עונת הקציר של קירור המבנים

אנחנו, בני האדם, לא מרוצים אף פעם. כשחם לנו אנחנו רוצים שיהיה קר יותר. כשקר לנו אנחנו רוצים שיהיה חמים ונעים. בשונה מקרובינו היונקים הפרוותיים, אין לנו דרך יעילה במיוחד לבודד את עצמנו מהקור. גם הדרך הטבעית היחידה שלנו להתקרר, מנגנון ההזעה, לא תמיד מספקת את הסחורה.

במשחק המחשב המיתולוגי “הפנתר הוורוד: משימה בינלאומית” שיצא לאור באמצע שנות התשעים, הפנתר נתקל בידידו המדען פרופסור שמארטי, ששקד על פיתוח “חייג-לך-יום”: מתג שמחליף בבת אחת את העונות: מקיץ לחורף ובחזרה. תארו לכם שבאמת היה מתג כזה.

רגע, ומה אם באמת אפשר ליצור מתג כזה? טוב, לא אחד לאחד – אומנם האנושות כבר שוקדת על הנדסת מזג אוויר, אך טרם מצאנו שיטה לשנות את הטמפרטורה באופן משמעותי. במקומה אנו מפתחים עוד ועוד חידושים טכנולוגיים שיכולים לשפר עוד קצת את איכות חיינו. למשל לאחרונה פותח צבע שיודע לקרר באמצעות מבנה כימי שכולא בתוכו לחות ומשחרר אותה בצורה מבוקרת.

כעת מציעה הכימיה אמצעי חדש לבקרת הטמפרטורה במבנים. מחקר חדש שראה אור בכתב העת ACS Energy Letters, שמפרסמת החברה האמריקאית לכימיה, מציג כעת את “הקוצר האלקטרוכרומי”. מדובר בהתקן שמפתחיו הסינים מקווים להשתמש בו כמעין מתג טמפרטורה במבנים.

אגירה ופליטה של חום

בבסיס המתג עומד רעיון פשוט למדי: לחומרים שונים יש תכונות תרמיות שונות, ובפרט טווח תדרי הקרינה שהם פולטים. גוף שחור הוא השם המקובל לגופים שבולעים קרינה בכל אורכי הגל ולא מחזירים קרינה. הם לא חייבים להיות שחורים באמת – גם השמש שלנו עונה להגדרה הזאת ואפילו הגוף האנושי, מכיוון שהם מחזירים הרבה פחות קרינה ממה שהם בולעים. בפועל, אין גופים שחורים אידיאליים במציאות, וטווח תדרי הקרינה שניתן לייחס לגוף זה או אחר תלוי גם בתכונה שנקראת פליטוּּת, או אמיסיביות (emissivity).

חומר בפליטוּת נמוכה נוטה לפלוט פחות חום. כשפליטוּת החום גבוהה, החומר מפיץ קרינה רבה יותר, ולכן מתקרר. כך שיכולתנו לשלוט בתכונת הפליטוּת של מבנה עשויה להיות המפתח לשליטה בטמפרטורה שלו. וזה אכן בדיוק מה שנעשה במחקר הנוכחי: החוקרים תכננו אלקטרודה דקיקה מפלטינה, בעובי של חמישה ננומטרים (מיליארדיות המטר) בלבד. בעובי כל כך קטן יש לא יותר מכעשרים שכבות של אטומים, ואפשר לצפות את האלקטרודה הזאת בשכבת נחושת וגם להסיר אותה, כלומר לבצע תהליך הפיך. זוהי דֶּפּוֹזִיצְיָה (ריבוץ) של אטומים.

תהליך הדפוזיציה הזה משנה את הפליטוּת של פני השטח, ומאפשר לשלוט כך בכמות הקרינה שהחומר פולט. במקרה הזה מדובר בקרינה בתחום הגלים התת-אדומים. כדי לצפות את האלקטרודה בשכבת הנחושת או להסיר אותה משתמשים בהבזק קצר של מתח חשמלי, שמניע את האטומים לעבר הפלטינה או ממנה והלאה.

מקורם של אטומי הנחושת הוא באלקטרודה נגדית ובתמיסה האלקטרוליטית שממלאת את ההתקן. המתח החשמלי עוקר את אטומי הנחושת מהאלקטרודה הנגדית והופך אותם ליונים – חלקיקים בעלי מטען חשמלי שיכולים להתיישב בנחת על הפלטינה. הפעולה הזאת מזכירה במובן מסוים קציר של אנרגיה, ועל כן קראו החוקרים למערכת “קוצר אלקטרוכרומי”. מדובר בתהליך יעיל מאוד, והמצב החדש של החומר יכול להישאר יציב במשך יותר מחודש בלי שיתעורר הצורך להמשיך ולספק לו חשמל.

יש בכך יתרון משמעותי מבחינת חיסכון באנרגיה, במיוחד בהשוואה למערכות מיזוג האוויר המקובלות, שזוללות הרבה מאוד אנרגיה. החוקרים מציעים להתקין את המערכת על פני מערכות מים, שכבר מותקנות ממילא במבנים. כשהחומר יימצא במצב של פליטוּת נמוכה, המים יאגרו חום, וכשיהיה בפליטוּת גבוהה הוא יאפשר פיזור חום יעיל יותר ויקרר את המים.

בתכנון המערכת נעזרו החוקרים בהדמיות ממוחשבות שבחנו איך אפשר ליצור שכבת נחושת אחידה, במטרה למנוע חימום יתר באזור מסוים או שחיקה מוגברת. הדמיות נוספות מעולם הכימיה הקוונטית הובילו לבחירה בפלטינה בתור החומר שממנו תיוצר האלקטרודה, בזכות תכונותיה האלקטרוניות; המתכת היקרה מאפשרת ליוני הנחושת להיקשר אליה בחוזקה וכך מייצבת את המערכת כולה.

בחינה מעשית של ביצועי המערכת העלתה כי במצב של פליטוּת נמוכה היא יכולה לאגור חום ששקול להפרש של 45.4 מעלות צלזיוס לעומת טמפרטורת הסביבה; במצב של פליטוּת גבוהה היא יכולה לפלוט חום ששקול להפרש של 5 מעלות לעומת טמפרטורת הסביבה. התקנה של מערכת כזאת במבנים עשויה לחסוך עד 21.4 אחוז מתצרוכת החשמל בהשוואה למערכות מיזוג אוויר רגילות.

במבט לעתיד ייתכן שבכוחה של המערכת החדשה להביא לחיסכון ממשי באנרגיה, במיוחד במקומות שדורשים טמפרטורה יציבה ומבוקרת, כגון חוות שרתים וחממות. היא אף תוכל להתממשק עם מערכות בית חכם.