التبريد الإشعاعي يكافح تغير المناخ باستخدام الفضاء كمصرف حرارة

مع توسع المدن وازدياد كثافتها، تتكاثر الأسطح الخرسانية والإسفلتية. وتمتص المباني والطرق الحرارة، فترتفع حرارة محيطها وتزداد الحاجة إلى تكييف الهواء. وتعتمد الانبعاثات أيضاً على مصدر الطاقة المستخدم. لذلك، طور فريق بحثي في جامعة ميريلاند أحد الحلول، وهو طلاء دقيق المسام أُعلن عنه عام 2023 باسم «الزجاج المبرد»، ويستفيد من التبريد الإشعاعي. والمقصود طبقة طلاء تحتوي على الزجاج، لا زجاج النوافذ الشفاف المعتاد.

تقدم في التبريد الإشعاعي

تشمل مواجهة تغير المناخ استخدام الكهرباء المنتجة بكفاءة أكبر. ويجمع الزجاج المبرد آليتين: ارتفاع البياض أو معامل الانعكاس، الذي يعكس جزءاً كبيراً من الإشعاع الشمسي، وإطلاق الحرارة على شكل أشعة تحت حمراء نحو الفضاء ضمن نطاقات موجية يكون الغلاف الجوي شفافاً نسبياً لها. فعكس ضوء الشمس وإصدار الإشعاع الحراري عمليتان مختلفتان. وتشكل الخلفية الكونية، عند نحو سالب 270 درجة مئوية، مرجعاً بارداً؛ ولا ينقل الفراغ الحرارة بالحمل الحراري.

في ورقتهم البحثية، يصف المؤلفون المادة كما يلي:

«مادة مركبة فوتونية غير منتظمة البنية، تتكون من هيكل زجاجي دقيق المسام يصدر الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة بصورة انتقائية ويتمتع بانعكاسية شمسية مرتفعة نسبياً، مع جسيمات أكسيد الألومنيوم التي تشتت ضوء الشمس بقوة وتمنع ازدياد تراص البنية المسامية أثناء التصنيع».

أظهر الطلاء نتائج جيدة في ظروف متنوعة. وقد تلائم طريقة التصنيع الإنتاج على نطاق أوسع، لكن الباحثين كانوا في عام 2023 يواصلون الاختبارات وتطوير التطبيقات العملية.

المصدر: www.cera.cool

وفيما يتعلق بالأداء، يذكر ملخص الدراسة:

«يتيح هذا الطلاء الزجاجي دقيق المسام انخفاضاً في درجة الحرارة يبلغ نحو 3.5 درجة مئوية عند الظهيرة و4 درجات ليلاً، حتى في بيئات مرتفعة الرطوبة تصل إلى 80 بالمئة».

توضح القياسات التفصيلية الظروف: عند الظهيرة كان الطلاء أبرد بنحو 3.5 درجة مئوية من الهواء المحيط الذي بلغت حرارته 30 درجة، عند رطوبة نسبية قدرها 30 بالمئة. وليلاً كان أبرد بنحو 4 درجات من الهواء الذي بلغت حرارته 17.5 درجة، عند رطوبة تصل إلى 80 بالمئة. وأشارت محاكاة لأسطح مبانٍ سكنية متوسطة الارتفاع إلى إمكانية خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون السنوية المرتبطة بالتبريد بنحو 10 بالمئة. ولم تكن هذه نتيجة مقاسة عامة لخفض جميع انبعاثات المبنى.

التبريد الإشعاعي ليس فكرة جديدة. وتكمن أهمية هذا العمل في الجمع بين الأداء، ومقاومة الظروف الخارجية، وإمكانية تصنيع المادة على نطاق أكبر.

ما المشتت الحراري؟

يمتص المشتت الحراري الحرارة من جسم آخر ويطلقها إلى محيطه. ويستخدم في الأنظمة الإلكترونية والميكانيكية للحد من فرط السخونة. ويؤدي التلامس مع المكون الساخن عادة إلى التوصيل الحراري، بينما يمكن أن تنتقل الحرارة إلى المحيط بالحمل والإشعاع. أما الزجاج المبرد الموصوف هنا فيطلق الطاقة كأشعة تحت حمراء باتجاه السماء والفضاء.

تشمل أهم العمليات والخصائص في المشتت الحراري ما يلي:

التوصيل الحراري: انتقال الحرارة عبر المادة. وينقل المكون الساخن، مثل المعالج، الحرارة إلى المشتت الملامس له.

