پژوهشگران دانشگاه تگزاس A&M در حال توسعه نوعی ژل ذخیره‌کننده گرما هستند که می‌تواند مصرف انرژی ساختمان‌ها برای گرمایش و سرمایش را کاهش دهد. آزمایش‌های اولیه نتایج امیدوارکننده‌ای داشته‌اند و محققان اکنون استفاده از این مواد را در سقف‌ها، دیوارها، پنجره‌ها و حتی تجهیزات آب گرم و تهویه مطبوع بررسی می‌کنند. این مواد که سالوژل
پژوهشگران دانشگاه تگزاس A&M در حال توسعه نوعی ژل ذخیره‌کننده گرما هستند که می‌تواند مصرف انرژی ساختمان‌ها برای گرمایش و سرمایش را کاهش دهد. آزمایش‌های اولیه نتایج امیدوارکننده‌ای داشته‌اند و محققان اکنون استفاده از این مواد را در سقف‌ها، دیوارها، پنجره‌ها و حتی تجهیزات آب گرم و تهویه مطبوع بررسی می‌کنند.
این مواد که سالوژل نام دارند، از ژل‌های پلیمری ساخته می‌شوند که نمک‌های آب‌پوشیده را درون خود نگه می‌دارند. این نمک‌ها حاوی مولکول‌های آبی هستند که در ساختار بلوری آن‌ها محبوس شده‌اند. پژوهشگران دانشگاه تگزاس اِی‌اند‌اِم در مطالعه‌ای تازه، روند توسعه این ژل‌ها و کاربردهای احتمالی آن‌ها در صنعت ساختمان را بررسی کرده‌اند.
ژل‌های ذخیره‌کننده گرما از همان اصلی بهره می‌برند که باعث می‌شود یک قطعه یخ نوشیدنی را خنک نگه دارد. یخ هنگام ذوب شدن، انرژی گرمایی محیط را جذب می‌کند، بدون آنکه دمایش افزایش یابد. مواد تغییر فازدهنده نیز عملکرد مشابهی دارند و هنگام تبدیل شدن از جامد به مایع گرما را جذب می‌کنند و در زمان بازگشت به حالت جامد، انرژی ذخیره‌شده را آزاد خواهند کرد.
این گروه از مواد شامل موم‌هایی مانند پارافین و نمک‌های آب‌پوشیده می‌شود. پژوهشگران نمک‌ها را گزینه مناسب‌تری می‌دانند، زیرا در هر واحد حجم می‌توانند بیش از دو برابر پارافین گرما ذخیره کنند. پارافین مدت‌ها به‌عنوان یکی از معیارهای اصلی برای مقایسه ظرفیت ذخیره‌سازی گرما به کار رفته است.
نمک‌های آب‌پوشیده همچنین مقاومت بیشتری در برابر سوختن دارند و می‌توانند با هزینه نسبتاً کمی تولید شوند. برای نمونه، کلسیم کلرید هگزاهیدرات از موادی به شمار می‌رود که به‌عنوان محصول جانبی در فرایند تولید خاکستر سودا یا کربنات سدیم به دست می‌آید.
با این حال، استفاده از این نمک‌ها در صنعت ساختمان با یک مشکل اساسی روبه‌رو بوده. نمک‌ها هنگام ذوب شدن به مایع تبدیل می‌شوند و ممکن است از محل خود نشت کنند یا به لایه‌های جداگانه تقسیم شوند. مهندسان برای حل این مشکل، روش‌هایی مانند محبوس کردن نمک در ساختارهای متخلخل یا قرار دادن آن درون کپسول‌های محافظ را آزمایش کرده‌اند. اما این راهکارها معمولاً سهم نمک را به کمتر از ۷۰ درصد کل ماده محدود می‌کنند و فرایند کپسوله‌سازی نیز پیچیدگی تولید را افزایش می‌دهد.
سالوژل‌ها با رویکرد متفاوتی این مشکل را برطرف می‌کنند. در این مواد، مقدار کمی پلیمر به کار می‌رود تا نمک در ساختار ژل باقی بماند. نمونه‌هایی که از پیوندهای برگشت‌پذیر بهره می‌برند، می‌توانند بین ۸۰ تا ۹۵ درصد ظرفیت ذخیره‌سازی گرمای نمک خالص را حفظ کنند. این پیوندها قابلیت شکستن و تشکیل مجدد دارند و به تثبیت ساختار ماده کمک می‌کنند.
کاربرد سالوژل‌ها در ساختمان و تجهیزات گرمایشی
پژوهشگران معتقدند کاربرد این مواد به ساختمان‌ها محدود نخواهد ماند و باتری‌ها، تجهیزات الکترونیکی و سطوح یخی نیز می‌توانند از مزایای آن‌ها بهره ببرند.
