تويت
عباءة الإخفاء الحراري تُغيِّر اتّجاه الحرارة بفعالية
الضوء، الصوت، والآن الحرارة – تمامًا كعباءات الإخفاء البصرية التي يمكننها تغيير مسار الضوء لتحجب جسمًا ما عن النظر، ومثل المواد الخارقة1 الصوتية المصنعة التي يمكنها إخفاء جسم ما عن الموجات الصوتية، العباءة الحرارية المطورة مؤخرًا يمكن أن تجعل جسمًا ما مخفيًا حراريًا عن طريق إعادة توجيه الحرارة الواردة إليه بفعالية.
هذا النظام المصمم من قبل علماء في جامعة نانيانغ للتكنولوجيا (NTU) في سنغافورة، لديه القدرة على الضبط الدقيق لتوزع درجة الحرارة وتدفق الحرارة في الأنظمة الإلكترونية ونصف الناقلة. ويمكن استعماله في الأجهزة ذات الحاجة الكبيرة لتضييع حراري فعال وتمدد حراري متجانس2، مثل المحركات عالية الطاقة، أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) وأجهزة الاستشعار الحراري.
ويقول البروفيسور بايلي تشانغ (Baile Zhang) من جامعة NTU : “نظرًا لمرونة شكلها، يمكن أن تستعمل العباءة الحرارية النشطة أيضًا في ملابس الإنسان لتبريد وتدفئة فعالين، وهذا يجعلها ذات أهمية كبيرة في المناطق الاستوائية مثل سنغافورة”.
في الفترة السابقة، كان تشانغ وزملاؤه يقومون بالتجريب باستعمال المواد الخارقة، وهي عبارة عن مركبات اصطناعية تُظهر خصائص غير موجودة في المواد التي تتشكل طبيعيًا، فصمموا عباءة حرارية من هذه المواد بحيث تقوم بتوجيه الحرارة، المنتقلة بالتوصيل3، بشكل سلبي حول الجسم المخفي، لكن ذلك الجهاز كان يفتقر للمفتاح on/off، ولا يمكن استعماله مع الأشياء ذات الأشكال الهندسية المختلفة.
يضيف تشانغ: “بعدها بدأنا بالتفكير فيما إذا كان بإمكاننا التحكم في العباءة الحرارية كهربائيًا، ليس من خلال توجيه الحرارة حول الجسم المخفي، ولكن عن طريق ضخ الحرارة من الجانب الأول للجسم المخفي إلى الجانب الآخر بشكل نشط، باستعمال وحدات كهروحرارية “. وسيقوم تشانغ وزملاؤه بوصف البنية والميكانيكا الحرارية للعباءة هذا الأسبوع في مقال يظهر على غلاف مجلة رسائل الفيزياء التطبيقية (Applied Physics Letters).
لبناء عباءتهم الحرارية الفعّالة، قام الباحثون بنشر 24 وحدة كهروحرارية صغيرة، عبارة عن مضخات حرارة نصف ناقلة يتحكم فيها مدخل جهد خارجي، حول ثقب هواء قطره 62 ملم في لوحة من الكربون الصلب بسمك 5 مم. هاته الوحدات تعمل وفق تأثير بلتيير4 (Peltier Effect)، الذي ينص على أن التيار المارّ من خلال نقطة الاتصال بين ناقلين يمكن أن يمتص أو يولد حرارة. بالتالي عند توصيل العديد من الوحدات في سلسلة، فإنه يمكنها إعادة توجيه التدفق الحراري. كما قام الباحثون بإيصال النهايات السفلى والعليا للوحدات بأسطح ساخنة وباردة في 60 و 0 درجة مئوية على التوالي، لتوليد تدفق ناشر للحرارة.
عندما استخدم الباحثون مجموعة متنوعة من التوترات الكهربائية المحددة على كل وحدة من الوحدات ال24، امتُصَّت الحرارة، التي تقع على سطح الجانب الساخن لثقب الهواء، وانتقلت إلى خزان حرارة5 مصنوع من النحاس موصول بالوحدات. أما الوحدات التي على سطح الجانب البارد فحررت نفس كمية الحرارة من الخزان إلى اللوحة الصلبة. هذا يمنع انتشار الحرارة داخل ثقب الهواء، ويقول الباحثون أنها تقنية يمكن استخدامها لحماية المركبات الإلكترونية الحساسة من تسرب الحرارة.
بالإضافة إلى ذلك، وجد الباحثون أن الحجب الحراري النشط لم يقتصر على شكل واحد للجسم الذي يتم إخفاؤه. حيث عند تطبيقه باستخدام ثقب مستطيل الشكل، أعادت الأجهزة الكهروحرارية توزيع الحرارة بنفس الفعالية بالنسبة لحالة الثقب الدائري.
