ومن ثم فإن أجهزة الاستشعار الموجودة في المناطق البحرية تؤدي دورا حاسما في الرصد البيئي، وتتبع الأصول الصناعية، والبحث العلمي في بعض المناطق النائية وغير المستقرة في الكوكب، مما يؤدي إلى أن تكون هذه الأجهزة المستقلة ذاتية التكلفة بالنسبة إلى المناطق الكثيفة من الغابات، والصحراء القاحلة، أو الكبسولات الجليدية القطبية، أو الطوافات العميقة في المحيطات، هي التي يمكن أن تعمل بشكل موثوق به لمدة أشهر أو سنوات دون تدخل بشري، مما يؤدي إلى الحد من أشد العقبات التقنية التي تواجهها في هذا التحلل إلى إدارة الحرارة الخارجية.

أهمية التبريد للاستشعارات الخارجية

وتُقيَّم المكونات الإلكترونية عادة للعمل في نطاق حرارة محدد، وغالباً ما يتراوح بين -20 درجة مئوية و+70 درجة مئوية بالنسبة لأجزاء من الدرجة الصناعية، وضيق نافذة بالنسبة لمستشعرات درجة أعلى من الدقة، وكثيراً ما تعمل أجهزة الاستشعار الموجودة في نطاقات حرارة معينة عند مدد هذه السلسلة، وفي ضوء الشمس المباشر، يمكن أن تصل مساحتها البلاستيكية السوداء إلى درجات حرارة داخلية تتجاوز 80 درجة مئوية، بينما في الليل توجد درجات الحرارة نفسها.

ويشكل أداء البطاريات شاغلا رئيسيا آخر، إذ تعاني خلايا الليثيوم والآلكلين من فقدان القدرة المعجلة عند درجات الحرارة العالية، فعلى سبيل المثال، لا يمكن أن تفقد بطارية الليثيوم -يون المخزنة عند 40 درجة مئوية لمدة سنة واحدة إلا 35 في المائة من قدرتها، مقارنة بنسبة 5 في المائة فقط عند 25 درجة مئوية.

وعلاوة على ذلك، يتم نشر العديد من أجهزة الاستشعار خارج الشبكة في سياقات تتسم فيها جودة البيانات بأهمية قصوى، ففيما يتعلق بدراسات المناخ العلمي، أو بتتبع الحياة البرية، أو رصد التلوث، يمكن أن تؤدي حتى العواصف الجرافة الصغيرة إلى تقويض الاستنتاجات المستخلصة من سنوات البيانات المجمعة، كما أن إيجاد حلول مستقرة تخفض إلى حد كبير من العواصف العائمة وتحسن من إمكانية تكرار القراءات، وهذا الاستقرار مهم بصفة خاصة بالنسبة للمستشعرات العالية الدقة مثل أجهزة الاستشعار الإشعاعية (الين الإشعاعية).

التحديات في تطوير حلول التبريد المنخفضة البلدان

وتختلف القيود المفروضة على الانتشار خارج الشبكة اختلافاً جوهرياً عن القيود التي تُفرض في مختبر أو مركز بيانات يتحكم فيه المناخ، ويجب أن يفي أي حل للتبريد بمعايير عديدة تتطلبها الحاجة:

  • () القيود الأساسية: ] الأساليب التقليدية الفعالة لتبريد البخار، مثل التبريد بالبخار أو التجمعات الكبيرة لطاقة حرارة، باهظة التكلفة بالنسبة لمعظم تطبيقات الاستشعار، التي كثيرا ما تكون لها تكاليف وحدة تحت بضع مئات من الدولارات، ولا ينبغي أن يصبح نظام التبريد نفسه التكلفة الغالبة.
  • ]Power consumption:] Many sensors rely on small solar panels (5-20 W) and batteries with limited capacity. A cooling system that draws more than a few hundred milliwats on average can drain the bat faster than it can be recharged, defeating the purpose of an autonomous station.
  • Weight and size:] Off-grid sensors are often deployed by drone, backpack, or small boat. Bulky cooling assemblies increase deployment difficulty and logistical cost. The solution must be light weight and compact.
  • Durability and reliable:] Remote sensors may be exposed to dust, moisture, vibration, and wildlife.
  • Environmental adaptability:] A cooling method that works in a hot, dry climate may be ineffective in a humid tropical forest or a frozen polar environment. Solutions must be modifiable or have broad operating ranges.
  • Thermal coupling:] Heat generated inside an enclosure must be efficiently transferred to the outside. Poor thermal design, such as using non-conductive plastics for the housing, can negate even the best cooling technology.

