مواد تغییر فاز نانوکپسولی و بتن خودترمیم در خانه هوشمند

بحران مصرف انرژی در تهویه مطبوع و گذار به تنظیم حرارتی انفعالی زیستی

در معماری مسکونی مدرن، سیستم‌های مکانیکی گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع (HVAC) عامل مصرف بیش از ۴۰ درصد از کل انرژی الکتریکی ساختمان‌ها هستند. در فصول گذار و روزهای پاییزی، نوسان شدید دمای بین روز و شب باعث روشن و خاموش شدن پیاپی کمپرسورها، مصرف بار پیک برق و فرسایش شدید تجهیزات مکانیکی می‌شود. علاوه بر آن، بتن سنتی به عنوان اصلی‌ترین مصالح ساختمانی جهان با ایجاد ترک‌های ریز ناشی از چرخه‌های انبساط و انقباض، سالانه نیازمند هزینه‌های هنگفت تعمیر و نگهداری بوده و فرآیند تولید آن مسئول ۸ درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای جهانی است.

امروزه مهندسان معماری پایدار با الهام از رفتار پوست پستانداران و فیزیولوژی تپه‌های موریانه، پاسخی بنیادین یافته‌اند: تبدیل دیوارهای ساکن به «پوسته‌های هوشمند فعال زیستی». با ادغام مواد تغییر فاز دهنده نانوکپسولی بر پایه استرهای گیاهی (Microencapsulated Bio-PCMs) درون پوشش‌های دیواری، مصالح گچی و پنل‌های پیش‌ساخته، سازه ساختمان توانایی جذب و ذخیره مقادیر عظیمی از انرژی گرمایی نهان را پیدا کرده است.

این فرآیند تنفس انفعالی سازه، هماهنگی کم‌نظیری با دیگر اجزای نمای ساختمان دارد؛ همان‌گونه که در پنجره‌های فتوولتائیک شفاف کوانتوم‌داتی BIPV و تهویه ترموآکوستیک برج‌های مسکونی مشاهده کردیم، پوسته بیرونی و لایه‌های درونی ساختمان به عنوان یک سیستم ارگانیک هم‌افزا برای تولید و مدیریت انرژی عمل می‌کنند.

مکانیسم ترمودینامیکی نانوکپسول‌های مومی و تثبیت اینرسی دمای آسایش

در قلب این مصالح هوشمند، کپسول‌های پلیمری زیستی در مقیاس ۲۰۰ تا ۵۰۰ نانومتر قرار دارند که حاوی اسیدهای چرب ارگانیک اشباع‌شده با نقطه ذوب دقیق ۲۲.۵ درجه سانتی‌گراد هستند. هنگامی که دمای هوای داخل اتاق در ساعات تابش آفتاب از این آستانه فراتر می‌رود، موم‌های گیاهی درون کپسول‌ها بدون نشت فیزیکی تغییر فاز داده و ذوب می‌شوند. این واکنش گرماگیر، انرژی حرارتی اضافی محیط را جذب کرده و اجازه نمی‌دهد دمای اتاق بالا برود.

در هنگام غروب آفتاب و کاهش دمای شبانه، فرآیند برعکس شده و موم منجمد می‌شود؛ این واکنش گرماده، حرارت ذخیره‌شده را به آرامی به فضای اتاق بازمی‌گرداند. بدین ترتیب دمای محیط داخلی در محدوده بهینه ۲۱ تا ۲۴ درجه سانتی‌گراد تثبیت می‌شود. آزمایش‌های ثبت‌شده امروزه نشان می‌دهد که این اینرسی انفعالی، نیاز به روشن شدن سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی مکانیکی را تا ۴۵ درصد کاهش داده و هزینه قبض‌های برق ساکنان را به حداقل ممکن رسانده است.

بتن‌های خودترمیم باکتریایی و کربن‌زدایی فعال از محیط‌های بسته

دومین شگفتی معماری مسکونی دوران کنونی بتن‌های باکتریایی خودترمیم (Self-Healing Bio-Concrete) است. در فرمولاسیون این بتن‌ها، اسپورهای باکتری مقاوم باسیلوس همراه با مخازن میکروکپسولی مواد مغذی لاکتات کلسیم درون ساختار سیمانی تعبیه شده‌اند. این باکتری‌ها در حالت عادی و خشک به مدت بیش از ۱۰۰ سال در حالت خواب زمستانی باقی می‌مانند.

به محض پدیدار شدن یک ترک مویی در دیوار و نفوذ اکسیژن و رطوبت باران، باکتری‌ها از خواب بیدار شده و با تغذیه از لاکتات کلسیم و جذب دی‌اکسید کربن هوا، سنگ آهک خالص (کربنات کلسیم یا کلسیت) ترشح می‌کنند. این کلسیت بیولوژیکی در عرض چند روز ترک‌های سازه‌ای تا عرض ۰.۸ میلی‌متر را کاملاً پر کرده و ساختار بتن را به صورت طبیعی مهروموم می‌سازد. علاوه بر پایداری سازه، این دیواره‌ها مانند یک ریه فعال عمل کرده و دی‌اکسید کربن سرگردان محیط‌های بسته را جذب و درون شبکه سیمانی حبس می‌نمایند.

همگام‌سازی این سامانه‌ها با کنترل‌کننده‌های محیطی، همان‌طور که در رادارهای mmWave برای پایش غیرتماسی سلامت و علائم حیاتی در خانه هوشمند بررسی شد، شرایط تنفس و دمای اتاق را به تناسب حضور افراد تنظیم می‌کند.

پایایی روانی، تصفیه طبیعی هوا و چشم‌انداز زیست‌بوم‌های مسکونی کربن‌منفی

مزایای این مصالح ارگانیک فراتر از ارقام مهندسی انرژی است. حفظ ثبات دما و رطوبت بدون جریان باد شدید و خشک‌کننده کولرهای گازی، کیفیت خواب ساکنان را ارتقا بخشیده و آلرژی‌های مزمن تنفسی ناشی از کانال‌های کثیف تهویه مطبوع را محو می‌کند. محیط زندگی ساکنان خانه اکنون مانند یک غار طبیعی پایدار است که در سرما گرم و در گرما خنک می‌ماند.

مجله ماگ بیت دوران کنونی را آغاز عصر خانه‌های کربن‌منفی می‌نامد؛ ساختمان‌هایی که دیگر مصرف‌کننده مخرب منابع طبیعی نیستند، بلکه همچون ارگانیسم‌های زنده جنگلی، با ذخیره حرارت انفعالی و بلعیدن کربن، زیست‌پذیری سیاره زمین را برای نسل‌های آینده تضمین می‌کنند.