فناوری خنک سازی تابشی غیرفعال: خنک‌سازی طبیعی در روز با پتانسیل تولید برق

گرمایش زمین به یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های محیط‌زیستی تبدیل شده است. با افزایش دمای هوا و تغییرات اقلیمی، نیاز به روش‌های خنک‌سازی کم‌مصرف و پایدار بیشتر شده است. سیستم‌های خنک‌کننده سنتی مانند کولرهای گازی و دستگاه‌های سرمایشی، مصرف انرژی بالایی دارند و گازهای گلخانه‌ای تولید می‌کنند که به تشدید گرمایش جهانی کمک می‌کنند. به همین دلیل، پژوهشگران به دنبال راهکارهای طبیعی و کم‌مصرف برای خنک کردن محیط‌های داخلی و خارجی هستند.

یکی از فناوری‌های نوظهور و نوآورانه در این زمینه، خنک‌سازی تابشی غیرفعال (Passive Radiative Cooling) است. این روش بدون نیاز به مصرف برق یا انرژی فعال، می‌تواند دمای سطوح را کاهش دهد. اساس کار این فناوری بر پایه بازتاب نور خورشید و تابش حرارت به فضا است. در روزهای آفتابی، سطح پوشش داده شده با مواد خاص می‌تواند گرمای تابیده شده از خورشید را بازتاب کند و در عین حال، گرمای خود را به صورت امواج مادون‌قرمز به آسمان ارسال کند. این روند باعث می‌شود دمای سطح پایین‌تر از دمای محیط شود و اثر خنک‌سازی طبیعی ایجاد شود.

علاوه بر این، فناوری‌های جدید امکان استفاده همزمان از این سیستم‌ها برای تولید برق از اختلاف دما را فراهم کرده‌اند. با ترکیب خنک‌سازی تابشی غیرفعال با مواد ترموالکتریک، می‌توان همزمان با کاهش دما، برق پاک و بدون آلودگی تولید کرد. این فناوری نوین، آینده‌ای پایدار و دوستدار محیط‌زیست را نوید می‌دهد.

در ادامه این مقاله، به بررسی جزئیات خنک‌سازی تابشی غیرفعال، عملکرد آن، مزایا و چالش‌هایش و پتانسیل‌های تولید برق خواهیم پرداخت. این روش می‌تواند تحول بزرگی در خنک‌سازی طبیعی و تولید انرژی پاک ایجاد کند و گزینه‌ای مناسب برای مناطق گرم و خشک مانند ایران باشد.

فناوری خنک سازی تابشی غیرفعال(Passive Radiative Cooling) چیست؟

خنک‌سازی تابشی غیرفعال روشی طبیعی برای کاهش دما است. این فناوری بدون مصرف برق، سطح یا محیط را خنک می‌کند. در این روش، سطحی خاص نور خورشید را منعکس می‌کند تا کمتر گرم شود. همزمان، حرارت را به صورت امواج مادون‌قرمز به آسمان می‌تاباند. این امواج از جو عبور کرده و به فضا منتقل می‌شوند. تابش حرارت به فضا باعث می‌شود دمای سطح کمتر از دمای هوای اطراف شود. به همین دلیل، سطح خنک می‌ماند حتی در طول روز و تابش مستقیم خورشید.

یک مثال ساده این است که سقف سفید رنگ در شب سرد می‌شود. آن سقف، گرمای خود را به آسمان تابش می‌دهد و دما پایین می‌آید. فناوری خنک‌سازی تابشی غیرفعال همان اصل را در روز و با مواد خاص پیاده می‌کند. این فناوری به پوشش‌ها یا پوشش‌های نانوساختاری نیاز دارد که بازتاب نور خورشید را زیاد می‌کند و تابش مادون‌قرمز را بهینه می‌کند. خنک‌سازی تابشی غیرفعال هیچ انرژی مصرفی ندارد و کاملاً طبیعی است. این فناوری برای مناطق گرم و خشک بسیار مناسب است. چون آسمان صاف و رطوبت کم به تابش بهتر حرارت کمک می‌کند.

کاربردهای این فناوری شامل خنک‌سازی ساختمان‌ها، خودروها و تجهیزات الکترونیکی است. این روش می‌تواند مصرف انرژی سیستم‌های سرمایشی را کاهش دهد و به محیط زیست کمک کند. در نهایت، خنک‌سازی تابشی غیرفعال روشی پایدار و کم‌هزینه برای کاهش دمای محیط است که آینده خنک‌سازی را شکل می‌دهد.

