مقاله فن آوری های نوین در معماری

بخشی از مقاله

چکیده

ا ستفاده از نانو فناوری در معماری و صنعت ساختمان ، ب سیار گ سترده بوده و گ ستره و سیعی از م صالح، تجهیزات و سیستمها را دربرمیگیرد. سیستمهای تاسیسات الکتریکی و مکانیکی نیز در این راستا مستنثنی نبوده و در حال پیشرفت و بهبود و ضعیت ه ستند. در این را ستا میتوان به ا ستفاده از نانو سیلالات با ظرفیت حرارتی بالا در مبدلهای حرارتی ا شاره نمود، که منجر به حداکثر بازدهی گردیده ا ست . هم چنین نانو مواد میتوانند به وا سطه افزایش ر سانایی حرارتی جداره لولهها و تغییر ویژگیهای مایع درون لوله، برکیفیت و بازدهی عملکردی لوله های دافع حرارت تاثیر گزارند.

در تنظیم دمای درون ساختمان نیز منابع انرژی گرمایی نهانی که بیشتر با نام مواد تغییر فازدهنده شناخته میشوند به شکلی موثر ایفای نقش میکنند و این قابلیت را دارند که بدون صرف انرژی هم در فرآیند سرمایش و هم در فرایند گرمایش ساختمان مورد استفاده قرار گیرند در زمینه تاسیسات الکتریکی ، میتوان به تاثیر نانو فناوری بر هر سه ساز و کار جذب، انتقال و تابش نور اشاره نمود. بسیاری از نانو ذرات، هنگامی که تحت تاثیر منبع انرژی قرار میگیرند از خود نور ساطع میکنند، لذا نانو فناوری تولید و کنترل نور در سطوح اولیه را ممکن می سازد. علاوه بر آن نانو ف سفرها و نقاط کوانتومی نیز فناوری ال. ای. دی ها را بهبود بخشیده و وجبات بازدهی و کارایی بیشتر آنها را فراهم نمودهاند.

عایق کاری مناسب ساختمانها یکی از اولین راه کارهایی است که میتواند به کاهش مصرف انرژی کمک کند اما وجود فضای کم برای عایق کاری و زمین بهای بالا یکی از مشکلاتی است که بر سر راه وجود دارد. هوای سالم از مهمترین منابعی است که انسان برای انجام فعالیتهای زیستی خود همواره به آن احتیاج دارد و مواد نانوئی به کار رفته در پردهها که همزمان میتواند ویژگیهای تصویه کننده و ضد باکتری داشته باشند.

-1 مقدمه

فناوری نانو در کنار دو تحول عظیم دیگر یعنی ژنتیک و ف ناوری اطلاعات، موج چهارم انقلاب صنعتی را رقم خواهند زد. فناوری نانو پدیدهای ا ست عظیم که در تمامی گرای شات علمی راه پیدا کرده، تا جایی که تا یک دهه آینده برترین فرآیندها به این تحول وابسته است. هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا میبا شد.

نقش و عملکرد معماران در این شرایط، از بخش طراحی فراتر رفته و به شنا سایی و چگونگی عملکرد سی س ستمها تحت اختیار کاربران آنها سوق داده خواهد شد زمانی که جوامع بشری به نقطهای برسند که مح یط پیرامون آنهاکاملاً تحت فرمان انسان قرار گرفته، در این صورت فعالیت یکمعمار شکل کاملاً متفاوت از آن چه امروزه شاهد آن میباشیم به خود خواهد گرفت.

معماران به اقتضای حرفه خود، مشاوران بسیار خوبی میباشند و در کار گروهی عملکردی عالی دارند؛ و به همان صورتی که از گذشته تا کنون با صنعت گران و تولید کنندگان همکاری و مشارکت داشتهاند، این همکاری در آینده نیز به همین صورت تداوم خواهد یافت. با این تفاوت که ا ساس این تولیدات در آینده تولیدات مولکولی خواهد بود. پتانسیل فناوری نانو در حل ب سیاری از م شکلات زی ست محیطی و بهبود کیفی شرایط، حرکت علمی عظیمی را در جوامع ان سانی ایجاد کرده است.

بسیاری از مشکلات زیست محیطی امروز، نیازمند بهبود و اصلاح با استفاده از توانایی های بالقوه فناوری نانو هستند. در این میان، تصف یه و سالم سازی آب و هوا از اهمیت بیشتری برخوردارند. پیشرفت در این زمینه، میتواند سبب تخفیف بس یاری از بیماری ها و مشکلات سلامتی شود، امری که امروز، گستره وسیعی از مردم جهان را تهدید میکند. هوای سالم از مهم ترین منابعی است که انسان برای انجام فعالیت های زیستی خود همواره به آن احتیاج دارد.