بالنظر للمستقبل، يخطط تشانغ وزملاؤه لتطبيق العباءات الحرارية في الأنظمة الإلكترونية، بتحسين فعالية نقل الحرارة، وتطوير نظام تحكم ذكي للعباءة.
1- المواد الخارقة (Metamaterial): هي مواد مصنعة تمت هندستها لتحصل على خصائص لا توجد في المواد الطبيعية، كما أن شكلها وحجمها بالغ الدقة والمتقن هندسياً وترتيبها يجعلها قادرة على التأثير على الموجات الضوئية والصوتية بطريقة غير اعتيادية، التطبيقات المحتملة للمواد الخارقة متنوعة وتتضمن تطبيقات الفضاء البعيد و حساس الرصد (الكشف) ورصد البنية التحتية والإدارة الذكية للطاقة الشمسية والأمن العام وقبب الرادارات واتصالات ساحات المعارك ذات التردد العالي وتحسين حساسات الموجات الفوق صوتية وحتى تحصين المنشئات ضد الزلازل.
2- التمدد الحراري: هو خاصيّة من خصائص المواد، والتي تميل فيها إلى حدوث زيادة في الحجم نتيجة ازدياد درجة الحرارة.
3- انتقال الحرارة بالتوصيل: يعرف على أنه الانتقال التلقائي للطاقة الحرارية عبر المادة من منطقة ذات درجة حرارة مرتفعة إلى منطقة أخرى ذات درجة حرارة أقل من سابقتها سعيًا وراء الوصول إلى تجانس حراري من خلال انتشار وتصادم مجهري للجسيمات أو أشباه الجسيمات داخل الجسم نتيجة التدرج الحراري، حيث تقوم بنقل الطاقة الكامنة والحركية غير المنظمة مجهريًا، اللتين تعرفان معًا باسم الطاقة الداخلية. ويحدث التوصيل في جميع أشكال المادة ذات الوزن، مثل المواد الصلبة والسائلة والغازات والبلازما.
4– تأثيير بلتيير (التأثير الكهروحراري) : هو تحول التغير في الجهد الكهربائي إلى حرارة والعكس بالعكس.
5- خزان حرارة: هو مصدر حرارة ذو درجة حرارة ثابتة لا تتغير بتحويل الحرارة منه أو نحوه.
الضوء، الصوت، والآن الحرارة – تمامًا كعباءات الإخفاء البصرية التي يمكننها تغيير مسار الضوء لتحجب جسمًا ما عن النظر، ومثل المواد الخارقة1 الصوتية المصنعة التي يمكنها إخفاء جسم ما عن الموجات الصوتية، العباءة الحرارية المطورة مؤخرًا يمكن أن تجعل جسمًا ما مخفيًا حراريًا عن طريق إعادة توجيه الحرارة الواردة إليه بفعالية.
هذا النظام المصمم من قبل علماء في جامعة نانيانغ للتكنولوجيا (NTU) في سنغافورة، لديه القدرة على الضبط الدقيق لتوزع درجة الحرارة وتدفق الحرارة في الأنظمة الإلكترونية ونصف الناقلة. ويمكن استعماله في الأجهزة ذات الحاجة الكبيرة لتضييع حراري فعال وتمدد حراري متجانس2، مثل المحركات عالية الطاقة، أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) وأجهزة الاستشعار الحراري.
ويقول البروفيسور بايلي تشانغ (Baile Zhang) من جامعة NTU : “نظرًا لمرونة شكلها، يمكن أن تستعمل العباءة الحرارية النشطة أيضًا في ملابس الإنسان لتبريد وتدفئة فعالين، وهذا يجعلها ذات أهمية كبيرة في المناطق الاستوائية مثل سنغافورة”.
في الفترة السابقة، كان تشانغ وزملاؤه يقومون بالتجريب باستعمال المواد الخارقة، وهي عبارة عن مركبات اصطناعية تُظهر خصائص غير موجودة في المواد التي تتشكل طبيعيًا، فصمموا عباءة حرارية من هذه المواد بحيث تقوم بتوجيه الحرارة، المنتقلة بالتوصيل3، بشكل سلبي حول الجسم المخفي، لكن ذلك الجهاز كان يفتقر للمفتاح on/off، ولا يمكن استعماله مع الأشياء ذات الأشكال الهندسية المختلفة.
