علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Avoiding an energy cold crunch with more efficient cooling
(Kelsey Adkisson – بقلم: كيلسي أدكيسون)
ملخص المقالة:
يُستَخدَم ما يقرب من 20٪ من الكهرباء المنتجة في جميع أنحاء العالم لتبريد المباني، وقد يتضاعف هذا الرقم ثلاث مرات بحلول عام 2035. وهناك حل واحد وهو تطوير تقنيات لجعل التبريد أكثر كفاءة، اذ يعمل باحثون من مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (الأمريكي) على تطوير تقنية تبريد بديلة تستخدم الامتزاز. وبحثًا عن مواد نانوية مسامية مختلفة كممتزات، تحولوا إلى بوليمرات عضوية تساهمية يمكنها أن تمتص المبرد (refrigerant) أكثر بثلاث مرات من أفضل البدائل المتاحة، مما يؤدي إلى تبريد أكثر كفاءة. ولكن القصة حول كيفية حدوث هذا الاكتشاف الأخير غير متوقعة، حيث أدت العيوب الصغيرة في مادة اثنين من هذه البوليمرات إلى زيادة الامتصاص بطريقة غير كاملة تمامًا.
( المقالة )
مع ارتفاع درجات الحرارة، يتم تشغيل مكيفات الهواء. ويتطلب التبريد الكثير من الطاقة – مما يجهد شبكات الطاقة ويزيد الانبعاثات في البلدان التي لا تزال تعتمد على الوقود الأحفوري.
ويُستَخدَم ما يقرب من 20٪ من الكهرباء المستخدمة في جميع أنحاء العالم لتبريد المباني. وما لم يتم تحديده، فقد يتضاعف هذا الرقم ثلاث مرات بحلول عام 2035. وهناك حل واحد: تطوير تقنيات لجعل التبريد أكثر كفاءة.
ويطور باحثون من مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (الأمريكي) تقنية تبريد بديلة تستخدم الامتزاز (adsorption) – ربط واطلاق مركبات التبريد بواسطة مادة ممتزة. وبحثًا عن مواد نانوية مسامية (متناهية الصغر) مختلفة كممتزات، تحول الباحثون إلى بوليمرات عضوية تساهمية (covalent organic polymers -COP). ويمكن البوليمرات العضوية التساهمية أن تمتص المبرد (refrigerant) أكثر بثلاث مرات من أفضل البدائل المتاحة، مما يؤدي إلى تبريد أكثر كفاءة.
ولكن القصة حول كيفية حدوث هذا الاكتشاف الأخير غير متوقعة بعض الشيء. وقد أدت العيوب الصغيرة في المادة إلى زيادة الامتصاص بطريقة غير كاملة تمامًا.
وقال راضا موتكوري، المهندس الكيميائي في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني الذي قاد الدراسة، التي تم اختيارها كمقالة ساخنة وفي أعلى 10٪ من منشورات في مجلة جمعية الكيميائيين الألمانية (أنغيواندت تشيمي – Angewandte Chemie): “لقد كانت غير عادية – أتعلم؟ علمنا أن شيئا غير موضح يحدث بنتائجنا، لكننا لم نكن متأكدين من السبب بالضبط”.
تبريد أكثر كفاءة … عن طريق الصدفة
حدثت بعض الاكتشافات الكبرى في العالم عن طريق الصدفة، مثل النايلون، واختراع الميكروويف، أو حتى الزجاج المضاد للكسر. وفي حالة التبريد، أدت بعض الثغرات الصغيرة إلى رؤى كبيرة.
وعلى مدار العقد الماضي، كان “پيت ماكغريل”، زميل في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني، وموتكوري، جنبا الى جنب مع فريقهم، يدرسون المواد الأكثر كفاءة في امتزاز المبردات الشائعة المستخدمة في تقنية التبريد بالامتزاز. وقد قطعوا خطوات كبيرة في هندسة أنواع مختلفة من المواد المسامية التي تحتوي على المبردات. ولكنهم اعتقدوا أنه قد تكون هناك إمكانات غير مستكشفة في المواد النانوية الأخرى، بما في ذلك البوليمرات العضوية التساهمية.
وقال ماكغريل: “مع استمرار نمو قضايا المناخ، فإن إيجاد طرق لتقليل استهلاك الطاقة، مثل التبريد البديل والأكثر كفاءة، هو ضرورة مطلقة”. وأضاف: “يعتمد هذا البحث على تقنية التبريد الحائزة على جائزة البحوث والتطوير 100 (R&D 100) لعام 2017”.
وتُستخدم البوليمرات في جميع مناحي الحياة، من الشامبو إلى بدلات الفضاء. ويمكن دمجها مع عناصر أخرى لخدمة أغراض مختلفة – عند دمجها مع الكربون، على سبيل المثال، يمكن تحويلها إلى بوليستر ونايلون.
وقد اختبر الفريق 23 بوليمرًا عضويًا تساهميًا مختلفًا لمعرفة امكاناتها لتبريد الامتزاز أو التبريد. واستقر معظمها بقدرات امتزاز منخفضة، مما يعني أنهم لم يعودوا قادرين على الامتزاز أكثر وبلغت الحد الأقصى. ولكن اثنين من البوليمرات لم يفعلا ذلك – زاد الامتزاز، واستمرا في الامتزاز أكثر.