ويتطلب التغلب على هذه التحديات هندسة مبتكرة تحفز مبادئ الديناميكا الحرارية وعلم المواد والإلكترونيات المنخفضة الطاقة، ولحسن الحظ، ظهرت عدة نُهج مبتكرة تحقق التوازن بين الأداء والتكاليف.

النهج الابتكارية في مجال التبريد

وقد استطلع الباحثون والمهندسون مجموعة من استراتيجيات التبريد تتراوح بين النافذ تماما (لا مدخلات للطاقة) والنظم النشطة ذات الطاقة المنخفضة، وهي الفئات الأكثر واعدة، وكلها لها نقاط القوة والمبادلات.

إدارة حرارية سلبية

والتبريد السلبي هو أكثر النهج جاذبية بالنسبة للمستشعرات غير الحادة لأنها تستهلك قوة إضافية صفراً، وأبسط طريقة هي ربط خريج حراري معدني أو نحاس معدني بوادر من الداخل إلى أعلى عنصر حرارة داخل الضميمة، وربطه بحري بالقصف الخارجي، غير أن الاختراق الطبيعي للهواء على الفرن يفصل الحرارة.

وتستخدم تقنية سلبية أكثر تقدماً أجهزة الكشف المصممة خصيصاً مع أنابيب الحرارة المحتوية على أنابيب النحاس المغلق التي تحتوي على كمية صغيرة من سوائل العمل (مثل الماء أو الأسيتون) التي تزدهر في النهاية الساخنة وتكثيفها في النهاية الباردة، وتتحول بكفاءة الحرارة دون انخفاض حراري بدرجة عالية، وهي قابلة للثقة (لا توجد أجزاء متحركة) ويمكن نقلها إلى 100

ورغم أن التبريد الإشعاعي هو تقنية سلبية ترفض الحرارة في السماء الباردة من خلال مادة تجسد الإشعاع الحراري في نافذة الغلاف الجوي التي تتراوح بين 8 و 13 ميكروغرام، بينما تعكس الإشعاع الشمسي، فقد أحدثت التطورات الأخيرة مبردات ذات قدرة متعددة التكلفة يمكن أن تحقق انخفاضات حرارة دون اللبس تبلغ 5-10 درجات مئوية تحت ضوء الشمس المباشر.

مواد تغير المرحلة

وتستوعب مواد تغيير المرحلة أو تطلق حرارة متقادمة عندما تذوب أو تصقل، وتتصرف كعازف حراري، وبالنسبة للمستشعرات غير الحادة، وشمعات البارافين، أو هيدرات الملح، أو الأحماض الدهنية، تُستخدم عادة، وتُدرج هذه المادة في كيس حراري أو مغلفة في مصفوفة، وتُدرج في الاتصال الحراري بالأجهزة الالكترونية للمجسّد.

والمزية الرئيسية لتبريد ثنائي الفينيل متعدد الكلور هي سرعة وسمك البارافين منخفض التكلفة - التجاري، وتكاليف أقل من 5 دولارات لكل كيلوغرام، وقد يتطلب جهاز استشعار نموذجي أن يكون مركباً يتراوح بين 50 و200 غراماً من ثنائي الفينيل متعدد الكلور للحفاظ على درجة حرارة داخلية مستقرة لعدة ساعات، وتشمل جوانب التحلل القدرة الحرارية الإجمالية المحدودة (حيث تذوب تماماً، وتزيد درجة الحرارة عند نقطة التحلل).

