تحسّن كفاءة استخدام الطاقة مع تقليل انبعاثات الكربون

أظهرت دراسة جديدة بين جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست)، ومدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية (كاكست)، أن المواد النانوية يمكن أن تقلل إلى حد بعيد من انبعاثات الكربون الناتجة عن مصابيح إنارة الشوارع التي تعمل بتقنية الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED).

ويقدّر الفريق البحثي أنه من خلال تبني هذه التقنية، يمكن للولايات المتحدة وحدها تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بأكثر من مليون طن متري.

وتُنتج مصابيح الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) حرارة قد تؤدي إلى تعرض مكوناتها الإلكترونية للتلف، ويقلل من عمرها الافتراضي.

وفي الواقع، يتم فقدان حوالي 75% من الطاقة المدخلة في مصابيح LED على هيئة حرارة. وفي هذا السياق، تعمل المادة النانوية، التي تسمى النانو بولي إيثيلين (nanoPE)، على تعزيز انبعاث الإشعاع الحراري من سطح مصابيح الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) لتقليل درجة حرارتها.

وقال البروفيسور تشياو تشيانغ غان، من جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست)، وهو قائد هذه الدراسة، إن مصابيح LED هي مصادر الإضاءة المفضلة؛ بسبب كفاءتها الفائقة وعمرها الافتراضي. ولكن يمكن تحسينها أكثر من خلال عمل بعض التعديلات البسيطة، والتي قد تحدث فرقًا كبيرًا في الاستدامة.

وأضاف أن 'الإضاءة تمثل حوالي 20% من الاستهلاك السنوي للكهرباء في العالم، وتساهم فيما يقرب من 6% من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمية'.

من جانبه، قال الدكتور حسام قاسم، المدير العام لمعهد تقنيات الطاقة المستقبلية في كاكست والمساهم في الدراسة: 'يُحسن تصميمنا بشكل كبير من تبريد مصابيح LED مع الحفاظ على كفاءة الإضاءة العالية، مما يجعله حلاً واعدًا لإنارة مستدامة في المملكة العربية السعودية'.

وأوضح أنه عادةً ما توجه مصابيح إنارة الشوارع التقليدية ضوءها نحو الهدف المراد إضاءته، ولذلك تكون موجهة نحو الأرض، كما أنها مصممة بحيث يبقى الإشعاع الحراري محصورًا داخل المصباح. على العكس، فإن أعمدة الإنارة المطلية بتقنية النانو بولي إيثيلين مقلوبة فعليًا بحيث تُوَجَّه نحو السماء وبعيدًا عن الجسم المراد إضاءته. يكمن سبب هذا التغيير في أن تقنية النانو بولي إيثيلين صُممت بحيث تسمح بمرور الأشعة تحت الحمراء، التي تمثل الجزء الأكبر من الإشعاع الحراري، بينما تعكس الضوء المرئي.

وأظهرت الدراسة أن أكثر من 80% من الأشعة تحت الحمراء الصادرة عن مصابيح LED المطلية بـالنانو بولي إيثيلين تمر عبر المادة، وتتجه نحو السماء، بينما يعكس أكثر من 95% من الضوء المرئي عنها ليعود إلى الأرض، مما يضيء المساحة أسفل المصابيح.

وتُصنع تقنية 'nanoPE' من مادة البولي إيثيلين، وهو البلاستيك الأكثر إنتاجًا على الصعيد العالمي. ولإنشاء بلاستيك نانوي يعكس الضوء ذو الطول الموجي المنخفض (الضوء المرئي) ولكنه يسمح بمرور الضوء ذي الطول الموجي العالي (الأشعة تحت الحمراء)، صَنع العلماء مسام صغيرة تصل إلى 30 نانومترًا - أي أصغر بحوالي 1000 مرة من سمك شعرة الإنسان - في البلاستيك بالإضافة إلى تمديده وتحويله إلى طبقة رقيقة.

وتم نشر هذه الدراسة في المجلة العلمية Light: Science & Applications. وساهم فيها أيضًا الأستاذان عثمان بكر وبون أوي، وباحث ما بعد الدكتوراه في كاوست سايشاو دانغ، وطالب الماجستير حسن المحفوظ، والأستاذ المساعد في مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية البروفيسور عبدالرحمن العجلان.