رنگ‌های جدید نویدبخش دفع گرما

اتوبوس‌های لندن راز جالبی دارند؛ اگر از بالا به آنها نگاه کنید، اغلب سفید هستند، نه قرمز. این اقدام که در سال ۲۰۰۴ برای کاهش گرما و با هدف افزایش آسایش مسافران، به‌ویژه کسانی که در طبقه بالا می‌نشستند آغاز شده بود، تا سال ۲۰۲۰ به‌طور کامل اجرا شد. بااین‌حال، اتوبوس‌ها همچنان در مقابله با افزایش دما با مشکل مواجه‌اند و سال ۲۰۲۵ شاهد ثبت رکورد بیشترین تعداد شکایات مسافران در زمینه گرما بود. بخشی از پاسخ ممکن است در سفیدتر کردن هرچه بیشتر آنها نهفته باشد. گروهی در یونیورسیتی کالج لندن (UCL) به سرپرستی یوانیس پاپاکونستانتینو، سقف دو اتوبوس را با ماده‌ای رنگ‌آمیزی کرده‌اند که ۹۳ درصد از نور خورشید را بازتاب می‌دهد. این در حالی است که رنگ‌های سفید تجاری، ۸۴ درصد از نور را باز می‌تابانند. شاید این تفاوت ناچیز به‌نظر برسد، اما همین اختلاف باعث می‌شود پوشش جدید از آستانه‌ای حیاتی عبور کند: نقطه‌ای که در آن، میزان گرمای دفع‌شده به وسیله پوشش، از گرمای جذب‌شده از خورشید بیشتر است. اجسام روی زمین به ازای هر مترمربع از سطح خود حدود ۱۰۰ وات انرژی از دست می‌دهند، درحالی‌که خورشید با نرخی 10 برابر این مقدار، زمین را گرم می‌کند. اگر این رنگ بتواند 9/ 0 تابش خورشیدیِ دریافتی را بازتاب دهد، اثر گرمایشی و سرمایشی آن خنثی می‌شود (به تعادل می‌رسد). اگر بازتاب آن بیش از این مقدار باشد اصولاً می‌تواند دمای سطح زیرین خود را به کمتر از دمای هوای محیط کاهش دهد. از آنجا که این رنگ کسر تقریباً ثابتی از نور خورشید را بازتاب می‌دهد، بیشترین کارایی آن زمانی حاصل می‌شود که شدت تابش خورشید در بالاترین حد خود باشد. در عمل، بعید است که دمای داخل چنین اتوبوسی برای مسافران خنک‌تر از فضای بیرون باشد، زیرا سایر سطوح وسیله نقلیه همچنان به جذب گرما ادامه می‌دهند. بااین‌حال، میزان بهبود باید قابل ‌اندازه‌گیری باشد. در آزمایشی که در مادرید انجام شد و نتایج آن هنوز تحت داوری همتایان قرار نگرفته است، دکتر پاپاکونستانتینو و همکارانش دریافتند که پوشش ابداعی آنها در مقایسه با رنگ سفید معمولی، سطوح را تا هشت درجه سانتی‌گراد خنک‌تر نگه می‌دارد. علاقه به پوشش‌های تابشی -که این مواد با این نام شناخته می‌شوند- از سال ۲۰۱۴ به‌طور پیوسته رو به افزایش بوده است. در آن زمان تیمی در دانشگاه استنفورد به سرپرستی آسوات رامان برای نخستین‌بار نشان دادند که یک ماده می‌تواند حتی در معرض تابش مستقیم خورشید و بدون صرف انرژی، دمای خود را به سطحی پایین‌تر از دمای محیط اطرافش برساند. نشریه اکونومیست در آن هنگام نوشت: «این ممکن است سرآغاز تحولی واقعاً جذاب باشد.» برخی از مواد به‌کاررفته از سوی پژوهشگران استنفورد -یعنی نقره و هافنیوم دی‌اکسید- برای تولید انبوه بیش از حد گران بودند و روش لایه‌نشانی آنها با استفاده از تکنیک «تبخیر با پرتو الکترونی» نیز در محیط‌های صنعتی به‌سختی قابل ‌اجرا بود. افزون بر این، سطوح حاصل نور را درست مانند آینه به‌طور مستقیم بازتاب می‌دادند؛ ازاین‌رو، ایده پوشاندن سقف‌ها با این ماده چندان جذاب نبود. بااین‌حال، پس از گذشت 12 سال، پوشش‌های تابشی در حال ورود به بازار هستند و این اتفاق درست به‌موقع رخ می‌دهد. تغییرات اقلیمی، نیاز به خنک‌سازی فضاها را به ‌شکل فزاینده‌ای افزایش داده است، به‌طوری‌که سهم این بخش از مصرف برق جهانی در سال ۲۰۲۵ به ۱۰ درصد رسید، درحالی‌که این رقم در سال ۱۹۹۰ برابر با شش درصد بود. دستگاه‌های تهویه مطبوع اغلب از گازهایی استفاده می‌کنند که پتانسیل گرمایش جهانی آنها دو هزار برابرِ دی‌اکسید کربن است. همچنین، از آنجا که عملکرد این دستگاه‌ها مبتنی‌بر پمپاژ گرما به بیرون از ساختمان‌هاست، به شکل‌گیری «جزایر گرمایی» شهری دامن می‌زنند. بنابراین، هدف فوری روشن است. پشت‌بام‌ها که حدود ۹۰ درصد از نور خورشید دریافتی را جذب می‌کنند، بیش از یک‌پنجم مساحت سطح برخی از شهرهای آمریکا را تشکیل می‌دهند. ازاین‌رو، رنگ‌آمیزی آنها با پوشش‌های جدید می‌تواند تاثیری چشمگیر بر مصرف برق داشته باشد. بااین‌حال، در درازمدت، بیشترین نیاز به ساکنان کشورهای فقیرتر که اغلب در مناطق گرمسیری واقع شده‌اند مربوط می‌شود. یعنی کسانی که به نیروی برق لازم برای راه‌اندازی دستگاه‌های تهویه مطبوع دسترسی نداشته یا توان مالی تامین آن را ندارند. میانگین سالانه مرگ‌ومیرهای ناشی از گرما در دهه منتهی به سال ۲۰۲۱، در مقایسه با دهه منتهی به سال ۱۹۹۹، ۶۳ درصد افزایش یافته است و این نرخ در مناطقی که کمترین توان مالی را برای استفاده از تهویه مطبوع دارند، در بالاترین حد خود قرار دارد. راز سرمایش تابشی در موادی نهفته است که با نور مرئی و مادون قرمز به شیوه‌ای متفاوت رفتار می‌کنند. یک ماده در هر طول موج مشخص، یا متصاعدکننده‌ای خوب است، یا بازتاب‌دهنده‌ای خوب، اما نمی‌تواند هر دو ویژگی را همزمان داشته باشد. بااین‌حال، برای آنکه دمای یک جسم به کمتر از دمای محیط اطرافش برسد، آن جسم باید انرژی خورشید را بازتاب دهد و همزمان گرمای انباشته‌شده در خود را متصاعد کند. خوشبختانه برای دانشمندان حوزه مواد، طول‌موج‌هایی که اجسام در آنها تابش می‌کنند به دمایشان بستگی دارد. خورشید در دمای ۵۵۰۰ درجه سانتی‌گراد، عمدتاً در همان طول‌موج‌های کوتاهی تابش می‌کند که چشم انسان برای حساس بودن نسبت به آنها تکامل یافته است. در مقابل، دمای اجسام زمینی همچون اتوبوس‌های لندن در محدوده پایینِ ده‌ها درجه سانتی‌گراد قرار دارد و ازاین‌رو، آنها پرتوهای فروسرخ با طول‌موج بلندتر گسیل می‌کنند. گروه پژوهشی UCL با ترکیب ذرات آئروژل -که نوعی اسفنج ساخته‌شده از سیلیس است- با پلیمری که با دقت انتخاب شده، از این تفاوت بهره می‌برد. تفاوت میان ضریب شکست آئروژل و پلیمر و همچنین این واقعیت که ابعاد ذرات آئروژل با اندازه طول موج نور مشابه است، باعث می‌شوند پرتوهای نور ورودی پس از برخورد با ذرات آئروژل به اطراف پراکنده شوند (مانند حرکت توپ در بازی پین‌بال) و به این ترتیب، بازتابندگی بالای رنگ تامین شود. در همین حال، پیوندهای شیمیایی سیلیکون-اکسیژن در آئروژل