وبالنسبة للبيئات المتطرفة، يمكن تصنيف عدة مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات نقاط انصهار مختلفة لخلق أثر تعاقبي، فعلى سبيل المثال، تُعالج طبقة أولى ذات نقطة انصهار منخفضة (30 درجة مئوية) حرارة متوسطة، بينما تُنشط طبقة ثانية ذات درجة حرارة أعلى (50 درجة مئوية) أثناء فترة الحمل الشمسي، وقد برهنت هذه التشكيلات المتعددة درجات الحرارة في التجارب الميدانية في الصحراء، مع الحفاظ على درجات الحرارة الداخلية البالغ قدرها 3 درجات مئوية.

التبريد الاختراقي

ويؤثر التبريد الاختراقي على الحرارة الكامنة في التبخير: عندما تستهلك المياه (أو سائل آخر) حرارة كبيرة من محيطها، وهذه الطريقة فعالة بشكل خاص في المناخ الساخن والمجف مع الرطوبة النسبية المنخفضة، وتشتمل التصميمات البسيطة على لوحة سماوية مخروطة أو مواد مزروعة (مثلاً، أو مسروقة أو مصنوعة) تُشبع بالماء.

ولا حاجة إلى الطاقة الخارجية إذا كانت إمدادات المياه من الجاذبية وحركة الهواء ناجمة عن الرياح الطبيعية أو عن مروحة صغيرة تعمل بالطاقة الشمسية، غير أن استهلاك المياه يمكن أن يكون عاملاً محدوداً، وقد يستخدم مبرد مائي نموذجي 0.5 إلى 2 لتراً يومياً في بيئة صحراء، وقد يكون مقبولاً إذا كان جهاز الاستشعار يقع بالقرب من مصدر مياه موسمي أو لديه جهاز كهرباء كبير.

وتستخدم النسخ المتقدمة المولدات الهيدروجيلية أو البوليمرات الفوقية التي يمكن أن تحمل مئات المرات وزنها في الماء، وتطلقها ببطء للتبخر، وهذه المواد غير مكلفة ويمكن إدماجها مباشرة في تصميم الضبط، وبالنسبة للمستشعرات غير الحادة في الحقول الزراعية القاحلة أو النظم الإيكولوجية للأراضي الجافة، فإن التبريد المتصاعد يقدم تخفيضات قاهرة في درجة الحرارة والأداء)٢٠(.

التبريد الحراري (أجهزة Peltier Devices)

وتستخدم أجهزة التبريد الحرارية تأثيرات الطحالب لتضخ الحرارة من جانب واحد من الجهاز إلى جانب آخر عندما تطبق وحدة من أجهزة العاصمة، وهي ذات ولاية صلبة، وميثاق، وليس لديها قطع متحركة، مما يجعلها موثوقة بطبيعتها، ومناولة أجهزة الاتصال اللاسلكية ذات القدرة العالية جدا، وتكلف وحدات الاستشعار المنخفضة التكلفة من خارج الشبكة، إلا أن التقدم المحرز مؤخرا في وحدة قياس الكفاءة في مجال البسيموث قد تحسنت.

والتحدي الرئيسي هو استهلاك الطاقة من طراز × 4040 ملم، وتصل نسبة التصلب من 3 إلى 6 ألف إلى 12 خامسا عند العمل بكامل طاقته، وهو مستوى مرتفع جدا بالنسبة لمستشعر الطاقة المزودة بالبطارية، ومن حسن الحظ أن أجهزة الاستشعار نادرا ما تحتاج إلى التبريد المستمر، ويستخدم نهج مختلط في تصميمات قصيرة الأجل لا ينشط فيها إلا عندما تتجاوز درجة الحرارة الداخلية عتبة، ثم في دورة منخفضة من النفايات.

وقد نجحت عدة مشاريع تجريبية في نشر مجموعات أجهزة الاستشعار بمساعدة من اللجنة التنفيذية المعنية بالتكنولوجيا في صحراء موجاف وفي توندرا القطب الشمالي، مما يدل على أن التبريد النشط يمكن أن يكون عمليا إذا أدمج بعناية مع عناصر سلبية، فمستقبل استخدام اللجنة التنفيذية في أجهزة الاستشعار خارج الشبكة يكمن في استمرار خفض التكاليف وتطوير دوائر سائقة تعمل بالطاقة فوق البنفسجية يمكنها أن تتحكم بفعالية في حلقة التبريد.