يضيف تشانغ: “بعدها بدأنا بالتفكير فيما إذا كان بإمكاننا التحكم في العباءة الحرارية كهربائيًا، ليس من خلال توجيه الحرارة حول الجسم المخفي، ولكن عن طريق ضخ الحرارة من الجانب الأول للجسم المخفي إلى الجانب الآخر بشكل نشط، باستعمال وحدات كهروحرارية “. وسيقوم تشانغ وزملاؤه بوصف البنية والميكانيكا الحرارية للعباءة هذا الأسبوع في مقال يظهر على غلاف مجلة رسائل الفيزياء التطبيقية (Applied Physics Letters).
- بناء العباءة الحرارية:
لبناء عباءتهم الحرارية الفعّالة، قام الباحثون بنشر 24 وحدة كهروحرارية صغيرة، عبارة عن مضخات حرارة نصف ناقلة يتحكم فيها مدخل جهد خارجي، حول ثقب هواء قطره 62 ملم في لوحة من الكربون الصلب بسمك 5 مم. هاته الوحدات تعمل وفق تأثير بلتيير4 (Peltier Effect)، الذي ينص على أن التيار المارّ من خلال نقطة الاتصال بين ناقلين يمكن أن يمتص أو يولد حرارة. بالتالي عند توصيل العديد من الوحدات في سلسلة، فإنه يمكنها إعادة توجيه التدفق الحراري. كما قام الباحثون بإيصال النهايات السفلى والعليا للوحدات بأسطح ساخنة وباردة في 60 و 0 درجة مئوية على التوالي، لتوليد تدفق ناشر للحرارة.
عندما استخدم الباحثون مجموعة متنوعة من التوترات الكهربائية المحددة على كل وحدة من الوحدات ال24، امتُصَّت الحرارة، التي تقع على سطح الجانب الساخن لثقب الهواء، وانتقلت إلى خزان حرارة5 مصنوع من النحاس موصول بالوحدات. أما الوحدات التي على سطح الجانب البارد فحررت نفس كمية الحرارة من الخزان إلى اللوحة الصلبة. هذا يمنع انتشار الحرارة داخل ثقب الهواء، ويقول الباحثون أنها تقنية يمكن استخدامها لحماية المركبات الإلكترونية الحساسة من تسرب الحرارة.
بالإضافة إلى ذلك، وجد الباحثون أن الحجب الحراري النشط لم يقتصر على شكل واحد للجسم الذي يتم إخفاؤه. حيث عند تطبيقه باستخدام ثقب مستطيل الشكل، أعادت الأجهزة الكهروحرارية توزيع الحرارة بنفس الفعالية بالنسبة لحالة الثقب الدائري.
بالنظر للمستقبل، يخطط تشانغ وزملاؤه لتطبيق العباءات الحرارية في الأنظمة الإلكترونية، بتحسين فعالية نقل الحرارة، وتطوير نظام تحكم ذكي للعباءة.
1- المواد الخارقة (Metamaterial): هي مواد مصنعة تمت هندستها لتحصل على خصائص لا توجد في المواد الطبيعية، كما أن شكلها وحجمها بالغ الدقة والمتقن هندسياً وترتيبها يجعلها قادرة على التأثير على الموجات الضوئية والصوتية بطريقة غير اعتيادية، التطبيقات المحتملة للمواد الخارقة متنوعة وتتضمن تطبيقات الفضاء البعيد و حساس الرصد (الكشف) ورصد البنية التحتية والإدارة الذكية للطاقة الشمسية والأمن العام وقبب الرادارات واتصالات ساحات المعارك ذات التردد العالي وتحسين حساسات الموجات الفوق صوتية وحتى تحصين المنشئات ضد الزلازل.
2- التمدد الحراري: هو خاصيّة من خصائص المواد، والتي تميل فيها إلى حدوث زيادة في الحجم نتيجة ازدياد درجة الحرارة.
3- انتقال الحرارة بالتوصيل: يعرف على أنه الانتقال التلقائي للطاقة الحرارية عبر المادة من منطقة ذات درجة حرارة مرتفعة إلى منطقة أخرى ذات درجة حرارة أقل من سابقتها سعيًا وراء الوصول إلى تجانس حراري من خلال انتشار وتصادم مجهري للجسيمات أو أشباه الجسيمات داخل الجسم نتيجة التدرج الحراري، حيث تقوم بنقل الطاقة الكامنة والحركية غير المنظمة مجهريًا، اللتين تعرفان معًا باسم الطاقة الداخلية. ويحدث التوصيل في جميع أشكال المادة ذات الوزن، مثل المواد الصلبة والسائلة والغازات والبلازما.
4– تأثيير بلتيير (التأثير الكهروحراري) : هو تحول التغير في الجهد الكهربائي إلى حرارة والعكس بالعكس.
5- خزان حرارة: هو مصدر حرارة ذو درجة حرارة ثابتة لا تتغير بتحويل الحرارة منه أو نحوه.