A Scalable, All-Weather Energy-Managing Textile Synergizing Active Energy Harvesting and Passive Cooling

تخيل عالماً يمكن فيه للمواد التي تغطي مبانينا وملابسنا أن تفعل أكثر من مجرد حمايتنا من العوامل الجوية؛ حيث يمكنها أن تعمل بنشاط للحفاظ على برودتنا دون استخدام الكهرباء، بينما تلتقط في الوقت ذاته طاقة الأمطار المتساقطة لتشغيل أجهزة صغيرة. هذا هو الوعد الذي يقدمه نهج جديد لإدارة الطاقة في حياتنا اليومية، بالانتقال من الآلات المنفصلة والضخمة نحو أسطح ذكية تدمج وظائف متعددة. لسنوات طويلة، استكشف العلماء طرقاً لحصاد الطاقة من قطرات المطر، محولين التأثير الميكانيكي للمياه إلى كهرباء، كما طوروا بشكل منفصل مواد تعكس ضوء الشمس وتشع الحرارة بعيداً لتبريد الهياكل سلبياً. كان التحدي دائماً يكمن في دمج هاتين القدرتين المتمايزتين في مادة واحدة مرنة يمكن تصنيعها على نطاق واسع. وإذا نجح ذلك، فإن مثل هذه المادة يمكن أن تغير طريقة تفاعلنا مع بيئتنا، محولة كل يوم ممطر إلى مصدر للطاقة وكل يوم مشمس إلى فرصة للتبريد، وكل ذلك دون استهلاك طاقة إضافية.

لقد تمكن فريق من الباحثين الآن من ابتكار نسيج يحقق هذا بالضبط، حيث يدمج القدرة على حصاد طاقة المطر مع قوة التبريد السلبي في نسيج واحد موحد. هذا النسيج الجديد، الذي يطلقون عليه اسم "النسيج المدبر للطاقة"، مصمم للعمل في جميع الظروف الجوية. وهو مبني باستخدام هيكل طبقي يجمع بين نوع خاص من القماش البلاستيكي وطبقة مسامية. لقد تم هندسة القماش ليكون طارداً للماء بشكل كبير، مما يجعل قطرات المطر ترتد عنه بسرعة، مع كونه مصمماً أيضاً لتوليد الكهرباء عند اصطدام تلك القطرات به. وفي الوقت نفسه، تمت معالجة سطح القماش ليعكس جميع ضوء الشمس تقريباً ويشع الحرارة بطريقة تسمح له بالبقاء أبرد من الهواء المحيط، حتى تحت أشعة الشمس المباشرة. والنتيجة هي ورقة مرنة يمكن إسدالها فوق الأسطح أو الخيام أو المركبات، لتؤدي وظيفتين حيويتين في آن واحد: توليد الطاقة من المطر وتقليل الحاجة إلى تكييف الهواء من خلال البقاء باردة.

تعتمد الطريقة التي يولد بها هذا القماش الكهرباء على تفاعل ذكي بين الماء وسطح المادة. فعندما تسقط قطرة مطر على القماش، فإنها تلمس طبقة خاصة تحمل شحنة كهربائية سالبة بطبيعتها. ومع انتشار الماء عبر هذه الطبقة، فإنه يحفز انفصال الشحنات الكهربائية داخل القطرة نفسها. وقد صُمم القماش بنمط من الأقطاب المعدنية الدقيقة التي تلمسها المياه أثناء انتشارها، مما يؤدي إلى إكمال دائرة كهربائية، ويتسبب في تدفق نبضة من الإلكترونات بسرعة من جزء إلى آخر في القماش. تحدث هذه العملية بسرعة فائقة، في جزء من الثانية، مما يخلق طفرة حادة من الطاقة الكهربائية. ووجد الباحثون أن قطرة مطر واحدة تصطدم بالقماش يمكن أن تولد كهرباء كافية لإضاءة سلسلة من ثمانية وأربعين صماماً ثنائياً باعثاً للضوء (LED) بشكل فوري. ومن خلال ترتيب وحدات متعددة من هذا القماش معاً، تمكنوا من شحن بطارية صغيرة أو تشغيل مؤقت رقمي، مما يثبت أن الطاقة المحصودة من المطر كافية للإلكترونيات العملية ذات الاستهلاك المنخفض للطاقة.

