חוקרים מאוניברסיטת אילינוי פיתחו חומר ננו־מרוכב שניתן להדפיס בתלת־ממד ומשלב קירור קרינתי פסיבי עם הפקת אנרגיה מתנועת הגוף. החומר מחזיר כ־96% מקרינת השמש, פולט חום ביעילות ובניסויי חוץ הצליח לשמור על טמפרטורה הנמוכה ב־3 עד 6 מעלות צלזיוס מטמפרטורת האוויר. הפיתוח עשוי לסמן כיוון חדש בתחום הנוחות התרמית האישית וניהול עומסי הקירור.
עולם הקירור והמיזוג מתמקד בדרך כלל בחללים: מקררים חדר, משרד, מפעל או מבנה שלם כדי לספק לאדם שבתוכם תנאי נוחות. אלא שמחקר חדש מציע כיוון אחר לחלוטין – במקום לקרר את כל הסביבה, ניתן יהיה בעתיד לנהל את הטמפרטורה בסביבתו הקרובה של האדם עצמו.
חוקרים מבית הספר להנדסה Grainger באוניברסיטת אילינוי באורבנה־שמפיין פיתחו חומר גמיש ונושם שניתן להדפיס בתלת־ממד ולשלב במוצרים לבישים. החומר מסוגל לבצע שתי פעולות שבדרך כלל מחייבות מערכות נפרדות: לקרר באופן פסיבי ולהפיק אנרגיה מתנועה.
פרסום
קירור באמצעות קרינה – ללא מדחס וללא חשמל
המרכיב המעניין במיוחד מבחינת עולם הקירור הוא השימוש ב־קירור קרינתי פסיבי – Passive Radiative Cooling.
כל גוף פולט אנרגיה בצורה של קרינה תרמית. אם חומר מתוכנן כך שיקלוט מעט יחסית מחום השמש ובמקביל יפלוט ביעילות את החום שנצבר בו, ניתן לגרום לטמפרטורה שלו לרדת – ללא מדחס, ללא מאוורר וללא מערכת קירור מכנית.
החומר שפיתחו החוקרים מבוסס על ננו־מרוכב הכולל זירקוניום אוקסיד (ZrO₂). למבנה האופטי של החומר יכולת גבוהה לפזר ולהחזיר את קרינת השמש.
בבדיקות נמצא כי הטקסטיל המודפס החזיר כ־96% מקרינת השמש הנכנסת ובמקביל הציג יכולת גבוהה לפלוט קרינה תרמית בתחום האינפרא־אדום.
התוצאה: בניסויי חוץ תחת שמש ישירה נמדדה טמפרטורה הנמוכה בכ־3 עד 6 מעלות צלזיוס מטמפרטורת האוויר בסביבה.
לא רק מקרר – גם מייצר חשמל
החידוש אינו מסתיים בקירור הפסיבי.
החוקרים ניצלו גם תופעה הנקראת האפקט הטריבואלקטרי – יצירת מטען חשמלי כתוצאה ממגע ותנועה בין חומרים.
כאשר אדם הולך, רץ או מזיז את הגוף, החומר יכול להמיר חלק מהאנרגיה המכנית שנוצרת בתנועה לאותות חשמליים.
לא מדובר בכמות אנרגיה המיועדת לטעינת טלפון או להפעלת צרכן חשמלי משמעותי, אך היא עשויה להספיק להפעלת חיישנים ולביצוע פעולות בקרה פשוטות.
כך ניתן, לדוגמה, לזהות האם המשתמש נמצא בתנועה, להעריך את רמת הפעילות שלו ובהמשך להשתמש במידע הזה לצורך ויסות תרמי.
מעבר מקירור פסיבי לחימום לפי הצורך
השלב הבא שהדגימו החוקרים הוא שילוב בין הקירור הפסיבי לבין חימום אקטיבי.
האות החשמלי שנוצר מתנועת המשתמש יכול לשמש כטריגר להפעלת חימום באמצעות אפקט ג'אול. המשמעות היא שחומר לביש יוכל בעתיד להגיב לשינוי בפעילות האדם ובתנאי הסביבה ולעבור בין קירור לחימום.
במנוחה או בסביבה חמה הוא יוכל לפעול בעיקר באמצעות קירור קרינתי פסיבי, ואילו בתנאים אחרים ניתן יהיה להפעיל חימום נקודתי.
החזון הוא מערכת תרמית אישית שאינה מסתמכת לחלוטין על סוללה או על מקור כוח חיצוני.
מה הקשר למערכות מיזוג אוויר?
הפיתוח עדיין נמצא בשלב מחקרי, והוא אינו מהווה תחליף למערכות מיזוג אוויר במבנים. עם זאת, הוא משתלב במגמה רחבה יותר בעולם האנרגיה והמיזוג: Personal Thermal Management – ניהול תרמי אישי.
במבנים רבים משקיעה מערכת המיזוג אנרגיה רבה כדי להביא חלל שלם לטמפרטורה אחידה, אף שהמטרה בפועל היא לספק נוחות תרמית לאנשים הנמצאים בו.
טכנולוגיות המאפשרות לקרר או לחמם ישירות את האדם עשויות בעתיד לאפשר הרחבה מסוימת של טווח הטמפרטורות במבנה ועדיין לשמור על תחושת הנוחות.
מבחינה הנדסית, המשמעות האפשרית היא שילוב בין מערכת HVAC מרכזית לבין פתרונות קירור וחימום אישיים, ובכך פוטנציאל להפחתת עומסי הקירור במצבים מסוימים.
פרסום
חומר אחד במקום מערכת של שכבות
אחד היתרונות שהחוקרים מדגישים הוא האפשרות לבצע כמה פונקציות באמצעות אותו חומר.
פתרונות לבישים חכמים מבוססים כיום לעיתים על שילוב של מספר שכבות – שכבה תרמית, חיישנים, מוליכים, אלקטרוניקה וסוללה.
בפיתוח החדש שולבו יכולת החזרת קרינת השמש, פליטת חום והפקת אות חשמלי מתנועה בתוך חומר מודפס אחד.
החומר מיוצר בשיטת Direct Ink Writing – תהליך הדפסה המאפשר ליצור מבנה גמיש, חדיר לאוויר ונושם, המתאים עקרונית לשילוב בביגוד ובמוצרים לבישים.
הדרך ליישום מסחרי עדיין ארוכה
למרות התוצאות המרשימות, מדובר בשלב זה בטכנולוגיית מחקר.
לפני שנראה בגדי עבודה, מדי ספורט או ציוד מגן בעלי מערכת קירור עצמית, יהיה צורך לבדוק בין היתר את עמידות החומר לאורך זמן, התנהגותו בכביסה ובשימוש יומיומי, עלויות הייצור ואפשרות הייצור בקנה מידה גדול.
גם רמת הקירור תלויה בתנאי הסביבה ולכן אין להתייחס לירידה של 3–6 מעלות כנתון קבוע בכל מצב.
עם זאת, המחקר מדגים כיצד תחום הקירור עשוי להתרחב מעבר למערכות מכניות מסורתיות.
בעתיד, ניהול הנוחות התרמית עשוי להתבסס על שילוב בין מיזוג מרכזי, חומרים חכמים, קירור קרינתי וחיישנים – כאשר חלק מהקירור מתבצע לא בחדר עצמו, אלא ישירות במקום שבו הוא נדרש: סביב האדם.
