لماذا (غرافين) هو "الثورة في تكنولوجيات التحكم بالمناخ"

وقد برزت غرافين، وهي طبقة واحدة من ذرات الكربون التي تم ترتيبها في إطار ذيل ذي تردد ثنائي، كأحد أكثر المواد بروزا في القرن الحادي والعشرين، حيث أن مزيجها من السلوكيات الكهربائية غير العادية، والقوة الميكانيكية، والخصائص الحرارية يجعلها مرشحا رئيسيا لتحويل العديد من الصناعات، بما في ذلك نظم مراقبة المناخ، كما أن الجيل القادم من الجيل التالي من الظواهر الحرارية، والضوابط القائمة على التدفئة والتكييف، والتكيف مع الظروف الجوية

وقد اعتمدت الدوائر التقليدية للزراعة منذ وقت طويل على الشرائط الثنائية الفلزات، أو أجهزة الأشعة الحرارية، أو أجهزة الاستشعار شبه القائمة على الموصلات، ومع أن هذه التكنولوجيات قد أدت الغرض منها، فإنها تأتي مع قيود متأصلة في الاستجابة والحساسية وعامل التكوين، فالقطع المعدنية، مثلا، بطيئة في الاستجابة لتغيرات درجة الحرارة، وتفتقر إلى الدقة، إلا أن أجهزة الاستشعار التي تعمل على قياس النواة الذرية لا تزال تعاني من الانجرافات الجامدة.

كما أن المنهج الحراري للغرافيين هو أيضاً مقاس بشكل استثنائي بحوالي ٠٠٠ ٥ من الألف من الكبريت، وهو ما يتجاوز بكثير النحاس أو الفضة، وهذا يعني أن أجهزة الاستشعار والتسخين التي تستخدم في الغرافيني يمكن أن تضاهي درجات الحرارة عبر السطح، وتمنع البؤر الساخنة، وتضمن التوزيع حتى عندما تدمج في المسكنات الميكانيكية أو في القنوات، فإن الغرافيا يمكنها أن تساعد على خلق أثاث الأكثر تجانسا.

How Graphene Enhancesor Sensitivity and Responsiveness

ومن أهم مزايا الغرافيني في مجال مراقبة المناخ حساسيته الاستثنائية إزاء تغيرات الحرارة، إذ أن مقاومة غرافين الكهربائية تعتمد بدرجة عالية على درجة الحرارة بسبب ضوضاءها الإلكتروني المنخفض وتنقلها عالياً، وعندما يطبق الفولط على ورقة بيانية، فإن التحول في درجة الحرارة يسبب تغيراً قابلاً للقياس في الوقت الراهن، مما يسمح بمقارنة درجات الحرارة بالأشعة دون الألف.

وهذه الحساسية الشديدة تترجم مباشرة إلى رقابة أكثر دقة على المناخ، ففي مبنى مثلاً، يمكن لجهاز حرارة قابل للرسم أن يستجيب لشخص يدخل غرفة أو فتح نافذة في غضون ثواني بدلاً من انتظار متوسط درجة الحرارة للانجراف، ونتيجة لذلك نظام يحافظ على درجة حرارة مستهدفة مستقرة مع الحد الأدنى من الإفراط في الحركة، مما يقلل من عبء العمل على معدات التدفئة والتبريد، ويُعدل الطاقة.

وعلاوة على ذلك، فإن مرونة الرسم البياني تتيح تصميمات مجسية متطابقة يمكن وضعها مباشرة على سطح يهتز حرارة مثل أجهزة الإشعال أو الإلكتروني أو الجلد البشري، وهذا النهج الموزع للاستشعار يوفر صورة أكمل للظروف الحرارية من جهاز حراري واحد مجهز بالحائط، ومن خلال إدماج صفائف أجهزة الاستشعار الغرافينية في جميع أنحاء المبنى، يمكن لنظام المراقبة المركزي أن يرسم خرائط لدرجات الحرارة في الزمن الحقيقي.

المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة في استخدام الطاقة من خلال عناصر متقدمة من قبيلة غرافين

ويسهم تحسين الحساسية والاستجابة بصورة مباشرة في كفاءة الطاقة، وعندما يمكن لجهاز أشعة حراري أن يتفاعل بسرعة وبدقة أكبر، فإنه يتجنب " القذف " - التجاوز المستمر، ويخمد إلى أن الطاقة المستعملة في النظم التقليدية، وأن بإمكان إحصاءات الحرارة القائمة على غرافين أن تنفذ نماذج متداخلة متكاملة لمكافحة الزئبق، مع زيادة النزعة الاستيعابية، مما يجعل من النصيب الأدنى من الدراسات المتعلقة بالأشعة في الجسم البشري أقل من ذلك.

