ابتكر علماء، تقنية طلاء "السقف الذكي" طوال العام، التي تحافظ على دفء المنازل خلال الشتاء، وبرودتها خلال الصيف، دون استخدام الغاز الطبيعي أو الكهرباء.

ويقول العلماء إن التقنية الرائدة التي يطلق عليها الطلاء الإشعاعي المتكيف مع درجة الحرارة تتفوق على أنظمة الأسقف الباردة التجارية في توفير الطاقة.

إذ يتحول طلاء السقف الجديد في جميع المواسم تلقائيًا من الحفاظ على البرودة إلى الدفء، اعتمادًا على درجة حرارة الهواء الخارجي، بحسب نتائج الدراسة التي نشرت مجلة "ساينس".

وفي حين أنظمة الأسقف الباردة المتاحة حاليًا، مثل الطلاءات العاكسة أو الأغشية أو الألواح الخشبية أو البلاط، لها أسطح فاتحة أو داكنة اللون، مما يبرد المنازل عن طريق عكس ضوء الشمس، تنعكس من هذه الأنظمة بعض الحرارة الشمسية الممتصة مثل الأشعة تحت الحمراء الحرارية، كجزء من عملية طبيعية تسمى التبريد الإشعاعي، والتي فيها يتم عكس ضوء الأشعة تحت الحمراء الحرارية بعيدًا عن السطح.

لكن مشكلة العديد من أنظمة الأسقف الباردة هي أنها تستمر في إشعاع الحرارة في الشتاء، ما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف التدفئة.

في المقابل، تم تصميم الطلاء الإشعاعي المتكيف مع درجة الحرارة لتوفير الطاقة عن طريق إيقاف التبريد الإشعاعي تلقائيًا في الشتاء، والتغلب على مشكلة التبريد الزائد، وفقًا للباحثين.

مما يصنع الطلاء الذكي؟ 

والطلاء مصنوع من ثاني أكسيد الفاناديوم، وهي مادة تتصرف كمعدن استجابة للكهرباء، مما يعني أنها موصلة لها، لكنها تعمل كعازل للحرارة.

وعند أقل من 153 درجة فهرنهايت، يكون ثاني أكسيد الفاناديوم شفافًا أيضًا، وبالتالي لا يمتص ضوء الأشعة تحت الحمراء الحرارية، لكنه عندما يكون أعلى من ذلك يتحول إلى حالة معدنية، ليصبح ممتصًا لضوء الأشعة تحت الحمراء الحرارية، وفقًا للباحثين.

هذه القدرة على التحول من مرحلة إلى أخرى- في هذه الحالة من عازل إلى معدن- هي سمة لما يُعرف بمادة تغير الطور. وتمكن الباحثون من خفض عتبة تغيير الطور إلى 77 درجة فهرنهايت، وهي درجة حرارة أكثر شيوعًا في العالم الحقيقي، عن طريق إضافة التنجستن، على حد قولهم.

من خلال الجمع بين ثاني أكسيد الفاناديوم والتنجستن المعدني، وهي عملية تسمى "المنشطات"، تمكن الباحثون من هندسة طبقة علوية - طلاء - لنظام سقف يتضمن أيضًا طبقة سفلية عاكسة مصنوعة من الفضة، وطبقة وسطى شفافة تتكون من فلوريد الباريوم.

وتعكس التقنية المستحدثة حوالي 75 في المائة من حرارة الشمس على مدار العام، مع انبعاث حراري يقترب من 90 في المائة في درجات حرارة أعلى من 77 درجة فهرنهايت، مما يؤدى إلى طرد الحرارة من المنزل.

في الطقس البارد، يتحول الانبعاث الحراري للطلاء تلقائيًا إلى حوالي 20 في المائة، مما يساعد على الاحتفاظ بالحرارة من امتصاص الطاقة الشمسية والتدفئة الداخلية، وفقًا للباحثين.

قال الباحثون، إنه مع تركيب طلاء إشعاعي متكيف مع درجة الحرارة، يمكن أن توفر الأسرة في الولايات المتحدة ما يصل إلى 10 في المائة من استهلاك الكهرباء سنويًا.

تكييف ومدفأة في جهاز واحد 

وقال جانكيو وو، الباحث في قسم علوم المواد بمختبر بيركلي، وأستاذ علوم وهندسة المواد بجامعة كاليفورنيا، المؤلف المشارك في الدراسة في بيان صحفي: "طلاء السقف الخاص بنا طوال الموسم يتحول تلقائيًا من إبقائك باردًا إلى دافئ، اعتمادًا على درجة حرارة الهواء الخارجي".

وأضاف: "هذا تكييف وتدفئة خاليان من الطاقة والانبعاثات، الكل في جهاز واحد"، موضحًا أن "إن الطبقة العليا، الغلاف الإشعاعي المتكيف مع درجة الحرارة، "يشبه شريط سكوتش، ويمكن تثبيته على سطح صلب مثل السطح".

وكجزء من الدراسة، أجرى الباحثون تجربة على السطح في منزل ببلدة "إيست باي" الصيف الماضي لإثبات أداء التكنولوجيا في بيئة العالم الحقيقي.

سجل جهاز قياس لاسلكي تم إنشاؤه على شرفة المنزل بشكل مستمر استجابات للتغيرات في ضوء الشمس المباشر ودرجة الحرارة في الهواء الطلق مع نظام سقف قائم على طلاء إشعاعي متكيف مع درجة الحرارة ومنتج متاح تجاريًا على مدار عدة أيام.

استخدم الباحثون، نتائج التجربة الخارجية لمحاكاة كيفية عمل الطلاء الإشعاعي المتكيف مع درجات الحرارة على مدار العام في 15 مدينة أو منطقة مناخية في جميع أنحاء البلاد، على حد قولهم.

وباستخدام مجموعة من أكثر من 10 آلاف محاكاة لطاقة المبنى، توقع الباحثون أن يؤدي الطلاء الإشعاعي المتكيف مع درجة الحرارة إلى توفير الطاقة، بفضل قدرته على تقليل الحاجة إلى كل من طاقة التبريد في الصيف وطاقة التدفئة في الشتاء.

وأظهرت النتائج، أن الطلاء تفوق على طبقات الطلاء الموجودة في توفير الطاقة في 12 من 15 منطقة مناخية. وكان أكثر فاعلية في المناطق ذات الاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة بين النهار والليل، مثل منطقة خليج سان فرانسيسكو، أو بين الشتاء والصيف، مثل مدينة نيويورك.

يخطط الباحثون لتطوير نماذج أولية للطلاء الإشعاعي المتكيف مع درجات الحرارة على نطاق أوسع لاختبار أدائها كطلاء عملي للسقف.

استخدامات أخرى 

قد يكون لها أيضًا إمكانية كطلاء واق حراريًا لإطالة عمر البطارية في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، وحماية الأقمار الصناعية والسيارات من درجات الحرارة العالية أو المنخفضة للغاية، وفقًا للباحثين.

وقال الباحثون إنه يمكن استخدامه أيضًا في صنع أقمشة تنظم درجة حرارة الخيام وأغطية الصوبات وحتى القبعات والسترات.

قال وو: "تنبأت الفيزياء البسيطة بأن الطلاء الإشعاعي المتكيف مع درجة الحرارة سيعمل، لكننا فوجئنا أنه سيعمل بشكل جيد". وأضاف: "اعتقدنا في الأصل أن التحول من الاحتباس الحراري إلى التبريد لن يكون مثيرًا للغاية (لكن) عمليات المحاكاة والتجارب الخارجية والتجارب المعملية أثبتت عكس ذلك".