پژوهشگران «موسسه علم و فناوری گوانگجو»(GIST) رویکرد جدیدی را به منظور کاهش تقاضای انرژی برای خنک کردن ساختمان‌ها در پیش گرفته‌اند. رویکرد آنها این است که شیشه‌های معمولی پنجره با یک ساختار لایه‌ای پوشیده شوند.

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، این ساختار به طور موثر گرما را از بین می‌برد و نور ورودی خورشید را منعکس می‌کند. بدین ترتیب، هزینه‌های تهویه مطبوع به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.

این گروه پژوهشی در مقاله خود نوشتند: پرداختن به تغییرات آب‌وهوایی و بحران‌های انرژی در جهان، توسعه فناوری‌های بدون انرژی و بدون انتشار را ضروری می‌کند. سیستم‌های خنک‌کننده معمولی که ۲۰ درصد از مصرف انرژی جهان را تشکیل می‌دهند، به برطرف کردن مسائل زیست‌محیطی قابل توجهی مانند آلودگی هوا و سوخت‌های فسیلی کمک می‌کنند.

مشکل پنجره‌های شیشه‌ای استاندارد، توانایی ضعیف آنها در جلوگیری از تابش فروسرخ است که مقدار قابل توجهی از گرما را حمل می‌کند. همچنین، آنها نمی‌توانند فضای داخلی را در برابر تشعشعات حرارتی ساطع‌شده از ساختمان‌های اطراف محافظت کنند و گرما را به طور موثر به محیط بیرون نمی‌فرستند. این امر به افزایش دمای داخلی و وابستگی به تهویه مطبوع منجر می‌شود و مصرف انرژی را نیز افزایش می‌دهد.

اگرچه شیشه معمولی مقداری گرما ساطع می‌کند اما کارآیی آن محدود است. شیشه‌های معمولی اغلب توانایی انعکاس بالایی را از کل پنجره شفاف ندارند و همین باعث می‌شود که تاثیر کمتری را در خنک کردن فضای داخلی ساختمان داشته باشند.

پژوهشگران برای برطرف کردن این مشکل، ماده پیچیده‌تری را به نام «شیشه خنک‌کننده تابشی دوطرفه» طراحی و شبیه‌سازی کردند. این ساختار شامل یک لایه مرکزی از شیشه معمولی است که بین لایه‌های زیر میکرومتری از جنس اکسید قلع ایندیم قرار گرفته می‌گیرد. این ماده‌ به دلیل توانایی خود در انعکاس تابش فروسرخ شناخته شده است و از ورود آن به ساختمان و افزایش دمای داخلی جلوگیری می‌کند.

پژوهشگران در سطح بیرونی، لایه‌های نازک بیشتری را از جنس اکسید آلومینیوم و نیترید سیلیکون اعمال کردند که گرما را در طول موج‌های عبورکرده از جو زمین به طور موثر منعکس می‌کنند. اکسید آلومینیوم در حدود ۱۳ میکرومتر تابش گرمایی را ساطع می‌کند؛ در حالی که نیترید سیلیکون این کار را در هشت میکرومتر انجام می‌دهد. با انتشار تشعشعات در این محدوده، گرما مستقیما بدون جذب شدن در جو به فضا می‌رود و از بیشتر گرم شدن جلوگیری می‌کند.

یکی از ویژگی‌های کلیدی این شیشه لایه‌ای، گسیل‌پذیری جهت آن است؛ یعنی زاویه‌ای که در آن بسته به ضخامت لایه‌های اکسید آلومینیوم و نیترید سیلیکون و همچنین زاویه تابش نور خورشید، گرما می‌تابد. این طراحی با تنظیم دقیق ضخامت لایه‌ها تضمین می‌کند که بیشتر گرمای ساطع‌شده به‌جای جذب شدن و تابش مجدد توسط اجسام مجاور مانند درختان یا ساختمان‌ها، به سمت آسمان باز می‌رود.

شیشه‌ جدید با وجود ساختار لایه‌ای پیچیده‌ خود، در برابر نور مرئی بسیار شفاف باقی می‌ماند و به ۷۲ درصد از نور خورشید در این محدوده اجازه عبور می‌دهد. این بدان معناست که می‌تواند به طور موثر به عنوان یک پنجره عمل کند و نور طبیعی را داخل ساختمان نگه دارد و در عین حال، مزایای خنک‌کننده را نیز ارائه دهد.

پژوهشگران، پتانسیل بهره‌وری انرژی ناشی از نصب این پنجره‌ها را نیز در ساختمان‌های مسکونی معمولی ارزیابی کردند. تحلیل آنها نشان داد که در یک روز گرم تابستان، شیشه خنک‌کننده تابشی دو طرفه می‌تواند مصرف انرژی تهویه مطبوع را تا ۴۰ درصد کاهش دهد. از نظر عملی، این معادل کاهش ۱۵۰۰ وات است؛ یعنی تقریبا همان میزان برق که یک کتری برقی یا یک اتو به طور مداوم مصرف می‌کند.

اگرچه یافته‌های این پژوهش، پتانسیل قابل توجهی را برای صرفه‌جویی در انرژی نشان می‌دهند اما پژوهشگران اذعان کردند که پیش از استفاده گسترده از این فناوری، بررسی بیشتر ضروری است. آنها نوشتند: هنوز پتانسیل قابل توجهی برای بهبود بیشتر شدت انتشار جهت‌دار وجود دارد. یک رویکرد امیدوارکننده، تنظیم ساختار سطح لایه‌های اکسید آلومینیوم و نیترید سیلیکون است. برای افزایش عملکرد خنک‌کننده و کاربرد آن، بررسی بیشتری مورد نیاز است.

پژوهشگران با تاکید بر نیاز به آزمایش در دنیای واقعی، نوشتند: بررسی‌های بیشتر درباره ساخت شیشه خنک‌کننده تابشی دو طرفه واقعی و ارزیابی عملکرد خنک‌کننده برای تأیید کاربرد دقیق شیشه ضروری است.

اگر این فناوری با موفقیت اجرا شود، می‌تواند یک راه‌ حل عملی و مقیاس‌پذیر را برای کاهش مصرف انرژی ساختمان فراهم کند و یک روش کارآمد را برای مبارزه با افزایش دمای جهان و کاهش اتکا به سیستم‌های خنک‌کننده معمولی ارائه دهد.

این پژوهش در مجله «Advanced Photonics Research» به چاپ رسید.