كيف تعمل الاشياء بحوث متنوعة ومتجددة

[dododa]

كيف تعمل النوافذ الذكية
Smart Windows

يواجه العالم في هذا القرن تحدي كبير في مواجهة النقص في توفر مصادر الطاقة مقابل الحاجة الى المزيد لها نتيجة للتطور التقني والتكنولوجي المعتمد عليها واصبحت عصب حياتنا العملية، وقد قامت دائرة ابحاث الطاقة في الولايات المتحدة بدراسة على معدل استهلاك الوقود لتوفير الطاقة الكهربية ووجدت أن خلال 10 سنوات سيزيد الاستهلاك الى مايقارب 62%، وهذا سيؤدي الى ارتفاع كبير في الأسعار كما ان الموارد الطبيعية لن تكون قادرة على توفير الزيادة في الاستهلاك. ولحل هذه المشكلة يلجىء بعض العلماء إلى البحث عن بدائل لسد هذا النقص والبعض الآخر يقومون بالأبحاث التي من شأنها التقليل من استهلاك الطاقة.والنوافذ الذكية هي أحد نتائج الأبحاث التي تعمل على هذا المبدأ.
لو نظرنا حولنا لوجدنا إننا نقضي الكثير من أوقاتا داخل مباني مزودة بنوافذ زجاجية لتعزيز اتصالنا بالعالم الخارجي، حيث تسمح النوافذ الزجاجية لأشعة الشمس بتدفئة المبنى من الداخل، كما توفر الضوء الكافي للرؤية، وكما نعلم أن اشعة الشمس بالإضافة إلى ضوئها المرئي فإنها تحتوي على أشعة غير مرئية وبالتحديد الاشعة فوق البنفسجية التي تسبب احساسنا بارتفاع غير مرغوب به في الحرارة وتتلف الأثاث وترفع درجة حرارة المبنى، مما يؤدي إلى ضرورة استخدام أجهزة التكييف والتبريد التي تستهلك الكثير من الطاقة هذا بالإضافة إلى تكلفتها العالية على المستخدم.
ولا تندهش اذا علمت إن أكثر من 40% من استهلاكنا للطاقة مركز فقط على التحكم درجة حرارة المبنى الذي نقطنه سواء بالتبريد أو التدفئة. لذا فكر العلماء في كيفية التقليل من استهلاك الطاقة عن طريق تطوير تكنولوجيا النوافذ الذكية smart windows التي تعمل على ادخال اشعة الشمس اللازمة للمباني ولكن هذه النوافذ لها القدرة على التحكم بكمية الضوء التي تدخل من خلالها. إن امكانية التحكم في كمية الضوء التي تدخل عبر النوافذ للمبني له الأثر الكبير في التقليل من استهلاك الطاقة.

وفي هذه المقالة سنقوم بشرح فكرة عمل النوافذ الذكية يمكن للمستخدم من التحكم في شدة الضوء من خلالها.

حرك المؤشر على اليمين ولاحظ تعتيم النافذة

تكنولوجيا النوافذ الذكية
تعتمد فكرة عمل النوافذ الذكية في التحكم في مرور الضوء من خلالها على أحد الظواهر الفيزيائية الكثيرة التي تستجيب للضوء ولكل ظاهرة ميزاتها وعيوبها ومن هذه الظواهر:

1
البصريات الحرارية
Thermotropics
2
تغيير لون الضوء
photochromatics
3
البلورات السائلة
Liquid Crystals
4
شاشة الجسيمات المعلقة
Suspended Partical Displays
5
تغير اللون بالكهرباء
Electrochromics

لعلك استخدمت نظارة شمسية تستخدم ظاهرة تغير لون الضوء photochromatics، ولربما اعتقدت إن النوافذ الذكية ستكون مصنوعة من نفس مادة النظارات الشمسية تلك، وبالفعل كانت هذه الفكرة مطروحة حيث أن نافذة مطعمة بمادة تتغير لونها بتعرضها لأشعة الشمس يمكن أن تفي بالغرض ولكن تصبح هذه النوافذ عديمة الفائدة وغير مرغوب بها في فصل الشتاء، فعندما تكون درجة حرارة الغرفة منخفضة في فصل الشتاء ولكن الشمس مشرقة فإن نوافذ المصنوعة من مواد تتغير لونها بالضوء لا تكون ذكية لانها سوف تحجب اشعة الشمس في الوقت المطلوب ان تدخل عبر النافذة لتدفئة الغرفة.

