کاشی سیمانی جایگزین کولر برای کاهش دمای ساختمان

نورنیوز-گروه بین الملل: پژوهشگران دانشگاه پنسیلوانیا با الهام از سازوکار خنک‌سازی طبیعی پوست فیل‌ها، نوعی کاشی سیمانی ابداع کرده‌اند که می‌تواند دمای ساختمان‌ها را بدون مصرف هیچ گونه برق یا سوخت فسیلی کاهش دهد. این فناوری که در مجله معتبر مواد پیشرفته/ Advanced Materials منتشر شده، راهکاری نوین برای مقابله با موج‌های گرمای کشنده در شهرها ارائه می‌دهد.

در روزهای گرم تابستان، بدن انسان با تعریق خنک می‌شود؛ قطرات عرق روی پوست تبخیر می‌شوند و گرما را از بدن می‌گیرند؛ اما فیل‌های آفریقایی که در گرمای سوزان ساوانا زندگی می‌کنند، غدد عرق ندارند. راز خنک‌ماندن آن‌ها در پوست چروک‌خورده و ترک‌دارشان نهفته است. این ترک‌ها مانند شبکه‌ای از کانال‌های باریک عمل می‌کنند که آب را در خود نگه می‌دارند و با تبخیر تدریجی آن، پوست فیل را برای ساعات طولانی خنک نگه می‌دارند.

دوریت آویو (Dorit Aviv)، دانشیار دانشکده معماری دانشگاه پنسیلوانیا، می‌گوید: ساختمان‌ها مانند انسان عرق نمی‌کنند، اما می‌توانیم با الهام از طبیعت، پوستی مصنوعی برای آن‌ها طراحی کنیم که آب را جذب، نگهداری و به‌آرامی تبخیر کند.

کاشی‌هایی که جای کولر را می‌گیرند

این گروه پژوهشی با ترکیب سیمان معمولی (نوعی سیمان پرتلند) و ماده‌ای متخلخل به نام خاک دیاتومه (Diatomaceous Earth) که از بقایای فسیل‌شده جلبک‌ها ساخته می‌شود، کاشی‌های نازکی قالب‌زنی کردند. سپس با خشک‌کردن کنترل‌شده این کاشی‌ها، شبکه‌ای از ترک‌های منظم و پیش‌بینی‌پذیر روی سطح آن‌ها ایجاد شد که درست مانند الگوی تَرَک‌های پوست فیل بود.

شو یانگ (Shu Yang)، دانشمند علم مواد در دانشگاه پنسیلوانیا، توضیح می‌دهد: در ساخت‌وساز معمولی، تََرَک‌ها نشانه ضعف و شروع تخریب مواد هستند. اما ما با مهندسی دقیق نحوه شکل‌گیری تَرَک‌ها، شبکه‌ای از کانال‌های مویرگی ایجاد کردیم که آب را در سطح پخش و نگهداری می‌کنند.

ترکیب دو ویژگی کلیدی

کو-هاو یو (Kun-Hao Yu) از دانشگاه سیراکیوس که این آزمایش‌ها را به‌عنوان پژوهشگر پسادکتری انجام داده، می‌گوید: ذخیره آب و انتقال آب، دو مشکل متفاوت هستند. منافذ میکروسکوپی داخل ماده مانند مخزن‌های کوچکی عمل می‌کنند که هر قطره آب را به سرعت جذب می‌کنند، در حالی که شبکه ترک‌ها مانند سامانه‌ای از کانال‌ها، آب را در سطح پخش می‌کند. ترکیب این دو ویژگی باعث می‌شود کاشی آب را نگه دارد و به جای ریختن روی زمین، آن را برای تبخیر حفظ کند.

هنگامی که آب به سطح کاشی می‌رسد، در کسری از میلی‌ثانیه جذب می‌شود و به شبکه ترک‌ها هدایت می‌گردد. طراحی هندسی شش‌ضلعی این ترک‌ها باعث می‌شود آب به‌جای سرازیر شدن مستقیم، به صورت زیگ‌زاگ در سطح حرکت کند و تماس طولانی‌تری با سطح داشته باشد که این امر تبخیر و خنک‌سازی را تا ۲۰ ساعت ادامه می‌دهد.

