التبريد ثنائي الطبقة.. مستلهم من الطبيعة ويحفظ الأطعمة دون الحاجة إلى الكهرباء
التبريد السلبي (Passive Cooling) هو استخدام تقنيات في التبريد لا تعتمد على الكهرباء. فالتبريد بالتبخير مثلًا، هو إحدى طرق التبريد السلبي، الذي استخدمه الإنسان منذ زمن طويل قبل ظهور تقنيات التبريد الحديثة. ومن بين استعمالاته حفظ الأطعمة في الأواني الفخارية. إذ كانت توضع آنية داخل أخرى، وبينهما طبقة من الرمل الرطب، وعندما يتبخر الماء من هذه الطبقة عبر الآنية الخارجية يترك الآنية الداخلية باردة.
ومثل ذلك شعور المرء بالبرودة في يومٍ حار عندما يرش قطراتٍ من الماء على وجهه. وحاليًا، يُستخدم الهلام المائي في بعض تطبيقات التبريد بالتبخير. والهلام المائي عبارة عن مادة خفيفة ومسامية تنتمي إلى البوليمرات، يمكن أن تمتص حبيباتها كمية كبيرة من الماء وتحتفظ بها.
لكن فكرة الجمع بين التبريد بالتبخير عن طريق الهلام المائي ووجود طبقة عازلة، كما تفعل الجمال وبعض الحيوانات التي تعيش في الصحراء، لم يتم تطبيقها من قبل في أنظمة التبريد التي صممها الإنسان. ويعود السبب الرئيس في عدم التفكير من قبل في جمع هاتين المادتين، هو أن هذا العمل يجمع بين مجالين مختلفين في علم المواد. لكن الباحثين تغلبوا على هذا الحاجز من خلال الحصول على إلهامهم من الطبيعة.
محاكاة الإبل
تستخدم الإبل الغدد العرقية في إفراز العرق من أجل تبريد جسمها، كما تستخدم طبقة الفراء كمادة عازلة في تدفئة جسمها أثناء الليل وتنظيم درجة حرارته في النهار. فهذه الطبقة تساعد في المحافظة على درجة حرارة الجسم في الصحراء. وبتطبيق النهج نفسه، طوَّر باحثون في معهد ماساتشوستس للتقنية في شهر نوفمبر 2020م، تقنية تبريد سلبية ثنائية الطبقة مستوحاة من طريقة بقاء الإبل باردة في الصحراء الحارة.
وتتكوَّن هذه التقنية من طبقتين، سماكة كل واحدة منهما 5 مليمترات. والطبقة السفلية هي عبارة عن هلام مائي (Hydrogel)، والطبقة العلوية هلام هوائي (Aerogel)، فيعمل الهلام المائي مثل الغدد العرقية عند الجَمَل، حيث يقوم بخفض درجة الحرارة من خلال تبخر الماء، بينما تعمل طبقة الهلام الهوائي الموجودة في الأعلى مثل فراء الجمل العازلة للحرارة الخارجية، بينما تسمح لبخار الماء بالمرور. وبهذا تظل طبقة الهلام المائي باردة لفترة أطول.
وقد أظهرت الاختبارات أن تقنية التبريد السلبي ثنائي الطبقة التي تستخدم الهلام المائي والهلام الهوائي معًا، قادرة على المحافظة على برودة المنتجات الغذائية، لمدة زمنية تفوق خمس مرات التقنيات أحادية الطبقة التي تستخدم الهلام المائي فقط.
ما هو الهلام الهوائي؟
يتكوَّن الهلام الهوائي في معظمه من الهواء بنسبة 99.8%، ومسامات بمقاييس نانوية. وتُعدُّ السيليكا المادة الرئيسة فيه. ويتميز بأنه مادة صلبة وخفيفة، وكثافته أقل من كثافة الهواء. كما يمتلك موصلية حرارية منخفضة للغاية. فهو أفضل في العزل الحراري بمقدار 39 مرَّة من الألياف الزجاجية العازلة، وأقل منها كثافةً بمقدار ألف مرَّة.
وشكَّلت هذه الخصائص الاستثنائية التي يمتلكها الهلام الهوائي مادة مهمة في التطبيقات الفضائية. فقد تم استخدامه لعزل صندوق الإلكترونيات في مركبة (باثفايندر سوجورنر) التي استكشفت كوكب المريخ في عام 1997م. وتتطلع ناسا إلى استخدام الهلام الهوائي في تطبيقات متعدِّدة في المستقبل مثل استخدامه في عملية التجميد أو في البدلات الفضائية، وهندسة كوكب المريخ ليكون صالحًا للسكن.
بعض التطبيقات الواعدة
من المتوقّع أن تساعد هذه التقنية في تغليف المواد الغذائية وحفظها من التعفن والتلف أثناء تخزينها ونقلها وتوزيعها، إضافة إلى حفظ الأدوية واللقاحات لا سيما في الأماكن البعيدة أو المناطق المحرومة من الكهرباء. وأوضح الباحثون القائمون على الدراسة أن أكثر من 10% من سكان العالم لا يزالون محرومين من الكهرباء، وهذه التقنية سوف تساعدهم كثيرًا.
وقد ظهر التبريد التبخيري كواحد من أكثر حلول التبريد السلبي الواعدة، لكن قدراته محدودة. لذا، ستكون هذه التقنية ثنائية الطبقة واعدة بشكل أفضل. فمن المعروف أن الأنظمة الحالية تعتمد على الشاحنات أو مرافق التخزين المبرَدة في نقل وتخزين الأطعمة، لكن هناك فجوات أثناء التحميل والتفريغ قد تُحدث ضررًا نتيجة الارتفاع السريع في درجة الحرارة خاصة في حالة الأطعمة القابلة للتلف.
* نشر في مجلة القافلة عدد يناير/ فبراير 2021م. بقلم حسن الخاطر