ومن بين الوسائل التكنولوجية التي تعتمد عليها النوافذ الذكية هي البلورات السائلة وشاشة الجسيمات المعلقة وتغير اللون بالكهرباء. وسنقوم بشرح هذه الوسائل بشيء من التفصيل.

التحكم في كمية الضوء من خلال زيادة او تقليل المجال الكهربي المار في النافذة
قم بتحريك الزر الأحمر للاسفل لتقليل كمية الكهرباء ولاحظ التأثير على النافذة.

شاشة الجسيمات المعلقة Suspended Particle Display
لا شك ان النوافذ تلعب دوراً هاماً في المنازل والمنشآت التجارية. فهي تسمح لضوء الشمس بالدخول لتقليل الاعتماد على الاضاءة باستخدام المصابيح الكهربائية كما وتلعب النوافذ دوراً هاماً في عملية التدفئة. يسعى العلماء للوصول إلى فكرة لنوافذ ذكية يستطيع المستخدم من جعل النافذة شفافة تماماً أو معتمة بالكامل أو اي درجة بينهما من خلال أزرار تحكم.
تعتمد فكرة النوافذ الذكية على استخدام جسيمات دقيقة تستطيع امتصاص الضوء وتدعى هذه الطريقة بالجسيمات المعلقة suspended particle devices (SPD) أو صمامات الضوء التي تتكون من:

• <LI dir=rtl>لوحان من الزجاج او البلاستيك.
  <LI dir=rtl>مواد موصلة للكهرباء تغطي اللوج الزجاجي أو البلاستيكي المستخدم.
  <LI dir=rtl>الجسيمات المعلقة وهي ملايين الجسيمات الموضوعة بين اللوحين.
  <LI dir=rtl>سائل بين اللوحين لسماح للجسيمات المعلقة بالحركة.
• أداة التحكم.

فكرة عمل الجسيمات المعلقة بسيطة، تخيل إن هذه الجسيمات هي بمثابة صمامات للضوء يمكن أن تسمح له بالمرور أو تحجبه، يصل عدد الجسيمات المعلقة عدة ملايين موجودة بين لوحين من الزجاج المغطى من الداخل بمادة شفافة موصلة للكهرباء. عند تطبيق فرق جهد معين على اللوحين الزجاجيين فإن هذه الجسيمات المعلقة تتحرك وتصطف بانتظام لتسمح للضوء بالمرور بينها، وبدون تطبيق فرق جهد كهربي فإن الجسيمات تترتب بطريقة عشوائية مما ينتج عنه حجب الضوء ومنعه من النفاذ. وبهذا فإن بتقليل فرق الجهد المطبق يصبح الزجاج معتماً شيئاً فشيئاً حتي تصبح سوداء عند فرق جهد صفر.

بالتالي يمكن للمستخدم في المنزل التحكم بحجب الضوء أو السماح له من خلال تطبيق استخدام زر تحكم أو حتى ريموتكنترول للتحكم في فرق الجهد على لوحي الزجاج. وتم تجربة هذه التكنولوجيا في عدة منازل في الولايات المتحدة من حيث تم تحويل نوافذ المنزل من النوافذ العادية إلى نوافذ ذكية وكان ذلك له الأثر الكبير في التقليل من قيمة فواتير الكهرباء الشهرية.
سنقوم الآن بشرح وسيلة أخرى متبعة في النوافذ الذكية وهي البلورات السائلة وكيف تعمل.

البلورات السائلة Liquid Crystals
تدخل البلورات السائلة في العديد من التطبيقات المتقدمة وعلى سبيل المثال شاشات التلفزيون والكمبيوتر الحديثة، وهنا تم استخدام البلورات السائلة كتطبيق عملي لصناعة نوافذ ذكية كبديل أو منافس لتكنولووجيا الجسيمات المعلقة.

على اليسار لوح زجاجي شفاف من البلورات السائلة تحول إلى لوح معتم في الصورة على اليمين.

