← أحدث الأبحاث
🔬 physics

Nanoparticulate selective emitters for effective radiative cooling in urban heat islands

تُظهر هذه الدراسة أن البواعث الانتقائية ذات الجسيمات النانوية (Nano-SEs) تتفوق بشكل كبير على البدائل عريضة النطاق في التخفيف من حدة الجزر الحرارية الحضرية، وذلك من خلال تحقيق درجات حرارة سطحية أقل في ظل عوامل رؤية السماء المحدودة التي تميز المشاهد الحضرية الكثيفة، مما يقدم حلاً قابلاً للتوسع لتعزيز المرونة الحرارية في المدن.

المؤلفون الأصليون: Ioannis Papakonstantinou, Jiayu Song, Ahmad Alduweesh, Abdulkareem Alasli, Zhijie Xu, Albert Adibekyan, Christian Monte, Haoying Zhao, Fei Guo, Ivan Parkin

نُشر 2026-09-09
📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة
CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Ioannis Papakonstantinou, Jiayu Song, Ahmad Alduweesh, Abdulkareem Alasli, Zhijie Xu, Albert Adibekyan, Christian Monte, Haoying Zhao, Fei Guo, Ivan Parkin

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

غالباً ما تكون المدن أكثر دفئاً بشكل ملحوظ من الريف المحيط بها، وهي ظاهرة تُعرف باسم تأثير الجزيرة الحرارية الحضرية. تأتي هذه الحرارة الإضافية من تسخين الشمس للمباني والطرق، والتي تقوم بعد ذلك بإعادة إشعاع تلك الطاقة المخزنة إلى الهواء، مما يخلق حلقة تغذية راجعة تجعل تبريد المدن أكثر صعوبة وأكثر تكلفة للعيش فيها. ومن الطرق الواعدة لمكافحة ذلك دون استخدام الكهرباء هي التبريد الإشعاعي. تعمل هذه العملية من خلال السماح لسطح ما بإشعاع حرارته مباشرة إلى الفراغ البارد في الفضاء. يعمل الغلاف الجوي كـ "نافذة" لهذه الحرارة، حيث يسمح للأشعة تحت الحمراء بالمرور عبر نطاق محدد من الأطوال الموجية بينما يحجبها عند أطوال أخرى. وإذا كان بإمكان مادة ما أن تشع حرارة بقوة عبر هذه النافذة الجوية وتعكس ضوء الشمس، فمن الممكن نظرياً أن تبرد نفسها حتى عندما يكون الهواء المحيط بها حاراً.

لسنوات، ناقش العلماء أفضل طريقة لبناء هذه المواد المبردة. بعض التصاميم هي "عريضة النطاق"، مما يعني أنها تشع حرارة عبر مجموعة واسعة من الأطوال الموجية تحت الحمراء. أما البعض الآخر فهو "انتقائي"، مصمم لإشعاع الحرارة فقط من خلال تلك النافذة الجوية المحددة مع عكس الحرارة عند جميع الأطوال الموجية الأخرى. وفي المناطق الريفية المفتوحة حيث تكون السماء غير محجوبة، أشارت الأبحاث السابقة إلى أن التصاميم الانتقائية الأكثر تعقيداً لا تقدم سوى ميزة ضئيلة جداً مقارنة بالتصاميم عريضة النطاق الأبسط. وقد أدى هذا إلى اعتقاد الكثيرين بأن الجهد الإضافي لصنع البواعث الانتقائية لا يستحق العناء. ومع ذلك، فقد افترض هذا الاستنتاج وجود رؤية واضحة للسماء، وهو شرط نادراً ما يتوفر في الشوارع الكثيفة التي تشبه الأخاديد في المدن الحديثة.

لقد أظهر فريق من الباحثين من جامعة كوليدج لندن ومؤسسات أخرى أن البواعث الانتقائية هي الأفضل بكثير في عالم أسطح المنازل الواقعي. فقد وجدوا أنه عندما يكون سطح التبريد محاطاً بمبانٍ ساخنة، فإن المواد عريضة النطاق البسيطة تمتص الحرارة غير المرغوب فيها المشعة من تلك الجدران، مما يؤدي إلى تسخينها. وفي المقابل، تعكس البواعث الانتقائية تلك الحرارة الشاردة من المباني بينما لا تزال تسمح لحرارتها الخاصة بالهروب إلى الفضاء. ولإثبات ذلك، طور الباحثون نوعاً جديداً من المواد يسمى الباعث الانتقائي ذو الجسيمات النانوية. وبدلاً من استخدام طبقات صلبة ومعقدة يصعب تصنيعها، قاموا بإنشاء جسيمات صغيرة من "أوكسي نيتريد السيليكون". وقد تم هندسة هذه الجسيمات بهيكل مسامي يشبه الإسفنج لضمان إمكانية تحويلها بالكامل أثناء التصنيع، مما يمنحها القدرة المثالية على إشعاع الحرارة فقط عبر النافذ الجوية.