چطور هم خنک می‌کند و هم برق تولید می‌کند؟

فناوری خنک‌سازی تابشی غیرفعال دو عملکرد هم‌زمان دارد. این سیستم هم دمای سطح را کاهش می‌دهد و هم برق تولید می‌کند.

1️⃣ خنک‌سازی از طریق تابش و بازتاب

سطح پوشش داده شده، بخش زیادی از نور خورشید را بازتاب می‌دهد. این سطح اجازه نمی‌دهد انرژی خورشید جذب شود و دمای آن بالا برود.
همزمان، سطح گرمای خود را به صورت امواج مادون‌قرمز به فضا تابش می‌کند. این امواج از پنجره مادون‌قرمز جو عبور می‌کنند و به فضا منتقل می‌شوند.
نتیجه این فرآیند، کاهش دمای سطح حتی زیر نور مستقیم خورشید است.

2️⃣ تولید برق با اختلاف دما

کاهش دمای سطح باعث ایجاد اختلاف دما با محیط می‌شود. مواد ترموالکتریک این اختلاف دما را به جریان برق تبدیل می‌کنند. این مواد به گونه‌ای طراحی شده‌اند که از گرادیان دمایی برای تولید انرژی استفاده می‌کنند. یعنی از یک طرف سرد و از طرف دیگر گرم باقی می‌مانند و برق تولید می‌کنند.

3️⃣ ترکیب با فناوری‌های دیگر

برخی سیستم‌ها از پوشش‌های تابشی و سلول‌های ترموالکتریک به صورت همزمان استفاده می‌کنند. مثلاً روی سقف می‌توان هم سطح بازتاب‌دهنده قرار داد و هم بخش تولید برق را نصب کرد. حتی می‌توان فناوری خورشیدی و خنک‌کننده را با هم ترکیب کرد تا راندمان کلی افزایش یابد.

4️⃣ چرا این کار ممکن است؟

چون زمین به‌طور طبیعی به فضا تابش حرارتی دارد. این فرآیند از فیزیک تابش حرارتی و تفاوت دما بین زمین و آسمان استفاده می‌کند. محققان این پدیده را مهندسی کرده‌اند تا هم خنک‌سازی انجام شود و هم برق به‌دست آید.

مزایا و معایب این روش

✅ مزایای خنک‌سازی تابشی غیرفعال:

• بدون نیاز به برق کار می‌کند.

• هزینه عملیاتی ندارد.

• آلودگی ایجاد نمی‌کند.

• مصرف برق سیستم‌های سرمایشی را کاهش می‌دهد.

• عمر مفید طولانی دارد.

• قابل ترکیب با تولید برق است.

• برای اقلیم گرم و خشک عالی عمل می‌کند.

• قابل نصب روی سقف‌ها و سازه‌های مختلف است.

❌ معایب خنک‌سازی تابشی غیرفعال:

• در آب‌وهوای مرطوب بازدهی کم می‌شود.

• هوای ابری کارایی را کاهش می‌دهد.

• برای شب و روزهای خاص محدود است.

• به پوشش‌های خاص نیاز دارد.

• در برخی شرایط، اختلاف دما کافی ایجاد نمی‌شود.

• فضای زیادی نیاز دارد.

نمونه‌های واقعی و تحقیقات جدید در زمینه خنک‌سازی تابشی غیرفعال

دانشگاه استنفورد – خنک‌سازی تابشی در روز

محققان دانشگاه استنفورد به سرپرستی پروفسور شانهویی فان موفق شدند فناوری خنک‌سازی تابشی را حتی در نور مستقیم خورشید عملی کنند. آن‌ها برای این کار یک پوشش نانوفوتونیکی جدید طراحی کردند که می‌تواند هم نور خورشید را بازتاب دهد و هم حرارت را به صورت امواج مادون‌قرمز به آسمان بفرستد. در ساخت این پوشش از لایه‌هایی بسیار نازک استفاده شده؛ حدود ۱.۸ میکرون ضخامت دارد. مواد به‌کاررفته شامل سیلیکا و اکسید هافنیم است که روی لایه‌ای از نقره قرار گرفته‌اند. این ساختار به‌طور هم‌زمان مانند آینه‌ای برای نور فرابنفش عمل می‌کند و در عین حال امواج مادون‌قرمز را به‌خوبی از خود عبور می‌دهد.

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این سیستم می‌تواند حتی در روز و زیر تابش شدید آفتاب، دمای سطح را تا ۵ درجه سانتی‌گراد کمتر از دمای هوای محیط نگه دارد. به عبارت دیگر، این سطح خودش را خنک می‌کند بدون اینکه برق مصرف کند. توان خنک‌کنندگی خالص این پوشش بیش از ۱۰۰ وات بر متر مربع گزارش شده که تقریباً معادل بازدهی یک پنل خورشیدی با راندمان ۱۰ درصد است.