تعمل البلورات السائلة في النوافذ الذكية على التحكم في كمية الضوء النافذ منها وذلك من خلال تغيير إستجابة البلورات السائلة للشحنات الكهربية. حيث تعمل الشحنة الكهربية على ترتيب البلورات بشكل منتظم لتسمح للضوء بالمرور وعندما تختفي الشحنة الكهربية تعود البلورات إلى وضعها العشوائي مما يمنع أشعة الضوء بالمرور خلالها.

تغير اللون بالكهرباءElectrochromic windows
هذه المواد تصبح معتمة عند تطبيق فرق جهد كهربي ومنفذة للضوء عند اختفاء فرق الجهد، تعتمد هذه التكنولوجيا على مواد تتغير لونها عند تطبيق فرق جهد كهربي عليها وتعرف باسم المواد الكتروكروماتك electrochromic. تعمل الكهرباء على تنشيط تفاعل كيميائي يعمل على تغير خواص المادة من حيث امتصاص المادة للضوء. ولصناعة نوافذ ذكية من هذه المواد يتم وضعها بين شريحتين من الزجاج عل النحو التالي:

• <LI dir=rtl>شريحتين من الزجاج او البلاستيك Glass or plastic panel
  <LI dir=rtl>طبقة من مادة موصلة على الجزء الداخلي من الشريحة Conducting oxide
  <LI dir=rtl>طبقة من مادة الالكتروكروماتك مثل ا**يد التنجستن Electrochromic layer
  <LI dir=rtl>موصل ايوني Ion conductor
• مخزن ابونات Ion storage

في هذا التصميم يكون التفاعل الكيميائي من نوع تفاعل الا**دة حيث تفقد الجزيئات إلكترونات لتصبح أيونات. بين طبقة الالكتروكروماتك تؤثر هذه الأيونات على درجة حجب الضوء في طبقة الالكتروكروماتك. يتم توصيل مصدر الجهد الكهربي على طبقتي التوصيل التي تغطي السطح الداخلي للزجاج يعمل فرق الجهد المطبق على دفع الايونات من طبقة مخزن الايونات الى طبقة الالكتروكروماتك عبر طبقة الايونات الموصلة. عند اغلاق الجعد الكهربي فإن الايونات تعود الى طبقة مخزن الايونات. وتترك الايونات طبقة الالكتروكروماتك لتعود شفافة ومنفذة للضوء.

تكون النافذة شفافة ومنفذة للضوء عندما يكون فرق الجهد صفر

تصبح النافذة معتمة عند تطبيق فرق جهد

تكون النافذة شفافة ومنفذة للضوء عندما يكون فرق الجهد صفر

تصبح النافذة معتمة عند تطبيق فرق جهد

مرأة رؤية خلفية تعتم تلقائيا باستخدام المواد الالكتروكروماتك

الخلاصة
النوافذ الذكية هي تلك التي تتحكم بكمية الضوء المطلوب حسب الحاجة ويمكن أن تعتمد فكرتها على العديد من الطرق والوسائل التكنولوجية التي تعتمد على مواد تتغير خواصها الضوئية من ناحية الامتصاص أو الانعكاس مع تغير فرق الجهد المطبق ولازالت الأبحاث مستمرة لتطوير نوافذ ذكية بكفاءة عالية.
مراجع
لمزيد من المعلومات يرجى مراجعة المواقع التالية:

• <LI dir=ltr>Research Frontiers
  <LI dir=ltr>SwitchLite Privacy Glass™
  <LI dir=ltr>SageGlass Electrochromic Windows
  <LI dir=ltr>PDLC Switchable Windows
  <LI dir=ltr>SGG PRIVA-LITE®
  <LI dir=ltr>Windows of the Future
  <LI dir=ltr>Road Rescue Introduces SPD-Smart(TM) Technology for Ambulance Windows
  <LI dir=ltr>Windows & Daylighting: Chromogenic Materials
• How Electrochromic Windows Work

[dododa]

كيف تعمل النانوتكنولوجي؟
في القرن العشرين بلغت مساحة شركة هنري فورد لتصنيع السيارات حوالي 8000 متر مربع في ولاية ميتشيغن الأمريكية. استخدمت كل هذه المساحة لتصنيع السيارات على مسار طويل طوله 144 كيلومتر ليتخصص كل جزء من هذا المسار في مرحلة من مراحل تصنيع وتجميع السيارات. واعتبر هذا المصنع من اكثر مصانع السيارات كفاءة، حيث كان يمتلك أكبر مساحة مخصصة للعمل.