نتایج چشمگیر در آزمایش‌ها

پژوهشگران کاشی‌های ساخته‌شده را در معرض گرمای مادون‌قرمز (نوعی تابش گرمایی) و آبیاری دوره‌ای قرار دادند و دمای زیر کاشی‌ها را اندازه‌گیری کردند: پژوهشگران کاشی‌های ساخته‌شده را در معرض گرمای مادون‌قرمز (نوعی تابش گرمایی) و آبیاری دوره‌ای قرار دادند و دمای زیر کاشی‌ها را اندازه‌گیری کردند. نتایج نشان داد که دمای زیر کاشی‌های جدید به‌طور پایدار در ۳۲ درجه سانتی‌گراد باقی ماند، در حالی که این دما برای گچ‌های ترک‌خوردهٔ معمولی به ۴۲ درجه و برای گچ‌های بدون ترک به ۵۲ درجه سانتی‌گراد رسید.

شو یانگ می‌گوید: در آمریکا، حدود ۹۰ درصد زمان خود را در فضای بسته می‌گذرانیم و ساختمان‌ها حدود ۴۰ درصد از انرژی اولیه را مصرف می‌کنند که نزدیک به نیمی از آن برای گرمایش، سرمایش و تهویه است. نمای خنک‌کننده الهام‌گرفته‌شده از طبیعت مانند این کاشی‌ها می‌تواند دمای سطح را ۶ تا ۱۱ درجه سانتی‌گراد نسبت به گچ‌های معمولی کاهش دهد.

مزیت بزرگ؛ خنک‌سازی بدون سوخت فسیلی

برخلاف کولرهای مکانیکی که با مصرف برق و سوخت‌های فسیلی کار می‌کنند و گرمای داخل ساختمان را به بیرون منتقل می‌کنند (که خود باعث گرم‌تر شدن فضای شهری می‌شود)، این سامانه کاملاً غیرفعال است و فقط با تبخیر آب، پوسته ساختمان را خنک می‌کند؛ بدون اینکه انرژی مصرف یا گازهای گلخانه‌ای تولید کند.

چشم‌انداز آینده؛ خنک‌سازی هوشمند با کمترین مصرف آب

پژوهشگران معتقدند این فناوری می‌تواند در مقیاس بزرگ و با هزینه کم تولید شود. آن‌ها نشان داده‌اند که مخلوط سیمان و خاک دیاتومه را می‌توان با استفاده از دستگاه‌های پاشنده روی صفحه‌های بزرگ اجرا کرد که راه را برای تولید انبوه و کاربرد در ساختمان‌های واقعی هموار می‌کند.

دوریت آویو تأکید می‌کند: گرمای شدید در حال حاضر کُشنده‌ترین مخاطره مرتبط با اقلیم است و ما دهه‌هاست که با کولر و عایق‌ها سعی کرده‌ایم ساختمان‌ها را از گرمای بیرون جدا کنیم. اما اگر مصالحی طراحی کنیم که خودشان بتوانند با استفاده از آب و تبخیر، گرمای سطح را کاهش دهند، دیگر نیازی به جنگ با طبیعت نیست؛ می‌توانیم شهرهایی بسازیم که خودشان با گرما کنار می‌آیند.

گام بعدی این پژوهشگران، طراحی سامانه‌های هوشمندی است که بر اساس پیش‌بینی آب‌وهوا، زمان و میزان آبیاری کاشی‌ها را به‌طور خودکار تنظیم کنند تا حداکثر خنک‌سازی با حداقل مصرف آب به‌دست آید. به گفته کو-هاو یو: اکنون که فهمیدیم آب چگونه در این کاشی‌های الگودار حرکت می‌کند، می‌توانیم آب را به‌عنوان منبعی مدیریت کنیم که دقیقاً به اندازه نیاز و در زمان مناسب استفاده شود؛ نه اینکه فقط آب بیشتری بپاشیم.