ويمكن للغرافيين، بالإضافة إلى أجهزة الاستشعار، أن يحسن كفاءة التبادل الحراري، ويمكن أن تؤدي طلاءات غرافين على ضفافات مبادلات الحرارة أو علب التبريد إلى زيادة معدلات النقل الحراري بسبب ارتفاع مساحة سطحها وسلوكها، مما يعني أن وحدة صغيرة أخف من طراز HVAC يمكن أن تحقق نفس القدرة على التبريد أو التدفئة، وتوفير تكاليف الفضاء والمواد.

وهناك سبيل آخر لتحقيق وفورات الطاقة هو في علم الحرارة الذكية التي تتعلم سلوك المستعملين، ويمكن أن تترك أجهزة الاستشعار التي تستخدم في غرافين والتي تقل استهلاك الطاقة باستمرار دون أن تستنفد البطاريات، مما يتيح الرصد دائما، وهذه أجهزة الاستشعار، التي تعمل على الحواف، هي أيضا أجهزة استشعار قادرة على معالجة البيانات محليا، والتواصل مع خدمات السحب عند الضرورة، مما يقلل من قدرة الشبكة على المقاومة، وهذا أمر له قيمة خاصة في المرافق التجارية الكبيرة التي تعني صيانة أجهزة الاستشعار فوق سنوات.

التطبيقات عبر المناطق السكنية والتجارية والصناعية

Smart Home Thermostats and Predictive Control

وفي البيئات السكنية، يمكن لأجهزة الحرارة المعززة بالغرافيا أن تتيح التحكم في المناخ التكييفي حقا، تخيل نظام لا يستجيب لدرجات الحرارة المحيطة فحسب، بل أيضا لدرجات الحرارة السطحية للطوابق والأحوائط والنوافذ، وبإدخال أجهزة الاستشعار الشعاعية في الطوابق الأرضية أو الجدران، يمكن للجهاز الحراري أن يكشف الكتلة الحرارية ويضبط دورات التبريد قبل التكييف.

وعلاوة على ذلك، فإن توافق الغرافيني مع الإلكترونيات المطبوعة يعني أن الشرائط المرنة يمكن أن تدمج في الستائر أو الأعمى أو أفلام النوافذ، ويمكن أن تكشف عن المكاسب الشمسية وتكيفها تلقائياً، وتعمل بالتوازي مع جهاز الحرارة للحفاظ على الراحة، وأن انخفاض تكلفة المكونات القائمة على التلغراف وقابليتها للتعقيد يجعلها قابلة للتطبيق بالنسبة للمنتجات المنزلية الذكية المنتجة جماعياً، مما قد يؤدي إلى زيادة أداء الأقساط إلى منتصف العقد.

التشغيل الآلي للمبنى الأخضر

وفي المباني الخضراء التجارية، يمكن لمستشعرات الغرافيين أن تتيح ضوابط متطورة في المناطق التي تُستخدم فيها الطاقة على النحو الأمثل لكل شاغل، ومن خلال وضع مقاييس حرارية في كل غرفة أو منطقة، يمكن لنظام إدارة المباني أن يُعدل ديناميا درجات الحرارة في الهواء ومعدلات التدفق، وهذا مفيد بوجه خاص في مكاتب الطائرات المفتوحة حيث يتباين التعرض للأشعة الشمسية طوال اليوم، حيث يمكن للأشعة المفاجئة أن تُعكس أثر التحولات السحابية على

وهناك تطبيق واعد آخر في مراكز البيانات، حيث يكون التحكم الدقيق في درجة الحرارة حاسماً بالنسبة لأداء الخواديم، ويمكن لمستشعرات غرافين التي توضع على رفوف الخواديم أن تكشف عن البقع الساخنة في الثانية صباحاً وأن تُحدث تهدئة محلية، مما يقلل من الحاجة إلى الإفراط في عزل الغرفة بأكملها، مما يمكن أن يحسن فعالية استخدام الطاقة بدرجة كبيرة.

Wearable and Personal Climate Systems

كما أن مرونة غرافين وقلة صورتها تجعلها مثالية لأجهزة المناخ القابلة للارتداء، إذ أن نظم الإدارة الحرارية الشخصية - مثل السترات المسخنة، أو سترات التبريد، أو أجهزة الحرارة المصفورة - يمكن أن تدمج أجهزة الاستشعار الجاينية وعناصر التدفئة/العزل - ويمكن لهذه الأجهزة أن تستجيب لدرجات حرارة الجلد التي ترتدى فيها ظروف مريحة محلية.

التغلب على التحديات: التصنيع والتكامل والتكلفة

وفي حين أن إمكانات الغرافينيين في مجال مكافحة المناخ هائلة، فإن عدة عقبات لا تزال قائمة قبل اعتمادها على نطاق واسع، ويتمثل التحدي الأكثر إلحاحا في زيادة إنتاج مادة الغرافيين عالية الجودة بتكلفة معقولة، ومعظم الأساليب التوليفيية - الترسيب الكيميائي، أو التطهير الميكانيكي، أو الحد الكيميائي من إنتاج أكسيد الغرافيين إما أن تؤدي إلى سطوات صغيرة أو أفلام باهظة التكلفة لنقلها إلى مواقع فرعية.

