شیشه و نانو تکنولوژی 2 ( پنجره های هوشمند)

تصور کنید که در یکی از گرم ترین روزهای آفتابی در تابستان، نور خورشید مستقیماً به اتاق شما می تابد و هیچ راه گریزی به جز استفاده از پنجره هایی با شیشه های دودی برای متعادل تر کردن گرما و نور اتاق ندارید. همچنین دوست دارید تا تنها زمانی که نور شدت دارد شیشه درست مانند عینک های فتوکرومیک دودی شوند.
شیشه های الکتروکروماتیک دسته ای از شیشه ها هوشمند از الکتروکروماتیک ها بهره می برند. الکتروکروماتیک ها موادی هستند که رنگ آنها در اثر جریان الکتریکی تغییر می کنند. جریان الکتریسته با ایجاد واکنش شیمیایی سبب تغییرات خصوصیات مواد می شود و کاری می کند تا آنها نور را جذب یا منعکس کنند. امروزه از صنعت الکترونیک در ساخت این نوع از شیشه های پنجره استفاده می شود.
نور خورشید به شیشه ها می تابد، اما از طرفی جریان الکتریکی برقرار شده، سبب می شود تا یون ها از لایه ذخیره یونی به سمت لایه هدایت یونی حرکت کرده و به لایه الکتروکروماتیکی رجعت کنند و شیشه را شفاف نمایند. با قطع الکتریسته فرآیند برعکس عمل کرده شیشه مجدداً تیره می شود. یکی از ویژگی مواد الکتروکروماتیکی قابلیت تنظیم آنهاست به طوری که می توان شدت کدری آنها را با تغییر مقدار جریان تنظیم کرد.


شکل1- تصویر شبیه سازی شده از شیشه های الکتروکرومیک ( انواع ذخیره سازهای یونی ) [1]

شیشه های هوشمند ( نوع کریستال مایع )
ساختمان درونی این شیشه تشکیل شده از دو لایه شفاف قلع به عنوان الکترود می باشد که لایه ای از کریستال مایع بین آنها ساندویچ شده است.


شکل 2 – از شیشه های الکتروکرومیک می توان برای داشتن محیط های مجزا استفاده کرد.


شکل 3 – نمایش نحوه عملکرد شیشه های الکتروکرومیک ( انواع فیلم کریستال مایع ) [2]

با گذراندن جریان الکتریسیته از فیلم کریستال مایع شیشه شفاف می شود. با قطع جریان کریستال ها با جهت گیری تصادفی خود در فضا موجب پخش کردن نور ، و در نتیجه مات شدن شیشه می شوند. (شکل 3)
این تکنولوژی کاربردهای فراوانی دارد. به عنوان مثال شیشه ای را تصور کنید که قابلیت تغییر از حالت شفاف به حالت کدر، توسط یک کلید را داشته باشد. می توان از این شیشه برای پنجره خانه (در حالت نیاز به ایجاد عدم دید)، برای جلوی فروشگاه ها در شب و همچنین حمام استفاده کرد. با وجود اینکه استفاده از این شیشه خصوصی هنوز متداول نشده است اما نمونه های زیادی از آن در تمام دنیا وجود دارد.



شکل 4 – حالت کدر و شفاف برای شیشه الکتروکرومیک که با زدن یک کلید تغییر می کند.
 

شکل 7 – عدم اجازه ورود به نور ماورا بنفش و مادون قرمز به درون ساختمان در یک روز گرم

دانشمندان همچنان به تلفیق اکسید قلع ایندیوم در شکل نانو بلور می پردازند. این بلورها در مایعات و حلال‌ها از هم جدا شده و می‌توان از آنها برای پوشش دادن به شیشه استفاده کرد. قلع به این ماده یک بار الکتریکی اضافی داده و الکترونهای آن مسؤول جذب نور مادون قرمز هستند. تغییر حالت جذب کنندگی مادون قرمز شیوه کاملا جدیدی محسوب می‌شود. این پنجره‌های هوشمند، نه تنها به زیبایی و راحتی محیطها کمک کرده، بلکه تاثیرات اقتصادی زیادی بر سرانه مصرف انرژی داشته است.
این نوع از پنجره ها با حفظ شرایط آب و هوایی داخل،‌ در روزهای داغ و سوزان تابستان، مانع ورود نور خورشید به داخل شده و در زمستان با تبدیل به حالت شفاف، اجازه عبور به نور خورشید را داده و انرژی گرمایی را ذخیره می‌کند.


شکل 8 - تصویری از شیشه های منعکس کننده گرما

پنجره‌های هوشمند موجود، از پنجره های الکتروکرومیک گرفته تا پنجره های با ذرات معلق، با وجود مزایای زیادی که دارند، دارای معایبی نیز هستند که قیمت بالا، کاهش سریع بازدهی، به‌کارگیری مواد سمی و زیان‌آور در فرآیند ساخت از آن جمله است.
محققان در تلاش برای ساخت پنجره‌های هوشمندی که معایب مذکور را نداشته باشد، سیستم جدیدی را ابداع کرده‌اند که در آن از یک پلیمر و از یک حلال، مانند متانول استفاده شده است. این نوع از پنجره‌های هوشمند، ارزان قیمت بوده و در فرایند ساخت آنها از آلاینده‌های کمتری استفاده شده است؛ همچنین از استحکام بالایی نیز برخوردار هستند. از فواید دیگر پنجره‌های هوشمند جدید می‌توان به قابلیت تبدیل سریع و آسان از حالت کاملاً مات به حالت شفاف در چند ثانیه اشاره کرد. این رفتار در میان پنجره‌های هوشمند، بی‌نظیر است و روش جدیدی برای ذخیره‌سازی گرما، سرما و نور با هزینه کم و از طریق مدیریت نورهای عبور داده شده به داخل ساختمان است.


شکل 9 - شیشه هایی که با اعمال پتانسیل شفافیت آنها تغییر می کند.

یکی از بهترین راههای کنترل اتلاف انرژی استفاده از پنجره های هوشمند است. پنجره‌های هوشمند طوری طراحی شده اند که می توانند با محیط تعامل و سازگاری داشته باشند، مثلاً گرمای بیش از حد را دفع خواهند‌کرد. چنین شیشه هایی در ماه‌های گرم که هزینه مصرف انرژی به خاطر تهویه‌ هوا بالا است مناسب هستند. پنجره‌های رنگی حساس به نور (فوتوکرومیک) که پرتوهای خورشید را دفع می‌کنند سالهاست ساخته شده اند. هم اکنون پوشش‌های نازک نانومتری دی‌اکسید وانادیوم مخلوط شده با فقط 9/1% فلز تنگستن در پنجره‌ها استفاده می شود و به عنوان انعکاس دهنده‌های گرما عمل کنند، در حالی‌که هم‌چنان تمام نور مرئی را از خود عبور می‌دهند. ضخامت نانومتری و مخلوط پوشش می‌توانند دقیقاً تعیین کنند که در چه دمایی، حرارت منعکس شود. این به این معنا است که ادارات و منازل می‌توانند بدون استفاده بیش از حد از سیستم های تهویه گران قیمت، خنک باقی بمانند و هزینه‌ها را هم به طور چشمگیری کاهش دهند.