مركبات متغيرة الطور جديدة ثلاثية الأبعاد قابلة للطباعة يمكنها أن تنظم درجات الحرارة داخل المباني – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

New 3D printable phase-changing composites can regulate temperatures inside buildings
 (Dharmesh Patel,  Texas A&M University – بواسطة: دارميش باتيل، جامعة تكساس إيه أند إم) 

ملخص المقالة:

تستهلك أنظمة التبريد والتدفئة التقليدية الكثير من الطاقة، وتحتاج إلى بديل أكثر ابتكارًا وفعالية في استخدام الطاقة، وبالتالي تقليل العبء على شبكات الطاقة المتعثرة بالفعل. وفي دراسة جديدة، ابتكر باحثون في جامعة تكساس إيه أند إم مركبات المواد متغيرة الطور جديدة ثلاثية الأبعاد قابلة للطباعة، يمكنها تنظيم درجات الحرارة داخل المباني باستخدام عملية تصنيع أبسط وفعالة من حيث التكلفة. وعلاوة على ذلك، يمكن إضافة هذه المركبات إلى مواد البناء، مثل الطلاء، أو الطباعة ثلاثية الأبعاد كبروزات منزلية مزخرفة لتندمج بسلاسة في البيئات الداخلية المختلفة. وتفتح القدرة على دمج مواد تغيير الطور في مواد البناء باستخدام طريقة قابلة للتطوير فرصًا لإنتاج المزيد من التنظيم السلبي لدرجة الحرارة في كل من المباني الجديدة والهياكل الموجودة بالفعل.

( المقالة )

تركت أنماط المناخ المتغيرة الملايين من الناس عرضة لظواهر الطقس المتطرفة. ونظرًا لأن تقلبات درجات الحرارة أصبحت أكثر شيوعًا في جميع أنحاء العالم، فإن أنظمة التبريد والتدفئة التقليدية التي تستهلك الكثير من الطاقة تحتاج إلى بديل أكثر ابتكارًا وفعالية في استخدام الطاقة، وبالتالي تقليل العبء على شبكات الطاقة المتعثرة بالفعل.

وفي دراسة جديدة، ابتكر باحثون في جامعة تكساس إيه أند إم مركبات المواد متغيرة الطور (PCM) جديدة ثلاثية الأبعاد قابلة للطباعة  يمكنها تنظيم درجات الحرارة المحيطة داخل المباني باستخدام عملية تصنيع أبسط وفعالة من حيث التكلفة. وعلاوة على ذلك، يمكن إضافة هذه المركبات إلى مواد البناء، مثل الطلاء، أو الطباعة ثلاثية الأبعاد كبروزات منزلية مزخرفة لتندمج بسلاسة في البيئات الداخلية المختلفة.

وقالت الدكتورة إميلي بنتزر، الأستاذ المشارك في قسم علوم وهندسة المواد وقسم الكيمياء: “إن القدرة على دمج مواد تغيير الطور في مواد البناء باستخدام طريقة قابلة للتطوير تفتح فرصًا لإنتاج المزيد من التنظيم السلبي لدرجة الحرارة في كل من المباني الجديدة والهياكل الموجودة بالفعل”.

وقد نُشرت هذه الدراسة في عدد يونيو من مجلة “ماتر” (Matter).

إن أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) هي أكثر الطرق شيوعًا لتنظيم درجات الحرارة في المنشآت السكنية والتجارية. ومع ذلك، فإن هذه الأنظمة تستهلك الكثير من الطاقة. وعلاوة على ذلك، يستخدمون مواد الدفيئة، التي تسمى المبردات، لتوليد هواء بارد وجاف. وأدت هذه المشكلات المستمرة مع أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء إلى البحث في المواد والتقنيات البديلة التي تتطلب طاقة أقل للعمل ويمكن أن تنظم درجة الحرارة بما يتناسب مع أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء.

وإحدى المواد التي اكتسبت الكثير من الاهتمام لتنظيم درجة الحرارة هي مواد تغيير الطور. وكما يوحي الاسم، تغير هذه المركبات حالتها الفيزيائية اعتمادًا على درجة الحرارة في البيئة. ولذلك، عندما تخزن المواد المتغيرة الطور الحرارة، فإنها تتحول من مادة صلبة إلى سائلة عند امتصاص الحرارة والعكس صحيح عند إطلاقها للحرارة. وبالتالي، على عكس أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء التي تعتمد فقط على الطاقة الخارجية للتدفئة والتبريد، فإن هذه المواد عبارة عن مكونات سلبية لا تتطلب كهرباء خارجية لتنظيم درجة الحرارة.