-2 نقش نانوفناوری در تحقق پایداری زیستمحیطی در صنعت ساختمان

نخستین تأثیری که فناوری نانو بر صنعت ساختو ساز گذاشته، افزایش جالب توجه نسبت سطح به حجم مواد و مصالح است. همانگونه که در مقدمهی فصل چهارم اشاره شد، با افزایش نسبت سطح به حجم، بر واکنشپذیری مواد، به شدت افزوده میشود. این افزایش واکنشپذیری، منجر به بازدهی عالی در مصرف انرژی خواهد شد. برای مثال در فرایندهایی که لازمهی انجام آنها، جذب پرتوهای خورشید است، افزایش نسبت سطح به حجم سبب میشود تا نرخ جذب نور بالا رفته و بنابراین، بتوان فرآیند را با میزان کمتری پرتوی نورانی و بهطور قطع، در دمای کمتر و با مصرف انرژی کمتر انجام داد.

نکتهی دوم، در این نهفته است که اغلب، مصالح نانوبنیان، چند عملکردی هستند و حجم کمی از مواد نانوبنیان رامیتوان جایگزین چند ماده حجیم سنتی کرد، به قسمی که مصالح محصول نانو، بتواند همهی کاربریهای مواد سنتی را انجام دهد. این واقعیت، به معنای مصرف کمتر مواد و به تبع، استفادهی کمتر از منابع طبیعی است. برای مثال، میتوان نانوکامپوزیتها را محکمتر، مقاومتر، سبکتر و نازکتر از نمونههای مشابه سنتی و از همه مهمتر، رسانا و ضد آتش ساخت.

نانوپوششهای خودتمیزشونده یا آلایندهزدا هم، مثال دیگری از کمکهای فناوری نانو به حرکت به سوی پایداری زیستمحیطی هستند. با استفاده از انرژی الکتریکی تبدیل میکنند و مانند باتریهای معمولی نیازی به شارژ ندارند، طی سی سال گذشته، استفادهی روزافزونی را در جوامع پیشرفته تجربه کردهاند . انرژی الکتریکی که به این طریق تولید میشود، کمهزینه، پاک و همیشه در دسترس خواهد بود.

علاوه بر اینها، به دلیل عدم نیاز به سوزاندن سوختهای فسیلی، با بهرهگیری گستردهتر از تولیدکننده های انرژی خورشیدی، از انتشار گازهای دیاکسید کربن - CO2 - ، دیاکسید گوگرد - SO2 - و دیاکسید نیتروژن - NO2 - به شدت کاسته خواهد شد و شاهد کاهش اثر مخرب گلخانهای بر محیطزیست خواهیم بود. بهطور معمول، تبدیل انرژی نورانی خورشید به انرژی الکتریکی، با استفاده از مواد دمابرقی - ترموالکتریک - و فتوولتایی انجام میشود. مواد ترموالکتریک، حرارت ناشی از تابش نور خورشید را به جریان الکتریسیته تبدیل میکنند، حال آنکه، مواد فتوولتایی، تشعشعات نورانی ناشی از تابش خورشید را به جریان الکتریکی تبدیل مینمایند.

در مورد مواد ترموالکتریک، فرایند تولید برق به این ترتیب است که نخست، طیف فروسرخ نور خورشید - با طول موجبی بین 800 تا 3000 نانومتر - جمعآوری و تبدیل به گرما میشود. پس از آن، مادهی ترموالکتریک، این انرژی گرمایی را به الکتریسیته تبدیل میکند. یکی از مهمترین مولفهها در ساز و کار تولید انرژی الکتریکی از مواد ترموالکتریک، بازدهی تبدیل انرژی است که یک مقدار کمی بوده و با عبارت عدد مزیت - ZT - توصیف میشود. اغلب مواد ترموالکتریک، نسبت ZT حدود 1 را نشان میدهند.

این مواد، بازدهی حدود 7 تا 8 درصد در تبدیل انرژی دارند. برای بازدهی حدود 15 درصد، نیازمند مصالح جدیدتری هستیم که نسبت ZT بین 2 تا 3 داشته باشند. در این رابطه، مواد نانوبنیان، بهترین گزینه برای ارتقای این نسبت هستند. نانومواد تکبُعدی مانند نانولولههای کربنی و نانولولههای متشکل از دیسولفید مولیبدن - MoS2 - ، سولفید تنگستن - WS2 - و سولفید تیتانیوم - TiS2 - ، به همراه نانورشتههای تلورید بیسموت - Bi2Te3 - ، موادی هستند که میتوانند سببساز ارتقای کیفی سازوکار مواد ترموالکتریک شوند.