المادة: يشيع استخدام الألومنيوم والنحاس لأنهما موصلان جيدان للحرارة، فينقلانها بعيداً عن المكون ويوزعانها على مساحة أكبر.

التصميم ومساحة السطح: تزيد الزعانف وغيرها من التراكيب المساحة المتاحة للتبادل الحراري. وبذلك يلامس مزيد من الهواء المشتت، فتتحسن قدرته على إطلاق الحرارة.

الحمل الحراري: يحمل الهواء أو السائل المتدفق فوق السطح الحرارة بعيداً. ويعتمد التبريد السلبي، ضمن آليات أخرى، على دوران الهواء الطبيعي، بينما تعزز المراوح والمضخات انتقال الحرارة في الأنظمة النشطة.

الإشعاع: يطلق المشتت أيضاً الطاقة على شكل أشعة تحت حمراء، ما يساهم في التبريد.

تعتمد الفعالية على موصلية المادة الحرارية، والتصميم ومساحة السطح، وحرارة المحيط، وتدفق الهواء أو السائل. وتساهم الإدارة الجيدة للحرارة في موثوقية الأنظمة الإلكترونية والميكانيكية وإطالة عمرها.

ما التبريد الإشعاعي؟

هو عملية طبيعية يفقد فيها الجسم الطاقة بإصدار الإشعاع، ويكون غالباً ضمن نطاق الأشعة تحت الحمراء عند درجات الحرارة القريبة من سطح الأرض. وهو جزء من ميزانية طاقة الأرض ويمكن توظيفه في تقنيات متنوعة.

وتشمل مبادئه الفيزيائية ما يلي:

الأشعة تحت الحمراء: تصدر الأجسام إشعاعاً كهرومغناطيسياً يعتمد طيفه وشدته على حرارتها. وعند درجات الحرارة المعتادة على سطح الأرض، يتركز معظم هذا الإشعاع في نطاق الأشعة تحت الحمراء. ويبرد الجسم عندما تتجاوز خسائر الطاقة ما يكتسبه منها، مع احتساب أشكال التبادل الحراري الأخرى أيضاً.

الإشعاع نحو الفضاء: تمر بعض نطاقات الأشعة تحت الحمراء عبر الغلاف الجوي بسهولة نسبية، ومنها النافذة المحيطة بالنطاق من 8 إلى 13 ميكرومتراً. ويمكن لسطح مناسب إطلاق الحرارة إلى الفضاء عبرها. وتؤثر الرطوبة والسحب وغيرها من الظروف المحيطة في النتيجة.

التبريد نهاراً وليلاً: يسهل الوصول إلى حرارة أقل من حرارة الهواء المحيط عند غياب الشمس. ونهاراً تعاكس الطاقة الشمسية الممتصة أثر التبريد. ومع ذلك، يمكن لمادة شديدة الانعكاس ومصممة بصورة ملائمة أن تحقق التبريد الإشعاعي نهاراً أيضاً، كما تبين الدراسة الحالية.

العلاقة بمعامل الانعكاس: يصف هذا المعامل نسبة الإشعاع الشمسي المنعكس، وليس الجزء المرئي منه فقط. ويقلل ارتفاعه امتصاص الطاقة الشمسية. أما التبريد الإشعاعي فيتعلق بإصدار الإشعاع الحراري. والخاصيتان متكاملتان؛ فقد يصدر سطح داكن أشعة تحت حمراء ويظل ساخناً لأنه يمتص مزيداً من ضوء الشمس.

التطبيقات: يجري بحث التبريد الإشعاعي للمباني والمركبات والمنشآت التقنية. وبحسب التصميم والظروف، قد يخفض الكهرباء اللازمة لتكييف الهواء أو يحسن كفاءة أنظمة التبريد القائمة.

إذن، عكس ضوء الشمس وإصدار الأشعة تحت الحمراء عمليتان مختلفتان تؤثران معاً في ميزانية الحرارة للأسطح الطبيعية والمصممة هندسياً.

شركات تطور حلولاً مناخية

تقدم الشركات المدرجة التالية تقنيات في مجالي الطاقة أو التنقل. ولا يجري تقديمها على أنها الشركات المصنعة للزجاج المبرد المستخدم في هذه الدراسة.

تحتفظ الجداول بالأرقام التاريخية الواردة في مقال نوفمبر 2023، وليست بيانات سوقية حالية متحققاً منها. وقد تعكس ربحية السهم هيكل الأسهم آنذاك. وليس مضاعف الربحية السالب أداة تقييم ذات معنى لشركة خاسرة. وقد تعرض الرسوم والأسعار المضمنة معلومات أحدث.