وثمة تحد آخر يتمثل في دمج أجهزة الاستشعار بالغرافيين مع الوصلات الالكترونية القائمة، إذ أن معظم أجهزة الأشعة تستخدم أجهزة التحكم بالمايكرويكات القائمة على السليكون، والمحولات القياسية للأشعة المشابهة إلى الشكل، وهي مجسات مختلفة قد تحتاج إلى أجهزة تكييف الإشارات العرفية، أما النظم الهجينة التي تجمع بين عناصر الاستشعار بالغرافيا والإلكترونيات اللوجية فتشكل حلاً مؤقتاً عملياً، ولكنها تضيف تعقيداً.

(ب) إن استقرار البيئة عامل آخر، فبينما يكون الرسم البياني نفسه قوياً من الناحية الكيميائية، فإن خصائصه الكهربائية يمكن أن تتأثر بالرطوبة، أو الجزيئات المشبعة بالضمان، أو الإجهاد الميكانيكي، وطبقات القدرة، مثل أكسيد الألومنيوم أو المعاطف المتعددة، يمكن أن تحمي جهاز الاستشعار، ولكنها قد تضعف القدرة على الاستجابة، والاختبارات المكثفة في إطار ظروف التركيز التراكمي الحقيقي - معايير درجات الحرارة اللازمة.

الاتجاهات المستقبلية: التكامل مع التعلم في مجال التعليم والتعليم في مجال التعليم العالي والآلات

ويمكن تحقيق كامل إمكانات الغرافيين في مجال مراقبة المناخ عندما يقترن ذلك بالشبكة العالمية للهياكل الأساسية للتعلم الآلي، ويمكن لشبكة من أجهزة الاستشعار الغرافينية الموزعة في جميع أنحاء المبنى أن توفر خريطة ميدانية عالية الاستبانة، ويمكن لنماذج التعلم الماكنة أن تتوقّع الديناميات الحرارية القائمة على الشغل والتنبؤات الجوية والجداول الزمنية للمعدات.

وعلاوة على ذلك، يمكن للمستشعرات الغرافينية أن تتيح الكشف عن الأخطاء في معدات HVAC، ومن خلال رصد درجة حرارة المكونات مثل المكثفات أو المبردات أو المضخات الحرارية، يمكن أن يكشف النظام عن أنماط غير عادية تدل على الفشل، ويتيح الإنذار المبكر الصيانة الاستباقية، ويخفض وقت الانكماش وتكاليف الإصلاح، وقد استخدم هذا الرصد القائم على الظروف بالفعل في البيئات الصناعية ولكنه كان مكلفا للغاية بالنسبة لتطبيقات البناء الواسعة النطاق بسبب تكاليف أجهزة الاستشعار المحتملة.

كما أن البحث في محركات محركات متحركة ذات طابع رسمي، الذي يتغير شكلها أو حجمها استجابة لدرجات الحرارة أو الحقول الكهربائية، يمكن أن يؤدي إلى إحداث ثورة في مراقبة المناخ، وعلى سبيل المثال، يمكن استخدام المواد القائمة على الرسوم البيانية في نوافذ ذكية تضبط الرن على أساس درجة الحرارة المحيطة، أو في فتحات تكيفية مفتوحة ووثيقة بدون محركات، مما يؤدي إلى زيادة تخفيض احتياجات استهلاك الطاقة والصيانة.

الاستنتاج: مسار مستدام نحو الأمام

وتتيح شركة غرافين مساراً قاهراً نحو الجيل القادم من أطباء الحرارة ونظم مراقبة المناخ الأكثر حساسية واستجابة وكفاءة في استخدام الطاقة، إذ تشير التكنولوجيا، من مستشعرات درجة الحرارة فوق البدائية إلى مواد نقل حرارة عالية الأداء، إلى أن المكونات القائمة على الرسوم البيانية يمكن أن تحسن كل جوانب نظم HVAC، وتتناسب هذه التكنولوجيا بشكل خاص مع متطلبات المباني الذكية، وتكامل الطاقة المتجددة، وتحديات الترويع الشخصية،

ومع زيادة طموح مدونات البناء وأهداف الاستدامة، فإن الحاجة إلى نظم رقابة متقدمة لن تنمو إلا، فإن غرافين، مع مزيجها الفريد من الخواص المادية والكيميائية، مستعدة لتلبية تلك الحاجة، فباستمرار الاستثمار في إنتاج الجاين، وتكامل أجهزة الاستشعار، وتحقيق الاستخدام الأمثل على مستوى المنظومة، يمكن أن نستهل فترة جديدة من الخواص الذكية والكفؤة والراحة داخل البيوت.