پوست فیل الهام‌بخش ماده‌ای ساختمانی شده که با نگه‌داشتن آب و تبخیر تدریجی آن، می‌تواند دمای سطح ساختمان را به شکل محسوسی کاهش دهد.
پوست فیل چگونه خانه‌ها را خنک می‌کند؟
پژوهشگران دانشگاه پنسیلوانیا برای پیدا کردن راهی کم‌مصرف‌تر برای خنک کردن ساختمان‌ها، سراغ یکی از ویژگی‌های طبیعی بدن فیل‌ها رفته‌اند؛ پوستی ضخیم و پر از شیار و ترک که می‌تواند آب را در خود نگه دارد و به حیوان کمک کند گرمای بدنش را از طریق تبخیر آب کاهش دهد.
تیم تحقیقاتی به سرپرستی پژوهشگرانی از بخش مهندسی مواد و دانشکده طراحی دانشگاه پنسیلوانیا، این ساختار طبیعی را به یک ماده سیمانی متخلخل منتقل کرده است. نتیجه، نوعی کاشی سیمانی با شبکه‌ای از ترک‌های برنامه‌ریزی‌شده است که آب را جذب، ذخیره و روی سطح پخش می‌کند.
ایده اصلی ساده به نظر می‌رسد، اما اجرای آن به کنترل دقیق ساختار ماده نیاز دارد. به جای اینکه آب پس از ریخته شدن روی سطح سریعاً جاری یا تبخیر شود، شبکه ترک‌ها مانند مسیرهای مویرگی عمل می‌کند و آب را در بخش‌های مختلف ماده توزیع می‌کند.
راز این سیمان در ترک‌های آن است
در بسیاری از مواد ساختمانی، ترک نشانه آسیب محسوب می‌شود. اما در این فناوری، پژوهشگران تلاش کرده‌اند ترک‌ها را به بخشی از طراحی تبدیل کنند.
ماده مورد استفاده ترکیبی از سیمان و خاک دیاتومه است؛ ماده‌ای متخلخل که می‌تواند آب را با سرعت بسیار بالا جذب کند. طبق نتایج پژوهش، ساختار ریز و نانومتخلخل خاک دیاتومه باعث می‌شود قطرات آب در کمتر از ۵۰ میلی‌ثانیه جذب شوند. سپس شبکه ترک‌ها آب را در امتداد سطح جابه‌جا می‌کند.
پژوهشگران همچنین با ایجاد الگوهای مشخص، از ترک خوردن تصادفی جلوگیری کرده‌اند. یکی از الگوهایی که عملکرد مناسبی نشان داد، شبکه‌ای شش‌ضلعی بود که توانست آب را در سطح کاشی بهتر توزیع کند و تخلیه سریع آن را کاهش دهد.
در این مرحله، شباهت با پوست فیل بیشتر مشخص می‌شود. شیارهای پوست فیل آب را برای مدت بیشتری در سطح نگه می‌دارند و به جای اینکه آب فوراً از بدن حیوان جدا شود، امکان تبخیر تدریجی را فراهم می‌کنند. پژوهشگران تلاش کرده‌اند همین اصل را در پوسته ساختمان بازسازی کنند.
آیا واقعاً دما را ۲۰ درجه پایین می‌آورد؟
اینجا یک نکته مهم وجود دارد. عبارت «۲۰ درجه خنک‌تر» به معنای این نیست که این فناوری هر خانه‌ای را در هر شرایطی دقیقاً ۲۰ درجه خنک می‌کند.
در آزمایش مدل ساختمان، پژوهشگران دمای زیر کاشی‌های سیمانی الهام‌گرفته از پوست فیل را حدود ۳۲ درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری کردند. این رقم برای نمونه سیمان تجاری ترک‌خورده حدود ۴۲ درجه و برای نمونه تجاری بدون ترک حدود ۵۲ درجه بود. بنابراین در شرایط آزمایش، اختلاف دما با نمونه بدون ترک به حدود ۲۰ درجه رسید.
این کاهش دما عمدتاً از طریق خنک‌سازی تبخیری اتفاق می‌افتد. آب موجود در ساختار ماده به‌تدریج تبخیر می‌شود و هنگام تبدیل شدن از مایع به بخار، گرما را از محیط اطراف می‌گیرد.
تصویربرداری حرارتی نیز نشان داد که پس از اضافه کردن آب، بخش‌هایی از سطح کاشی سردتر می‌شوند و با ادامه تبخیر، نواحی اطراف ترک‌ها می‌توانند برای مدت بیشتری خنک باقی بمانند.
یک راه تازه برای کاهش مصرف انرژی ساختمان‌ها
اهمیت این فناوری فقط در پایین آوردن دما نیست. یکی از اهداف اصلی پژوهش، کاهش نیاز ساختمان‌ها به سیستم‌های مکانیکی سرمایش و در نتیجه کاهش مصرف انرژی است.
در روش‌های معمول، برای خنک کردن ساختمان باید از تجهیزات سرمایشی استفاده شود که به انرژی قابل توجهی نیاز دارند. اما خنک‌سازی تبخیری می‌تواند بخشی از این فرآیند را با استفاده از یک منبع ساده‌تر یعنی آب و ساختار مناسب سطح ساختمان انجام دهد. پژوهشگران این فناوری را به‌عنوان روشی برای خنک‌سازی غیرفعال یا Passive Cooling معرفی کرده‌اند.
از سوی دیگر، ساختار این ماده طوری طراحی شده که می‌توان آن را به شکل پنل‌های بزرگ‌تر تولید کرد. پژوهش‌ها نشان داده‌اند که نمونه‌هایی با ابعاد بزرگ‌تر نیز قابلیت ساخت دارند؛ موضوعی که برای استفاده احتمالی در نمای ساختمان‌ها اهمیت دارد.
البته هنوز فاصله‌ای میان آزمایشگاه و استفاده گسترده در ساختمان‌های واقعی وجود دارد. میزان آب مورد نیاز، شرایط آب‌وهوایی، دوام ماده، نگهداری و عملکرد آن در مقیاس واقعی از جمله مسائلی هستند که باید در مطالعات بعدی بررسی شوند. خود پژوهشگران نیز تأکید کرده‌اند که برای ارزیابی اثر واقعی این فناوری بر مصرف انرژی ساختمان، به مدل‌سازی و آزمایش‌های بیشتری در اقلیم‌های مختلف نیاز است.
در نهایت، داستان این فناوری بیش از آنکه درباره ساخت یک «سیمان جادویی» باشد، درباره یک ایده قدیمی در علم مهندسی است: یاد گرفتن از طبیعت. فیل میلیون‌ها سال است از ساختار پوست خود برای مدیریت گرما استفاده می‌کند و حالا پژوهشگران تلاش کرده‌اند همان منطق را به نمای ساختمان منتقل کنند؛ با این تفاوت که این بار ترک‌هایی که معمولاً نشانه ضعف مصالح هستند، به بخشی از سیستم خنک‌کننده تبدیل شده‌اند.
