سرايا - طوّر باحثون في جامعة دريكسل مادة بناء جديدة يُمكن أن تُحدث ثورة في طريقة الحفاظ على درجات حرارة مُريحة للمباني، واستلهم الفريق البحثي من آذان الأرانب البرية والفيلة المُنظّمة للحرارة، حيث ابتكروا مادةً أسمنتيةً مُدمجةً بشبكة من القنوات الدقيقة، مثل الأوعية الدموية، المملوءة بالبارافين، ويسمح هذا التركيب للمادة بتسخين أو تبريد الأسطح كالجدران والأرضيات والأسقف بشكلٍ سلبي.

ووفق موقع "إنترستينغ إنجينيرينغ" تهدف الدراسة إلى تلبية احتياجات المباني الهائلة من الطاقة، والتي تُمثل ما يقرب من 40% من إجمالي استهلاك الطاقة، ويُنفق نصف هذه الطاقة تقريباً على التدفئة أو التبريد، وقال ريثم أوسان، طالب جامعي في كلية الهندسة بجامعة دريكسل ومؤلف مشارك في الدراسة: "من الناحية المعمارية، يبدو وجود مساحة نوافذ كبيرة في المبنى أمرا رائعا، لكن هذا يُؤدي أيضا إلى انخفاض خصائص العزل".

وفي عالم مثالي، لا يفقد المبنى أي حرارة، ولكن من منظور قابلية البناء الواقعية، فإن مشاكل مثل الجسور الحرارية، وتسرب الهواء من القنوات، وأداء المواد، وتفاصيل الوصلات ستؤدي دائما إلى فقدان بعض الحرارة.

وبدلاً من مواجهة حقيقة التسرب الحراري، قرر الفريق تحويل الأسطح نفسها إلى منظمات حرارة نشطة.

العملية المبتكرة

وينبع الابتكار من دمج مصفوفة بوليمر مطبوعة خصيصاً مع الخرسانة لتشكيل نظام وعائي داخل السطح، وتُملأ هذه الشبكة الداخلية بعد ذلك بالبارافين، وهو مادة متغيرة الطور (PCM) تشبه تلك المستخدمة في الشموع.

وتُعد مواد متغيرة الطور مثالية لهذا التطبيق، لأنها تمتص الحرارة وتطلقها أثناء تحولها من الحالة الصلبة إلى السائلة، وعندما تنخفض درجة الحرارة ويتصلب البارافين، فإنه يطلق الحرارةـ وعندما يسخن ويذوب، فإنه يمتص الحرارة، مما يُنتج تأثير تبريدي.

وقال روبن ديب، الحاصل على درجة الدكتوراه، وهو باحث في مختبر مواد البنية التحتية المتقدمة (AIM) بجامعة دريكسل ومؤلف مشارك في الدراسة: "سبق أن استخدمنا مادة أساسها البارافين كمكون لتغيير الطور في الخرسانة ذاتية التسخين، ولذلك كنا على يقين من أنها مادة طبيعية موثوقة يمكنها التأثير على درجة حرارة سطح مواد البناء الخرسانية".

وأضاف: "لهذا التطبيق، اخترنا مادة لتغيير الطور بدرجة حرارة انصهار تبلغ حوالي 18 درجة مئوية، وهي نقطة انصهار منخفضة نسبيا، لاختبار فعاليتها في المناخات الباردة، لكن هذا النظام سيسمح بتخصيص مادة تغيير الطور لتكون متجاوبة في المناخات الأكثر دفئا أيضاً".

ويشبه هذا المفهوم كيفية تنظيم البشر والحيوانات لدرجة حرارة أجسامهم.

وأوضح أمير فارنام، الحاصل على درجة الدكتوراه، والأستاذ المشارك وقائد المشروع: "انظروا إلى الطريقة التي يُستخدم بها جهازنا الدوري لتنظيم درجة الحرارة"، عندما يكون الجو حارا، يتدفق الدم إلى السطح - قد يحمرّ وجهنا قليلا ويبدأ بالتعرق عبر غددنا، وهذا يُبرّدنا من خلال عملية تغير الطور - تبخر العرق، هذه عملية طبيعية فعّالة للغاية أردنا محاكاتها في مواد البناء".

ولاختبار تصميمهم، ابتكر الباحثون عينات أسمنت متعددة، لكل منها أنماط وترتيبات مختلفة للقنوات: شبكات مفردة، ومتعددة، ومتوازية، وقطرية، وماسية الشكل، و تراوحت سماكة القنوات بين 3 و8 ملم، ثم ملأوا القنوات بالبارافين وأجروا اختبارات لتقييم كل من القوة الميكانيكية للعينات ومدى فعاليتها في إبطاء التغيرات في درجات الحرارة.

ومن بين التصاميم المختلفة، قدّمت شبكة القنوات الماسية الشكل أفضل مزيج من القوة والأداء الحراري. صمد هذا الإصدار أمام التمدد والضغط مع تنظيم درجة حرارة السطح، مما أدى إلى إبطاء التسخين أو التبريد بمقدار 1 إلى 1.25 درجة مئوية في الساعة.

وقال البالحثون: "وجدنا، وهو أمرٌ ليس مفاجئاً، أن زيادة مساحة سطح الأوعية الدموية تُؤدي إلى أداء حراري أفضل، تُشبه هذه الملاحظة فسيولوجياً آذان الفيل والأرنب البري، التي تحتوي على مساحات واسعة من الأوعية الدموية للمساعدة في تنظيم درجة حرارة أجسامها، نعتقد أن موادنا الوعائية يمكن أن تلعب دوراُ مماثلاً في المباني من خلال المساعدة في تعويض تغيرات درجات الحرارة وتقليل استهلاك الطاقة من أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء للحفاظ على الراحة الحرارية".

نحو مبانٍ أقوى وأذكى وأكثر خضرة

وأظهر هذا البحث فعالية هذه الطريقة في تنظيم درجة حرارة سطح المواد الأسمنتية، بالإضافة إلى كونها طريقة بسيطة واقتصادية لإنتاجها.

ومع إجراء المزيد من الاختبارات والقياسات، يعتقد العلماء أن هذه الطريقة قادرة على الإسهام بشكل كبير في الجهود المبذولة لتحسين كفاءة الطاقة في المباني.

وبعد ذلك، يخطط الفريق لتجربة أنواع مختلفة من مواد تغيير الطور، وتصميمات قنوات بديلة، وعينات أكبر من مواد البناء، وستُجرى هذه التجارب على فترات أطول وفي ظروف بيئية أكثر تنوعاً لتقييم الأداء على المدى الطويل.