Sky cooling Radiative

وكما ذكر آنفا، فإن التبريد الإشعاعي يرفض الحرارة من خلال نافذة الغلاف الجوي للفضاء الخارجي، التي هي مغسلة حرارة شبه مثالية عند الساعة الثالثة صباحا. وفي الممارسة العملية، فإن المبردات الإشعاعية تصمم أفلام متعددة الطوابق تعكس ضوء الشمس وتظهر بقوة في نطاق التردد ٨-١٣ كميكروم، وقد أنتجت عمليات الانجاز الأخيرة من أفلام البوليمر المحتوية على أشعة )٥٠ ميكروم( التي يمكن تصنيعها على نطاق مربع.

وعندما يقترن ذلك بمظهر شمسي (سطح أبيض أو ملوث بسطح ملوث) يمكن لفيلم التبريد الإشعاعي أن يحافظ على درجة حرارة التجويف الداخلية 5-15 درجة مئوية تحت ضوء الشمس المباشر، دون استهلاك للطاقة، وهذا هو مغير للمستشعرات ذات الطاقة الشمسية التي يجب أن تعمل خلال اليوم، والحد الرئيسي هو أن أفضل التقنيات تعمل تحت سماء واضحة؛ ومع ذلك فإن التواضع أو السحب يضعف.

دراسات الحالة وتقييم الميدان

وقد انتقلت حلول التبريد المنخفضة التكلفة من نماذج المختبرات إلى عمليات الانتشار في العالم الحقيقي، ومن الأمثلة البارزة مشروع محطة الطقس القطبية () الذي لم يستوعب سوى نظام الحرارة الخارجية الـ 14C، حيث لم يتجاوز عدد أجهزة الاستشعار البيئية المجهزة على الطوافات في مضيق بيرنغ مع مزيج من مصارف الحرارة الخارجية الفوقية والمواد المضافة إلى درجة الحرارة.

وفي صحراء النقب، قام فريق من جامعة بن غوريون باختبار مبرد متصاعد مصنوع من وعاء تيراكوتا وثروة قطنية، ووضع الحشيش على أجهزة الاستشعار داخل جيب مقفل، حيث تم تخزين المياه بمستودع مائي يبلغ ١,٥ لتر، وحافظ النظام على المستودع الداخلي عند درجة ال ٣٢ مئوية بينما بلغت درجات الحرارة المحيطة ٥٤ درجة مئوية.

كما قام مختبر NASA للضغط على الطائرات النفاثة باستكشاف التبريد الحراري لأجهزة الاستشعار التي تحمل من المريخ، وإن كان ذلك عند نقطة أعلى من التكلفة، وعلى الأرض، تم تكييف عمودها الفقري لأجهزة رصد النحل في المناخات الساخنة، حيث حافظت وحدة صغيرة من وحدات التركيز على الحرارة على أجهزة الاستشعار ذات الترددات الشمسية عند درجة حرارة 35 مئوية.

وقد قام باحثون في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، باختبار التبريد الإشعاعي على نطاق واسع، حيث نشروا أجهزة استشعار لاسلكية لرطوبة التربة في الحقول الزراعية في وادي كاليفورنيا المركزي، وأُقيمت أجهزة الاستشعار في مساحات مجهزة بفيلم مبرد مشع، ومقارنة بأجهزة التحكم في الضواحي التي طُبِّنت بيضاء، وحافظت وحدات التبريد الإشعاعي على درجة حرارة متوسطة تبلغ 8 درجات مئوية.

وتبين دراسات الحالة هذه أن حلول التبريد المنخفضة التكلفة ليست ممكنة فحسب بل يمكن أن تحسن بدرجة كبيرة من موثوقية الاستشعار ونوعية البيانات، وتتمثل الخطوة التالية في توحيد هذه التكنولوجيات وتوسيع نطاقها عبر شبكات الاستشعار الأوسع نطاقا.