ترس ذري يمثل Nanogears

عصر التلفزيون والكمبيوتر والطائرة من أهم مظاهر التطور في القرن العشرين ولكن عصر النانوتكنولوجيا هو المستقبل الذي ينتظرنا بكل ما يحمل من تكنولوجيا لها ميزاتها ومخاطرها.
إن النانوتكنولوجيا هو اسم كبير يخفي في طياته العديد من مواضيع البحث العلمي التي تتعامل مع الأجسام التي بحجم النانومتر (النانومتر هو جزء من البليون متر اي ان النانومتر هو 1/1000,000,000 متر)، في هذه المقالة من تفسيرات فيزيائية سوف نلقي الضوء على هذه التكنولوجيا الجديدة.

ما هي التكنولوجيا النانوية

في هذه الصورة نلاحظ وجود ترس لجزء من محرك نانوتكنولوجي بحجم حبيبة غبار وفوقه حشرة وهذا يوضح أن العلماء يستطيعون صنع آلات صغيرة بصغر حبيبة الغبار! (حجم حبيبة الغبار يوازي حجم ربع نقطة عادية على الصفحة) هذا المثال جزء فقط مما يمكنلهذه التكنولوجيا أن تحقق.

أصل مصطلح التكنولوجيا النانوية أو النانوتكنولوجي

تم إدخال مصطلح التكنولوجيا النانوية لأول مرة عام 1974 وذلك من قبلالباحث الياباني نوريو تانيغوشي عندما حاول بهذا المصطلح التعبير عن وسائلوسطرق تصنيع وعمليات تشغيل عناصر ميكانيكية وكهربائية بدقة ميكروية عالية. أما البوابة إلى عالم الذرات فقد تم فتحها عام 1982 عن طريق الباحثينالسويسريين جيرد بينيغ وهاينريش رورير، حيث قاما بتطوير الميكروسكوبالأكثر دقة من أجل مراقبة الذرات وإمكانية التأثير بها وإزاحتها وبعدإنجازهما المشترك بأربع سنوات 1986 حصلا على جائزة نوبل. في عام 1991اكتشف الباحث الياباني سوميو ليجيما الأنابيب النانوية المؤلفة فقط منشبكة من الذرات الكربونية وبالقياس تم الحصول على مقاومة شد أعلى منمقاومة شد الفولاذ بعشرة مرات وأكثر قساوة واستقراراً من الماس بمرتين علىالأقل. إن الطلب على المنتجات النانوية آخذاً بالازدياد والنمو، ففي عام 2001 بلغ معدل الإنفاق العالمي على المجال النانوي حوالي 54 مليار يورو،هذا وتشير التوقعات بأن هذا المبلغ سوف يتضاعف أربعة مرات حتى عام 2010.


البناء باستخدام الذرات

مجموعة تروس ذرية تستخدم في تصنيع الآلات الناتوية

تعتمد التكنولوجيا النانوية على التشبيك والتنسيق بينالعلوم البيولوجية والفيزيائية والكيميائية والميكانيكية والإلكترونيةوعلم المواد وتقنية المعلومات وذلك من أجل دراسة الهياكل البنائية للمادةالحية واللاحية، وكما حدث في القرن العشرين من تبدل في حياة الشعوب كنتيجةلثورة المعلومات والاتصالات بدأت علائم تبدل جذري جديد بالظهور بفعلالتطورالهائل في مجال التكنولوجيا النانوية والبيولوجية والنانوبيولوجية والميكروية والبصرية.
هناك ثلاثة مراحل للوصول إلى مواد واجهزة والات مصنعة بالتكنولوجيا النانوية هي:
(1) العلماء عليهم ان يتمكنوا من التأثير والتحكم بكل ذرة من الذرات المكون للمادة، وهذا يعني تطوير طريقة للامساك بالذرة وتحريكها إلى المكان المطلوب، وفي الحقيقة تمكنت شركة IBM في العام 1990من كتابة اسم الشركة على بواسطة ترتيب 35 ذرة من ذرات عنصر الزينون على سطح بلورة من النيكل واستخدموا علماء شركة IBM في ذلك جهاز الميكروسكوب الذري atomic force microscopy