1. FuelCell Energy, Inc.

FCEL مخطط السعر

تطور FuelCell Energy (FCEL ) محطات توليد الكهرباء بخلايا الوقود وتصنعها وتشغلها وتصونها. وقد يحسن التحويل الكهروكيميائي الكفاءة ويقلل بعض الملوثات مقارنة بتقنيات احتراق مماثلة. لكن المنشآت قد تستخدم الغاز الطبيعي أو الغاز الحيوي أو غيرهما من الوقود، ولذلك ليست خالية تلقائياً من الوقود الأحفوري أو انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. وتعتمد الفائدة المناخية على الوقود والكفاءة وإمكانية الاستفادة من الحرارة المهدرة.

2. Brookfield Renewable Partners L.P.

BEP مخطط السعر

تشغل Brookfield Renewable Partners (BEP ) محفظة كبيرة من منشآت الطاقة الكهرومائية والرياح والشمس والتخزين في أمريكا الشمالية والجنوبية وأوروبا وآسيا. وتُتداول وحدات الشراكة أيضاً في تورونتو (BEP.UN.TO ). أما Brookfield Renewable Corporation (BEPC ) فهي هيكل مؤسسي منفصل، تهدف أسهمه القابلة للمبادلة إلى توفير تعرض اقتصادي مكافئ لوحدات الشراكة. والأوراق المالية مختلفة قانونياً. وتركز المجموعة على خلق قيمة طويلة الأجل من أصول الطاقة المتجددة.

3. ChargePoint Holdings, Inc.

CHPT مخطط السعر

تقدم ChargePoint Holdings (CHPT ) معدات شحن المركبات الكهربائية وخدمات البرمجيات والدعم. وتستخدم حلولها في المنازل والشركات وأساطيل المركبات والأماكن العامة. وقد تساهم، بتسهيل النقل الكهربائي، في تقليل الاعتماد على الوقود المشتق من النفط. وتعتمد نتائج الانبعاثات أيضاً على طريقة توليد الكهرباء والمركبات المستخدمة.

شركات أخرى تطور التبريد الإشعاعي

تعمل CeraCool غير المدرجة في البورصة على التطبيق العملي للتبريد الإشعاعي وتوسيع إنتاجه. وقد أسسها باحثون شاركوا في تطوير الزجاج المبرد المعروض في الدراسة.

CeraCool  طورت طلاءً يعكس ضوء الشمس ويصدر حرارة بالأشعة تحت الحمراء. وتصف الشركة ذلك بأنه تبريد دون استهلاك كهربائي من الطلاء نفسه، عن طريق عكس أكثر من 95 بالمئة من الإشعاع الشمسي وإطلاق الحرارة في الوقت نفسه إلى الفضاء عبر نافذة الشفافية الجوية. ولا يعني هذا أن الطلاء يحل محل جميع أنظمة التكييف في كل الظروف. وبحسب الشركة، يمكن رشه أو تطبيقه بالفرشاة على الأسطح التي تسخن، مثل الأسقف وبعض أسطح الطرق.

وتعد SkyCool Systems شركة خاصة أخرى تعمل في التبريد الإشعاعي.

SkyCool Systems تطور حلول تبريد بمواد عالية الانعكاس تصدر الأشعة تحت الحمراء. ويمكن لألواحها، ضمن استخدامات أخرى، تحسين كفاءة أنظمة التبريد بانضغاط البخار. وتعتمد وفورات الطاقة والفوائد البيئية المستهدفة في حجمها على التركيب وظروف التشغيل.

أفكار ختامية

يجب أن تشمل مواجهة تغير المناخ تقليل الاستخدام غير الكفؤ للطاقة، إلى جانب مصادر الطاقة المستدامة. ويمكن للتبريد الإشعاعي أن يساهم في ذلك. وفي حديث ضمن TED، يناقش Aaswath Raman حلقة التغذية الراجعة المحتملة بين ارتفاع الحرارة، وزيادة الطلب على التكييف، والانبعاثات المصاحبة، وكيف يمكن للتبريد الإشعاعي أن يساعد في الحد منها.

إلى جانب تطورات أخرى، مثل الخلايا الكهروضوئية ذات الأبعاد الميكرومترية والملامسات الخلفية، قد تحقق مبادرات شركات مثل CeraCool فوائد في السنوات التالية للمقال. وتعتمد النتيجة على توسيع الإنتاج والأداء الفعلي.