الاتجاهات والتكامل في المستقبل

ومستقبل التبريد بواسطة أجهزة الاستشعار خارج الشبكة يكمن في التكامل الذكية بين طرق متعددة سلبية وناشطة ذات قوة منخفضة، وقد يجمع جهاز الاستشعار من الجيل القادم بين جهاز التبريد الإشعاعي على السطح العلوي، وألواح البوليسترين على الجانبين، وغليون حراري مقترن ببطارية صغيرة تعمل على تعزيز فعال أثناء الأحداث القصوى، وجهاز محصول للطاقة الصغري يحفز على استهلاك الدولة من النفايات.

وسيستمر علم المواد في تخفيض التكاليف، إذ إن المواد الكيميائية القابلة للتحلل البيولوجي المستمدة من الزيوت النباتية والمنسوجات المرنة للتبريد الإشعاعي والأفلام الكهربية المطبوعة على المصانع الفرعية الرخيصة هي جميعها مجالات بحث نشطة، كما أن ظهور التصنيع الاصطناعي (3Dطباع) يسمح أيضاً بتركيب هياكل التبريد القائمة على التكييف مثل الحاويات ذات الصبغة التدائية.

وثمة اتجاه هام آخر هو دمج التبريد مع نقل البيانات، فعلى سبيل المثال، يمكن استخدام نفس الأنابيب الحرارية التي تبرد جهاز الاستشعار لتسخير الفروق في درجات الحرارة لأغراض حرق الطاقة عن طريق المولدات الكهربائية الحرارية، مما قد يوفر كمية صغيرة من الطاقة الإضافية للمجس، مما يعوض تكلفة الطاقة لنقل البيانات اللاسلكية، وتقوم بعض أفرقة البحث حاليا بتصميم وحدات مدمجة للتبريد والقوى الكهربائية تُدير في الوقت نفسه.

وهناك حاجة أيضاً إلى بروتوكولات اختبار موحدة ومبادئ توجيهية للتصميم، وبدأت منظمات مثل اللجنة الدولية للكهرباء الإلكترونية ] ومعهد المهندسين الكهربائيين والإلكترونيين (IEE) وضع معايير للموثوقين البيئيين في ظروف الإدارة القصوى، مما سيساعد على اعتماد أفضل الممارسات في مجال التصنيع.

وأخيراً، فإن مبادرات أجهزة الحاسوب المفتوحة المصدر تقلل من الحاجز أمام الدخول، إذ توفر منابر مثل [(FLT:0]) أردوينو و استوديو بحثي ] الآن مجموعات أجهزة استشعار بيئية تأتي بتوصيات أساسية للتبريد السلبي، ولكن التعديلات التي تحركها المجتمعات المحلية قد أسفرت عن تحسينات موثقة في مجال التبريد مثل إضافة مواد كيميائية مستنسخة.

خاتمة

إن وضع حلول لتبريد المواد المنخفضة التكلفة للمستشعرات خارج الشبكة يمثل تحديا هندسيا يتطلب تحقيق التوازن بين الأداء والتكاليف والطاقة والموثوقية، وقد تجاوز هذا المجال المفاهيم النظرية، حيث أصبحت المصارف المتعددة المثبتة للحرارة، ومواد التغيير التدريجي، والتبريد المتصاعد، ومبردات الحرارة، والتبريد في السماء الإشعاعية، والمنتشرة في شبكات الرصد في العالم الحقيقي، والمفتاح هو تطابق ظروف التهدئة.

وتترجم إدارة الحرارة الموثوقة مباشرة إلى مدى أطول من عمر الاستشعار، وتحسين نوعية البيانات، وانخفاض تكاليف الصيانة - وكلها عوامل حاسمة لتوسيع شبكات الاستشعار خارج الشبكة في المناطق النائية والحساسة بيئياً، ومن الطفافات القطبية الشمالية إلى مسيرات التربة الصحراوية، فإن تكنولوجيات التبريد هذه ستمكن العلماء والمهندسين من جمع بيانات عالية الجودة على فترات ممتدة، مما سيحسن فهمنا لتغير المناخ، وإدارة الموارد الطبيعية، وديناميات النظم الإيكولوجية.

For further reading on specific techniques and innovations, see the Nature Communications paper on scalable radiative cooling materials, the ]Energy & Environmental Science review of phase change materials for electronics, and the MDPIsors article on low-