و پیوندهای کربن-اکسیژن در پلیمر هر دو در طول موجی در حدود ۹ میکرون تابش می‌کنند؛ طول موجی که جو زمین نسبت به آن شفاف است. این ویژگی به رنگ اجازه می‌دهد تا گرما را مستقیم به فضای بیرونی دفع کند. نتیجه، سطحی سفید و با بازتابش غیرمتمرکز (پخش‌کننده نور) است که ظاهری شبیه به رنگ سفید معمولی دارد، اما تقریباً به اندازه پوشش آینه‌مانند ساخته‌شده توسط گروه استنفورد، انرژی را بازتاب می‌دهد؛ ضمن اینکه هزینه آن بسیار کمتر است. به گفته دکتر پاپاکونستانتینو، تمام مواد تشکیل‌دهنده این رنگ در بازار موجود هستند، بنابراین تولید انبوه آن تقریباً هم‌قیمت رنگ‌های رده‌بالای موجود در بازار تمام خواهد شد. فناوری گروه او هنوز برای تولید انبوه آماده نیست، اما سایر پوشش‌های تابشی هم‌اکنون در بازار موجودند. برخی شرکت‌ها، مانند تولیدکننده هلندی رنگ «آکزونوبل» 

(AkzoNobel)، مسیر استفاده از آئروژل را در پیش گرفته‌اند. شرکت‌های دیگر، همچون «آی‌توکول» (i2Cool) در هنگ‌کنگ، برای بازتاب نور از ذراتی با جنس‌ها و اندازه‌های گوناگون بهره می‌برند. ترکیب این ذرات باعث می‌شود طول‌موج‌های بیشتری از نور خورشید نسبت به ذرات اکسید تیتانیوم به‌کاررفته در رنگ‌های سفید معمولی، بازتاب داده شود. شرکت «آی‌توکول» اعلام کرده است که سطحی معادل ۸۵۰ هزار مترمربع از ساختمان‌ها -یعنی مساحتی برابر با ۱۱۹ زمین فوتبال- را با پوشش‌های خود عایق‌بندی کرده و به این ترتیب از انتشار ۱۴ هزار تن دی‌اکسید کربن ناشی از سیستم‌های تهویه مطبوع جلوگیری کرده است. رویکرد دیگر، بهره‌گیری از نیروی تبخیر در این فرآیند است. نوعی مخلوطِ بر پایه سیمان که سال گذشته از سوی «فی جی‌پنگ» از دانشگاه صنعتی نانیانگ سنگاپور و همکارانش در نشریه ساینس (Science) معرفی شد، دارای ساختاری متخلخل است که قابلیت جذب آب را دارد. دکتر فی و تیمش با تنظیم فرمولاسیون و نسبت آب به سیمان، موفق به تولید پوششی با منافذی به قطر تقریبی یک میکرون شدند؛ منافذی که امکان جذب آب باران را از طریق خاصیت مویینگی فراهم می‌کنند. با تبخیر این آب، گرما نیز دفع و سازه زیر پوشش خنک می‌شود؛ فرآیندی که مشابه دفع گرمای بدن انسان از طریق تعریق است. با بارش مجدد باران، ذخیره آب این پوشش دوباره تامین می‌شود. افزودن نمک به سیمان با جذب بخار آب، این فرآیند را تقویت می‌کند و به این ترتیب به پوشش اجازه می‌دهد تا حتی در نبود باران، رطوبت را مستقیم از هوای مرطوب جذب کند. همچنین، درست مانند آئروژلِ گروه تحقیقاتی UCL، منافذ موجود در سیمان به‌جای جذب نور، آن را پراکنده می‌کنند. در یک آزمایش، دمای ماده ابداعی دکتر «فی» ۵ درجه سانتی‌گراد پایین‌تر از پوشش‌های تابشی (خنک‌کننده تابشی) استاندارد باقی ماند و استفاده از آن در ساختمانی مجهز به تهویه‌ مطبوع، تا ۴۰ درصد صرفه‌جویی بیشتر در مصرف انرژی به همراه داشت. افزون بر این، از آنجا که سیمان ماده‌ای ارزان‌قیمت است، هزینه آن تنها یک‌سی‌ام هزینه رنگ‌های خنک‌کننده تابشی است؛ و این، به اصطلاح، جالب‌ترین ویژگی آن محسوب می‌شود.