دلیل اصلی که ورای این رفتار مواد نوبنیان وجود دارد، در حقیقت به ابعاد کوانتومی نانومواد ارتباط دارد. به بیان دیگر، محدودیت ابعادی الکترونها، منجر به افزایش تراکم آنها و افزایش ضریب ZT میشود. علاوه بر نانومواد تکبعدی، نانوکامپوزیتهای پر شده با نانولولههای تلورید بیسموت - Bi2Te3 - نیز میتوانند مقدار ZT جاری را افزایش دهند. با توجه به شرایط حاکم بر تولید انرژی خورشیدی، همهی نانومواد به کار گرفته شده در این فرایند، باید دمایی حدود 700 درجه سانتیگراد را تحمل کنند.

در حال حاضر، سلولهای فتوولتایی اغلب - حدود 94درصد - از کریستالهای سیلیکون ساخته میشوند. این سلولها، بازدهی حدود 30 درصد و هزینهای برابر 1 تا 2 دلار به ازای هر وات تولید انرژی از خود نشان میدهند. نسل جدیدتر سلولهای فتوولتایی، که از هزینه ساخت کمتر و بازدهی بیشتری برخوردارند، به سه دسته تقسیمبندی میشوند. این سه دسته، شامل فیلمهای نازک، متمرکزکنندههای خورشیدی و فتوولتاییهای آلی میشوند که هر سه، از سیلیکون آمورف ساخته میشوند. این نسل جدید که هنوز نتوانسته اند بازار را به تصر فخود درآورده و مراحل آزمایشگاهی را میگذارند، بین 5 تا 6 درصد تولید سلولهای فتوولتایی را به خود اختصاص دادهاند. این ادوات جدید، از لایههای چندگانه ساخته میشوند که اغلب مقیاسی در حدود نانو دارند

به تازگی، سلولهای خروشیدی را از پلیکریستالهای Cu - InGa - Se2 موسوم به GIGS و تلورید کادمیوم - CdTe - نیز میسازند، که هزینهی تولید برقی حدود 1/25 دلار به ازای هر وات را نشان دادهاند. به علت ویژگیهای جالب این سلولها، اغلب شرکتهای بزرگ تولیدکنندهی سلولهای خورشیدی در سرتاسر جهان، تمرکز خود را بر سلولهای خورشیدی پربازده، کارآ و کمهزینه ساخته شده از GIGS و CdTe قرار دادهاند. متمرکزکنندههای خورشیدی، سلولهای چندپیوندگاهی هستند که با استفاده از آرسنید گالیوم - GaAs - و مواد مشابه ساخته میشوند. این ساختارهای چند لایه، میتوانند به بازدهی تئوری حدود 60 درصد دست یابند، اگرچه در عمل، بهترین بازدهی که تا به حال برای این متمرکزکنندهها به ثبت رسیده، برابر 40 درصد است. درحال حاضر، استفاده از این متمرکزکنندهها به حدی پرهزینه و گرانقیمت است که استفاده از آن ها را در سطوح وسیع، غیرممکن ساخته است.

از این ادوات، بیشتر در آینه ها و لنزهایی استفاده میشود که میتوانند نور خورشید تا بیش از 1000 برابر بیشتر متمرکز کنند. جلوهی سوم پیشرفتی که در زمینهی سلولهای خورشیدی شاهد هستیم، سلولهای فتوولتایی آلی هستند. اساس تبدیل نور به انرژی در این سلولها را القای الکتریکی تشکیل میدهد. نخست، یک فوتون بر سلول فرود میآید و سبب شکلگیری الکترون – حفره - القای الکتریکی - میشود. در مرحلهی بعد، انتقالدهندههای بار الکتریکی، ایجاد شده و بار را انتقال میدهند تا به فصل مشترک دو سطح برخورد کرده و از هم جدا شده و به مدار الکتریکی خروجی از سلول وارد شوند.

این ساز و کار، در انواع نانوساختارهای اکسیدی حساس به رنگ، کامپوزیتهای آلی-آلی و کامپوزیتهای آلی-غیرآلی قابل انجام است. در این بخش، هر یک از سه زیرگروه، بهطور مختصر شرح داده میشود. در سلولهای خورشیدی حساس به رنگ، از یک مادهی آلی رنگی برای جذب نور و انتقال الکترونها به اکسید نانومقیاس استفاده میشود.