طبق محاسبات تیم تحقیقاتی، اگر فقط ۱۰ درصد سقف یک خانه با این پوشش پوشانده شود، می‌تواند تا ۳۵ درصد از مصرف برق کولر در تابستان جلوگیری کند. این یافته‌ها در نشریه علمی Nano Letters منتشر شده و رسانه‌های معتبری مانند Wired نیز به آن پرداخته‌اند. این پروژه نشان می‌دهد که خنک‌سازی تابشی غیرفعال نه‌تنها در شب، بلکه در روز و زیر نور شدید خورشید هم می‌تواند کارآمد باشد. این فناوری می‌تواند آینده سرمایش ساختمان‌ها را دگرگون کند.

دانشگاه ایالتی آریزونا_خنک‌سازی تابشی در ایستگاه‌های اتوبوس

محققان دانشگاه ایالتی آریزونا (ASU) پوشش‌های نازکی روی سقف ایستگاه‌های اتوبوس نصب کردند که توانایی بازتاب ۹۴٪ نور خورشید و تابش ۹۳٪ حرارت را دارند. این فناوری باعث می‌شود سطح پوشیده شده، در روزهای گرم تا حد قابل توجهی خنک‌تر از هوای اطراف باقی بماند.

نتایج آزمایش‌های میدانی نشان داده است که این پوشش‌ها دمای سقف ایستگاه‌ها را کاهش داده و در نتیجه نیاز به سیستم‌های تهویه و خنک‌کننده را کم می‌کنند. این روش ساده و کم‌هزینه می‌تواند به کاهش مصرف انرژی در فضاهای شهری کمک کند و راحتی بیشتری برای کاربران ایجاد نماید.

پتانسیل این فناوری برای ایران

ایران به دلیل شرایط اقلیمی متنوع، به‌ویژه مناطق گرم و خشک، ظرفیت بسیار بالایی برای بهره‌برداری از فناوری خنک‌سازی تابشی غیرفعال دارد. در بخش‌های وسیعی از کشور مانند استان‌های یزد، اصفهان، کرمان و خراسان، آسمان غالباً صاف و میزان رطوبت کم است که شرایط ایده‌آلی برای تابش حرارت به فضا فراهم می‌کند.

استفاده از این فناوری می‌تواند به کاهش قابل توجه مصرف انرژی در سیستم‌های سرمایشی منجر شود و هزینه‌های برق را برای خانوارها و صنایع کاهش دهد. همچنین، کاهش مصرف انرژی به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کرده و به حفاظت از محیط زیست یاری می‌رساند. از طرفی، نصب پوشش‌های تابشی روی سقف ساختمان‌ها، ایستگاه‌های شهری، و خودروها می‌تواند راحتی و کیفیت زندگی در شهرهای گرم ایران را بهبود بخشد و فشار بر شبکه برق را در فصول گرم سال کاهش دهد. با توجه به کم‌هزینه بودن این فناوری در مقایسه با سیستم‌های تهویه پیچیده، و امکان تولید محلی مواد پوششی، خنک‌سازی تابشی غیرفعال یک راهکار بسیار مناسب و پایدار برای ایران محسوب می‌شود.

فناوری خنک‌سازی تابشی غیرفعال با پتانسیل بالا برای کاهش مصرف انرژی و کاهش آلاینده‌ها، راهکاری پایدار و کم‌هزینه برای خنک کردن ساختمان‌ها و فضاهای شهری است. این فناوری به ویژه در اقلیم‌های گرم و خشک مانند ایران، امکان بهبود چشمگیر در بهره‌وری انرژی را فراهم می‌کند.

شرکت «روماک سیستم » به عنوان یکی از پیشگامان صنعت هوشمندسازی موتورخانه‌ها، با تولید دستگاه‌های موتورخانه هوشمند می‌تواند نقش مهمی در بهینه‌سازی سیستم‌های خنک‌سازی ایفا کند. ترکیب فناوری‌های نوین خنک‌سازی تابشی با سیستم‌های هوشمند مدیریت انرژی این شرکت، فرصت‌های گسترده‌ای برای کاهش هزینه‌ها و مصرف انرژی در ساختمان‌های مسکونی و تجاری فراهم می‌آورد.

با ادامه تحقیق و توسعه در این حوزه و همکاری بین شرکت‌های فناوری‌محور مانند روماک سیستم و مراکز پژوهشی، می‌توان به آینده‌ای پایدارتر و هوشمندتر در مدیریت انرژی دست یافت.