وصلابة النوافذ الذكية على المدى البعيد”.

ويضيف أنه يجب أيضًا اختبار كفاءة تكامل النوافذ الذكية المزودة بالنظام الكهروضوئي الجديد بشكل سلس مع التقنيات الذكية الأخرى المستخدمة في المباني، لتحديد التحديات المرتبطة بالتشغيل المتقابل وتبادل البيانات وتكامل الأنظمة.