كيف يساهم خفض تكاليف النوافذ الذكية في توفير استهلاك الطاقة؟

في فصل الصيف، حين تكون درجات الحرارة مرتفعة للغاية وأشعة الشمس قوية، يضطر الناس إلى إغلاق الستائر ومكيفات الهواء، ما يؤدي إلى ارتفاع فاتورة الكهرباء.

يفكر العلماء بحل لهذه المشكلة منذ عقود، وطرحوا فكرة "النوافذ الذكية" (Smart windows)، وهي نوافذ تتكون من زجاج خاص قادر على حجب أطوال موجية محددة من الضوء، يمكن ضبطه حسب الحاجة يدوياً، أو يتكيف بشكل تلقائي مع حالة الطقس ودرجة الحرارة الخارجية. على سبيل المثال، حين يكون الجو حاراً، يمكن أن تصبح هذه النوافذ معتمة لتمنع أشعة الشمس الحارةً من الدخول للمباني، ما يساهم في الحفاظ على برودتها، وإذا كان الجو بارداً، تصبح النوافذ الذكية شفافة تماماً لتسمح بأشعة الشمس بتدفئة المبنى. يمكن أيضاً تعديل درجة شفافية هذه النوافذ وجعلها ضبابية من أجل الحفاظ على الخصوصية.

النوافذ الذكية ليست مجرد فكرة أو خيال علمي، إنها متاحة للشراء وسوقها ينمو باستمرار، يقدر الخبراء أن حجم سوق النوافذ الذكية سيبلغ نحو 7.5 مليار دولار أميركي في عام 2028، ولن يقتصر استخدامها فقط على المباني، بل يمكن استخدامها في الطائرات والسفن والسيارات، ومن المتوقع أن يؤدي انتشارها على نطاقٍ واسع إلى توفير الكثير من الطاقة ولعب دور في حل مشكلة تغير المناخ.

النوافذ الذكية مكلفة للغاية

بحسب التقديرات، تستهلك المباني 39% من الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة الأميركية، وأكثر من 35% من استهلاك المباني للكهرباء يكون بغرض التدفئة أو التبريد أو التهوية، لذلك، يمكن أن تساعد النوافذ الذكية على تقليل استهلاك الكهرباء بنسبة كبيرة.

لكن من أجل تحقيق هذا الهدف، يجب توفير هذه النوافذ الذكية على نطاقٍ واسع وبأسعار مناسبة. حالياً، تكلف النافذة الذكية 10 أضعاف سعر النافذة العادية، هذا هو السبب الرئيسي الذي يمنع انتشارها.

آلية عمل النوافذ الذكية

بدأت فكرة النوافذ الذكية في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، حين بدأ باحثون من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا (Chalmers University of Technology) ومختبر لورنس بيركلي الوطني (LBNL) في كاليفورنيا بالتفكير في صنع مواد بناء توفر استهلاك الطاقة، ونجحوا في عام 1984 بإنتاج أول نافذة ذكية سريعة الاستجابة.

هذه النافذة تتكون من عدة طبقات، طبقتان تعملان كأقطاب كهربائية (واحدة موجبة والأخرى سالبة)، وطبقات تحتوي على أيونات يمكن أن تتأثر بالشحنات الكهربائية، وبمجرد تطبيق جهد كهربائي، تنجذب الأيونات الموجبة نحو الطبقة السالبة، في حين تنجذب الأيونات السالبة نحو الطبقة الموجبة، يؤدي ذلك إلى إنشاء صبغة تحجب الأشعة الضوئية. هذا يعني أن المبدأ الرئيسي الذي تعتمد عليه النوافذ الذكية هو تغيير درجة شفافيتها للتأثير على كمية الضوء التي تنفذ عبرها.

هذه النوافذ لا تحتاج إلى مصدر دائم للطاقة، إنها تشبه البطارية التي يمكن شحنها، وبمجرد انتهاء الشحن، تصبح النافذة قابلة للاستخدام وتحتفظ بالطاقة لفترة طويلة من الزمن. وما يزال الباحثون يعملون على إيجاد مواد جديدة سريعة الاستجابة لاستخدامها في النوافذ الذكية، وذلك بهدف زيادة كفاءة عملها وعمرها.

نوافذ ذكية تستجيب لدرجة الحرارة

نوع آخر من النوافذ الذكية التي يأمل الباحثون في تطويرها هي نوافذ تستطيع قياس درجة الحرارة داخل وخارج المبنى، بحيث تستطيع هذه النوافذ تلقائياً تغيير درجة شفافيتها دون تدخل من البشر، ما يساهم في المحافظة على درجة الحرارة شبه ثابتة داخل المبنى.

على سبيل المثال، حين ترتفع درجة الحرارة في أيام الصيف الحارة، تستجيب هذه النوافذ وتمنع الأشعة الضوئية الحارة من الدخول للمبنى، هذا يساعد في تقليل كمية الحرارة الداخلية والحفاظ على برودة الغرف.

بنفس الآلية، حين تكون درجة الحرارة منخفضة، تسمح هذه النوافذ بدخول أكبر كمية ممكنة من الأشعة الضوئية لتدفئة الغرف، بالإضافة إلى ذلك، يريد الباحثون تطوير النوافذ وجعلها قادرة على عزل الحرارة الموجودة داخل المبنى ومنع خروجها، لكن ذلك يتطلب مزيداً من الأبحاث والتكاليف.

تحسين استهلاك الطاقة

من المتوقع أن تساعد النوافذ الذكية في تحسين استهلاك الطاقة بشكل كبير وفعال، وبفضلها يمكن تقليل النفقات الكبيرة التي يتم دفعها في المباني من أجل التبريد أو التدفئة، هذا الأمر قد يلعب دوراً مهماً في تقليل تداعيات تغير المناخ الناجم عن توليد الطاقة الكهربائية باستخدام الوقود الأحفوري.

لكن هذه الغاية لا يمكن أن تتحقق إلا إذا تمكن الباحثون من تطوير نوافذ ذكية بأسعار أرخص، حتى تصبح مستخدمة في كل مكان وتكون في متناول الجميع. وهذا الأمر يتطلب البحث عن مواد جديدة أسرع في الاستجابة وتعطي نتيجة أفضل.