اختبر الباحثون هذه المواد في بيئتين مختلفتين تماماً. أولاً، وضعوا هذه المواد على سطح مبنى في لندن مع رؤية واضحة للسماء. وكما هو متوقع، كان أداء البواعث الانتقائية مشابهاً تقريباً للمواد عريضة النطاق، حيث بردت السطح ببضع درجات تحت درجة حرارة الهواء المحيط. وقد أكد هذا أن في المساحات المفتوحة، لا توفر التعقيدات الإضافية للبواعث الانتقائية ميزة كبيرة. تغيرت القصة تماماً عندما قاموا بمحاكاة بيئة حضرية كثيفة. حيث أقاموا اختباراً حيث كانت عينات التبريد محاطة بجدران ساخنة، لمحاكاة واجهات المباني العالية التي تحجب رؤية السماء. في هذا السيناريو، فشلت المواد عريضة النطاق في التبريد بفعالية، وغالباً ما أصبحت أكثر دفئاً من الهواء المحيط بها لأنها امتصت الحرارة من الجدران. ومع ذلك، استمرت البواعث الانتقائية في التبريد، وظلت أبرد بكثير من النسخ عريضة النطاق.

ازدادت ميزة التصميم الانتقائي مع زيادة الحرارة المحيطة. فعندما قام الباحثون بمحاكاة جدران سُخنت لدرجات حرارة تتراوح بين 40 و80 درجة مئوية، ظلت البواعث الانتقائية أبرد بمقدار يصل إلى 5 درجات مئوية من المواد عريضة النطاقات. وفي عمليات محاكاة أكثر تطرفاً، حيث وصلت درجة حرارة المصدر الحراري إلى 500 درجة مئوية، اتسعت الفجوة بشكل أكبر. يحدث هذا لأن الحرارة المشعة من الأجسام شديدة السخونة تنتقل إلى أطوال موجية أقصر تقع خارج النافذة الجوية؛ فالمادة الانتقائية ترفض هذه الحرارة بشكل طبيعي، بينما تمتصها المادة عريضة النطاق. كما أن الفريق صنع نسختين من مادتهما: نسخة تعكس ضوء الشمس للاستخدام على الأسطح المعتمة، وأخرى شفافة لضوء الشمس للاستخدام في النوافذ أو البيوت الزجاجية. وحافظت كلتا النسختين على قدرتهما على رفض الحرارة من المحيطات الساخنة مع إشعاع حرارتهما الخاصة بعيداً.

باستخدام نماذج حاسوبية تعتمد على المخطط الفعلي لمدينة لندن، توقع الفريق ما سيحدث إذا غُطيت كتل كاملة من المدينة بهذه المواد. في المناطق منخفضة الارتفاع، عمل كلا النوعين من المواد بشكل جيد. ولكن في المناطق ذات الأبراج العالية، حيث تُحجب رؤية السماء بشدة بسبب ناطحات السحاب، عانت المواد عريضة النطاق في الحفاظ على برودة الأسطح. ومع ذلك، حافظت البواعث الانتقائية على درجات حرارة منخفضة عبر المنطقة بأكملها، مما ساهم بفعالية في مواجهة الحرارة المحتبسة بين المباني. يشير هذا العمل إلى أنه بينما قد تكون المواد البسيطة كافية للمساحات المفتوحة، فإن التحديات الفريدة للمدن الكثيفة تتطلب دقة البواعث الانتقائية. فمن خلال رفض الحرارة المشعة من المباني المجاورة وإطلاق حرارتهم فقط إلى الكون البارد، توفر هذه المواد الجديدة القائمة على الجسيمات النانوية طريقة قابلة للتوسع وعملية لجعل مدن المستقبل أكثر قابلية للعيش وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.

غارق في أبحاث مجالك؟

تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.

جرّب Digest →

أبحاث مشابهة

عرض الكل في هذا التصنيف 🔬 physics →