کارتیک کومار راجاپاگالان، یکی از نویسندگان پژوهش و از اعضای مرکز مواد نرم دانشگاه تگزاس اِی‌اند‌اِم، درباره اهمیت این فناوری گفت:
سالوژل‌ها نشان‌دهنده گذار از ذخیره‌سازی ساده گرما به طراحی مواد چندمنظوره هستند که ذخیره‌سازی و تبدیل انرژی گرمایی را با یکدیگر ترکیب می‌کنند. با درک نحوه تعامل پلیمرها و نمک‌های آب‌پوشیده در سطح مولکولی، می‌توانیم موادی طراحی کنیم که ویژگی‌های آن‌ها با نیازهای کاربردی واقعی در حوزه انرژی مطابقت داشته باشد.
تیم پژوهشی دو روش اصلی برای استفاده از سالوژل‌ها در ساختمان‌ها پیشنهاد کرده است. در روش غیرفعال، این مواد در سقف‌ها، دیوارها یا پنجره‌ها قرار می‌گیرند و از تغییرات دمای شبانه‌روز برای جذب و آزادسازی گرما بهره می‌برند. در روش دوم که رویکردی فعال‌تر دارد، سالوژل‌ها درون تجهیزاتی مانند دستگاه‌های تهویه مطبوع یا آبگرم‌کن‌ها جای می‌گیرند تا به مدیریت انرژی گرمایی کمک کنند.
آزمایش‌های انجام‌شده تاکنون در مقیاس کوچک بوده‌اند، اما نتایج اولیه امیدبخش به نظر می‌رسند. در یکی از آزمایش‌ها، ژلی حاوی سدیم استات تری‌هیدرات در سه لوله زیر کف یک خانه مدل قرار گرفت. پژوهشگران توانستند آزادسازی گرما را در یکی از لوله‌ها، دو لوله یا هر سه لوله فعال کنند.
در آزمایشی دیگر، پوششی از سالوژل روی دیوارهای یک خانه ساخته‌شده با چاپ سه‌بعدی قرار گرفت. این پوشش در مرحله ذوب، دمای داخل خانه را به میزان محسوسی پایین‌تر نگه داشت و هنگام تبلور نیز باعث شد فضای داخلی گرم‌تر بماند. خانه مشابهی که فاقد این پوشش بود، برای مقایسه مورد بررسی قرار گرفت.
پنجره‌های مجهز به این فناوری نیز عملکرد جالبی نشان دادند. ژل موجود در پنجره طی روز ذوب می‌شود، شفافیت بیشتری پیدا می‌کند و به خنک شدن محیط کمک می‌کند. با فرا رسیدن شب، ماده دوباره متبلور می‌شود، گرمای ذخیره‌شده را آزاد می‌کند و حالت کدر به خود می‌گیرد.
چالش‌های پیش رو و آینده این فناوری
با وجود نتایج امیدوارکننده، نویسندگان پژوهش تأکید دارند که هنوز موانع متعددی برای استفاده گسترده از سالوژل‌ها وجود دارد. ژل‌های سفت‌تر معمولاً انرژی کمتری ذخیره می‌کنند، در حالی که مواد نرم‌تر ظرفیت بالاتری برای نگهداری گرما دارند. بنابراین، یافتن تعادل مناسب میان استحکام ساختاری و ظرفیت ذخیره انرژی یکی از چالش‌های اصلی این فناوری به شمار می‌رود.
مسئله دیگر، کنترل زمان آزادسازی گرماست. برخی نمک‌ها حتی پس از کاهش دما تا محدوده‌ای که باید به جامد تبدیل شوند، همچنان در حالت مایع باقی می‌مانند. شبکه پلیمری می‌تواند به رفع این مشکل کمک کند، اما سازوکار دقیق این تأثیر هنوز به‌خوبی شناخته نشده است.
مقاومت در برابر رطوبت، امکان تولید در مقیاس صنعتی و دوام مواد پس از چرخه‌های مکرر گرمایش و سرمایش نیز همچنان نیازمند بررسی هستند. افزون بر این، هنوز مشخص نیست که استفاده از سالوژل‌ها در ساختمان‌های واقعی تا چه اندازه می‌تواند مصرف انرژی را کاهش دهد.
برای ادامه تحقیقات، نویسندگان استفاده از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای و هوش مصنوعی را پیشنهاد می‌کنند تا بتوان ترکیب‌های مناسب پلیمرها و نمک‌ها را پیش‌بینی کرد. آن‌ها همچنین به توسعه ترکیب‌هایی از نمک با دمای ذوب قابل تنظیم، پلیمرهایی با قابلیت ذخیره‌سازی مستقل گرما و روش‌های نوین ساخت مانند چاپ سه‌بعدی و تولید الیاف ژلی اشاره دارند.
هدف نهایی پژوهشگران، ساخت ماده‌ای مقاوم، قابل بازیافت و بادوام است که بتواند سال‌ها در ساختمان‌ها باقی بماند و با ذخیره و آزادسازی هوشمندانه گرما، نیاز به سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی پرمصرف را کاهش دهد.