قال موتكوري: “اعتقدنا أن شيئًا ما كان خطأً في الجهاز عندما اختبرنا قدرات الامتزاز. كانت المعدلات أعلى بكثير مما توقعنا”.
لذلك، حاولوا مرة أخرى. وقد حصلوا على نفس النتائج. مركبان، يسميان بوليمر عضوي تساهمي-2 وبوليمر عضوي تساهمي-3، لهما قدرات امتزاز عالية. وكانت عالية جدًا لدرجة أنها تجاوزت ما كان يتوقعه الباحثون. ولذلك، تواصل موتكوري مع متعاون في فرنسا، اسمه غيوم مورين في جامعة مونبلييه، ولديه خبرة في المحاكاة الجزيئية لتنبؤ امتزاز هذين البوليمرين.
وكما الزنبرك الحلزوني المضغوط يميل الى مقاومة التغيير في حركته، كذلك بوليمر عضوي تساهمي-2 وبوليمر عضوي تساهمي-3 هما عبارة عن حلقات كيميائية من الكربون والنيتروجين، وكلها مكدسة معًا. وكان عليهم تفريغ كل طبقة ليروا كيف أثرت على الامتزاز.
ومن الغريب أن نماذج محاكاة هيكل بوليمر عضوي تساهمي-2 وبوليمر عضوي تساهمي-3 لم تؤد إلى مستويات الامتزاز التي رأوها على طاولة المختبر. ففي عمليات المحاكاة، استقر الامتزاز، ولكنه ارتفع بشكل كبير في المختبر.
قال موتكوري: “هذا عندما أدركنا أن شيئًا آخر كان يحدث”. وتابع: “وكان لدى فريقنا فكرة”. فبناءً على عمل سابق، عرف الباحثون أن العيوب الصغيرة تلعب دورًا مثيرًا للاهتمام في الامتزاز. وأضاف: “ماذا لو أضفنا عيوبًا إلى نماذج هيكل البوليمرات العضوية التساهمية هذه في المحاكاة؟”.
العيوب التي ليست معيبة
استخدم مورين وفريقه عمليات المحاكاة لإنشاء ثقوب أو عيوب صغيرة في المادة عن طريق إزالة بعض السمات الكيميائية من الحلقات.
وقال موتكوري: “هذا عندما رأينا شيئًا سحريًا يحدث”. فقد زاد الامتزاز، واصطف امتزاز البوليمرات المعيبة للغاية مع نتائج المختبر.
لقد وجدوا أن العيوب الإستراتيجية تعزز الامتزاز في البوليمرات العضوية التساهمية وهو ما يفسر المعدلات المتزايدة التي رأوها في المختبر.
وأضاف مورين: “هناك عيوب من البداية في اثنين من البوليمرات العضوية التساهمية التي كنا نقوم باختبارها في المختبر. في بعض الأحيان تنجح الأشياء، حتى عندما تكون غير متوقعة بعض الشيء”.
لماذا يعتبر التبريد الفعال مهمًا جدًا للمناخ؟
التبريد ليس فقط من أجل الراحة في يوم صيفي حار، فالحرارة الشديدة هي خطر صحي مميت. ومع ارتفاع درجات الحرارة العالمية، قد تصبح بعض المناطق المأهولة بالسكان شديدة الحرارة بحيث لا يمكن العيش فيها في أجزاء معينة من العام.
وبالإضافة إلى ذلك، من المتوقع أن تزداد متطلبات الطاقة في المستقبل، ويستهلك تكييف الهواء بالفعل الكثير من الطاقة. ففي عام 2019، كان 8.5٪ من استهلاك الكهرباء في الولايات المتحدة من مكيفات الهواء، وفقًا لوكالة الطاقة الدولية. وعالميًا، قد تصبح الشبكات الكهربائية مثقلة مع زيادة عدد أنظمة التبريد، والنمو السكاني، وزيادة الدخل، مما يمكّن المزيد من الناس من شراء مكيفات الهواء.
ويصبح هذا مهمًا بشكل خاص في المناطق التي لا تأتي فيها الطاقة من مصادر خضراء. ومن المتوقع أن يزداد تكييف الهواء بشكل كبير في البلدان التي يقل فيها انتشاره حاليًا، مثل إندونيسيا أو الهند.
ويمكن لمكيفات الهواء عالية الأداء أن تخفض الطلب على الطاقة للتبريد إلى النصف. ويعد تطوير التقنيات في الاتجاه نحو تبريد أكثر كفاءة هدفًا رئيسيًا، خاصةً لأنه من المتوقع أن تتضاعف الطاقة المطلوبة للتبريد ثلاث مرات خلال العقود الثلاثة القادمة. ويمكن أن يساعد تطوير التقنية من أجل تبريد أكثر كفاءة في التخفيف من التحديات في عالم سريع الاحترار.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2021-09-energy-cold-crunch-efficient-cooling.html
لمزيد من المعلومات: جيان زهينغ وآخرون، Porous Covalent Organic Polymers for Efficient Fluorocarbon‐Based Adsorption Cooling, Angewandte Chemie International Edition (2021). DOI: 10.1002/anie.202102337