ويتطلب النهج التقليدي لتصنيع مواد بناء المواد متغيرة الطور تشكيل غلاف منفصل حول كل جسيم من المواد متغيرة الطو  مثل كوب للاحتفاظ بالماء، ثم إضافة هذه المواد متغيرة الطور المغلفة حديثًا إلى مواد البناء. ومع ذلك، فإن العثور على مواد بناء متوافقة مع كل من المواد متغيرة الطور وغلافها يمثل تحديًا. وبالإضافة إلى ذلك، تقلل هذه الطريقة التقليدية أيضًا من عدد جسيمات المواد متغيرة الطور التي يمكن دمجها في مواد البناء.

وقالت سييرا سيبرياني، زميلة أبحاث الدراسات العليا لتكنولوجيا الفضاء في قسم علوم وهندسة المواد في وكالة ناسا: “تخيل ملء وعاء بالبيض والماء، فإذا كان لابد من وضع كل بيضة في وعاء فردي حتى يتم سلقها جيدًا، فسيتم وضع عدد أقل من البيض في القدر. وبإزالة الحاويات البلاستيكية، فإن القشرة الحقيقية في بحثنا، أو المزيد من البيض، أو المواد متغيرة الطور  يمكن أن تشغل حجمًا أكبر عن طريق التعبئة بشكل أقرب معًا داخل الماء / الراتنج (resin)”.

وللتغلب على هذه التحديات، أظهرت الدراسات السابقة أنه عند استخدام شمع البارافين المتغير الطور الممزوج بالراتنج السائل، فإن الراتينج يعمل كقشرة ومواد بناء. وتغلق هذه الطريقة جزيئات المواد متغيرة الطور داخل جيوبها الفردية، مما يسمح لها بالخضوع لتغيير المرحلة بأمان وإدارة الطاقة الحرارية دون تسرب.

وبالمثل، قامت البروفيسور بينتزير وفريقها  أولاً بدمج الراتنجات السائلة الحساسة للضوء مع مسحوق شمع البارافين المتغير الطور لإنشاء مركب حبر ثلاثي الأبعاد جديد قابل للطباعة، مما يعزز عملية الإنتاج لمواد البناء التي تحتوي على المواد متغيرة الطور والقضاء على عدة خطوات، بما في ذلك التغليف.

إن خليط الراتينج / المواد متغيرة الطور ناعم وشبيه بالمعجون وقابل للطَرْق، مما يجعله مثاليًا للطباعة ثلاثية الأبعاد ولكن ليس لهياكل المباني. ومن ثم، باستخدام راتينج حساس للضوء، قاموا بمعالجته بأشعة فوق بنفسجية لتقوية العجينة ثلاثية الأبعاد القابلة للطباعة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الواقعية.

وبالإضافة إلى ذلك، وجدوا أن الشمع المتغير الطور المُضَمَن داخل الراتنج لم يتأثر بالأشعة فوق البنفسجية ويشكل 70٪ من الهيكل المطبوع. وهذه نسبة مئوية أعلى مقارنة بمعظم المواد المتاحة حاليًا المستخدمة في الصناعة.

وبعد ذلك، اختبروا التنظيم الحراري لمركباتهم المتغيرة الطور عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد لنموذج صغير على شكل منزل وقياس درجة الحرارة داخل المنزل عند وضعه في الفرن. وأظهر تحليلهم أن درجة حرارة النموذج اختلفت بنسبة 40٪ مقارنةً بدرجات الحرارة الخارجية لكل من الدورات الحرارية للتدفئة والتبريد عند مقارنتها بالنماذج المصنوعة من المواد التقليدية.

وفي المستقبل، سيقوم الباحثون بتجربة مواد مختلفة لتغيير الطور بعيدًا عن شمع البارافين بحيث يمكن لهذه المركبات أن تعمل في نطاقات درجات حرارة أوسع وإدارة المزيد من الطاقة الحرارية خلال دورة معينة.

وقال الدكتور بييران وي، عالم الأبحاث في قسم علوم وهندسة المواد ومرفق المواد الناعمة: “نحن متحمسون لإمكانية موادنا في الحفاظ على راحة المباني مع تقليل استهلاك الطاقة”. وتابع: “يمكننا الجمع بين أجهزة المواد متغيرة الطور متعددة بدرجات حرارة انصهار مختلفة وتوزيعها بدقة في مناطق مختلفة من كائن مطبوع واحد لتعمل في جميع الفصول الأربعة وفي جميع أنحاء العالم”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://techxplore.com/news/2021-07-3d-printable-phase-changing-composites-temperatures.html

لمزيد من المعلومات: پيران وي وآخرون،  Thermal energy regulation with 3D printed polymer-phase change material composites, Matter (2021).  DOI: 10.1016/j.matt.2021.03.019