الحواسيب الكمومية تساعد في تطوير طلاء نوافذ شفاف وعازل للحرارة

تشير تقديرات وكالة الطاقة الدولية إلى أن مكيفات الهواء والمراوح المستخدمة في التبريد تستهلك نحو 20% من الكهرباء في كل أنحاء العالم، هذا رقم كبير ويؤثر سلباً على البيئة، لأن معظم الطاقة الكهربائية يتم توليدها من خلال حرق الوقود الأحفوري الذي يسبب انبعاث غازات الاحتباس الحراري.

إذا أضفنا للرقم السابق كمية الطاقة المستخدمة في التدفئة، فإنه يصبح أكبر بكثير، لذلك، سعى العلماء منذ عقود إلى إيجاد طرق عزل حراري لتوفير استهلاك الطاقة.

تعتبر أنظمة العزل الحراري المتوفرة حالياً جيدة وتسهم بشكلٍ فعّال في تقليل استهلاك الطاقة، لكن هناك مشكلة لم يتم حلها، وهي النوافذ. حيث إن نحو 60% من طاقة التبريد في المبنى تضيع بسبب النوافذ.

لحل هذه المشكلة، استخدم باحثان في جامعة نوتردام الأميركية هما تينغفي لو وسيونغ مينكيم بالتعاون مع جامعة كيونغ هي الكورية الجنوبية تكنولوجيا الحوسبة الكمومية لتطوير طلاء نوافذ شفاف وعازل للحرارة، هذا الطلاء يسمح بمرور الضوء لكنه يمنع نقل الحرارة.

على الرغم من أن الحواسيب الكمومية لا تزال في مراحلها المبكرة، لكنها توفر إمكانات كبيرة للغاية بفضل قدرتها على إجراء عمليات حسابية معقدة لا تستطيع أفضل الحواسيب العادية القيام بها، وإذا نجح العلماء في تطوير هذا الطلاء الشفاف، سيكون ذلك أول استخدام ناجح ومؤثر للحواسيب الكمومية، وسوف يؤكد توقعات الكثير من العلماء في أن الحوسبة الكمومية ستساعد في حل المشكلات الكبيرة وتسهم في تغيير مستقبل البشرية.

تم نشر نتائج عمل الباحثين في مجلة إيه سي إس إنيرجي ليترز (ACS Energy Letters) الشهرية التي تصدرها الجمعية الكيميائية الأميركية.

فعالية الطلاء

يسمح الطلاء الذي أطلق عليه اسم المبرد الإشعاعي الشفاف (Transparent Radiative Cooler) واختصاراً (TRC)، بدخول الضوء المرئي، في حين يمنع مرور الأشعة الضوئية التي تحمل طاقة حرارية. وبعد تجربته، قدّر الباحثان أنه يمكن أن يقلل تكاليف التبريد في المباني والسيارات بمقدار الثُلث في المناطق الحارة مقارنة بالنوافذ الزجاجية العادية.

ما دور الحواسيب الكمومية؟

استخدم الباحثان الحوسبة الكمومية والتعلّم الآلي من أجل إيجاد أفضل تصميم للطلاء وتحديد المواد التي ستكوّن طبقاته المتعددة والرقيقة للغاية، بالإضافة إلى اختبار كل تصميم وتركيب ممكن لهذه الطبقات بسرعة كبيرة، وتحديد التركيب وترتيب المواد الأمثل.

اعتماداً على النتائج، تم تصنيع الطلاء عن طريق إضافة طبقات من السيليكا (أوكسيد السيليكون) والألومينا (أوكسيد الألمنيوم) والتيتانيا (أوكسيد التيتانيوم) على قاعدة زجاجية تتكون من نفس البوليمر الذي يستخدم في صناعة العدسات اللاصقة.

تبلغ سماكة الطلاء نحو 1.2 ميكرومتر، وهو يوفر عزلاً حرارياً أفضل من كل أنواع طلاء النوافذ الزجاجية المتوفرة في السوق.

يقول تينغفي لو تعليقاً على دور الحواسيب الكمومية في عمله: "أعتقد أن الحوسبة الكمومية لا تقل أهمية عن المواد المكونة للطلاء، فمن خلالها تمكّنا من اختيار أفضل المواد".

مستقبل هذا الطلاء

لا يزال الطلاء في طور الاختبار، هناك حاجة للمزيد من الاختبارات عليه وتقييم جدوى إنتاجه على نطاق واسع، وقد يقوم الباحثون بتغطية النوافذ بأكثر من طبقة واحدة من هذا الطلاء لاختبار ما إذا كانت الطبقات المتعددة تسهم في توفير عزل حراري أفضل.

كما قد يجد الباحثون بفضل الحواسيب الكمومية تركيبات أفضل وأكثر كفاءة من هذا الطلاء، باختصار، هذه البداية فقط لتقنية عزل حراري جديدة قد نجدها قريباً في كل المنازل.

بمجرد نجاح إنتاج الطلاء تجارياً، سيكون الطلب عليه كبيراً، على غرار كل تقنيات العزل الحراري الأخرى التي شهدت نمواً في الطلب بسبب الحاجة إلى تقليل استهلاك الطاقة إما لارتفاع أسعارها وإما للحد من الانبعاثات الضارة بالبيئة.