وبعيداً عن توليد الطاقة، يتفوق القماش في الحفاظ على البرودة. فقد تم هندسة السطح بمسام وألياف مجهرية تعمل كمرآة لأشعة الشمس، حيث تعكس 93.3 بالمائة من أشعة الشمس إلى السماء حتى لا تسخن المادة. وفي الوقت نفسه، صُممت المادة لتطلق حرارتها الخاصة كإشعاع تحت حمراء غير مرئي، وهو نوع من الضوء يمر بسهولة عبر الغلاف الجوي وينطلق إلى الفضاء. هذا العمل المزدوج يسمح للقماش بالبقاء أبرد بكثير من الهواء المحيط به. وفي الاختبارات التي أجريت تحت ضوء الشمس الساطع، ظل النسيج أبرد بخمس درجات مئوية إلى أربع درجات من درجة الحرارة المحيطة دون استخدام أي كهرباء. واستمر تأثير التبريد هذا حتى في الليل، محافظاً على انخفاض في درجة الحرارة بمقدار مماثل تقريباً. وقد اختبر الباحثون ذلك في ظروف واقعية في مناخ شبه استوائي، حيث راقبوا القماش على مدار دورة كاملة مدتها أربع وعشرون ساعة، ووجدوا أنه يوفر باستمرار قدرة تبريد يمكن أن تقلل بشكل كبير من الطاقة المستخدمة لتبريد المباني.

إن الإمكانات الحقيقية لهذا الاختراع تكمن في قدرته على العمل كنظام متكامل لإدارة الطاقة. فقد بنى الباحثون نموذجاً أولياً لهيكل سقف مغطى بهذا النسيج لمعرفة كيفية أدائه في المبنى. وأظهرت النت النتائج أن السقف لم يولد الكهرباء من المطر فحسب، بل حافظ أيضاً على برودة التصميم الداخلي للمنشأة بمقدار درجتين مئويتين مقارنة بسقف قياسي خلال الجزء الأكثر حراً من اليوم. هذا المنفعة المزدوجة تعني أنه في المناخات الحارة، يمكن للمادة أن تقلل بشكل كبير من الطاقة المستخدمة في تكييف الهواء مع توفير مصدر صغير وثابت للطاقة للمستشعرات أو الأضواء. وتشير عمليات المحاكاة إلى أنه إذا استُخدمت مثل هذه المنسوجات في جدران وأسطح المباني في المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية، فإن التوفير السنوي في طاقة التبريد قد يصل إلى 15 جيجا جول لكل مبنى، بينما يمكن لطاقة المطر المحصودة تشغيل مختلف الأجهزة الصغيرة. كما أن القماش مرن ومتين، مما يعني إمكانية نسجه في أغطية السيارات، أو الخيام الخارجية، أو حتى الملابس، مما يوفر حلاً قابلاً للتوسع لجعل بيئتنا المبنية أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وذاتية الاستدامة.

وما يجعل هذا التطور مهماً بشكل خاص هو أنه يتغلب على المقايضات المعتادة في تكنولوجيا الطاقة. فعادة ما تكون المواد المصممة لحصاد الطاقة غير جيدة في عكس الحرارة، والمواد التي تبرد سلبياً غالباً ما تكون صلبة أو يصعب تصنيعها. نجح هذا النسيج الجديد في إدارة كليهما بفعالية بسبب تصميمه المحدد، الذي يستخدم مزيجاً من طبقة طاردة للماء لتوليد الطاقة وطبقة مسامية عاكسة للتبريد. وقد أثبت الباحثون أن هاتين الوظيفتين لا تتداخلان، بل تعملان معاً لخلق منصة متعددة الاستخدامات. المادة مصنوعة باستخدام عمليات يمكن توسيع نطاقها، مما يشير إلى إمكانية إنتاجها بكميات كبيرة للاستخدام الواسع. ومن خلال تحويل حدث جوي شائع مثل المطر إلى مصدر للطاقة واستخدام طاقة الشمس للحفاظ على برودة الأسطح دون كهرباء، يمثل هذا العمل خطوة ملموسة نحو مستقبل تساعد فيه موادنا اليومية على العيش بشكل أكثر استدامة.