باشگاه خبرنگاران جوان -  موسسه پژوهشی دانشگاه جان‌هاپکینز (Johns Hopkins Applied Physics Laboratory) در لورل، ایالت مریلند، موفق به توسعه فناوری نوین سرمایش جامد مبتنی بر مواد نانو مهندسی‌شده شده است که راندمان آن در مقایسه با مواد ترموالکتریک معمولی به طور چشمگیری افزایش یافته و تقریباً دو برابر شده است. این پیشرفت فناورانه، گزینه‌ای مقیاس‌پذیر و پایدار برای جایگزینی سامانه‌های سرمایش مبتنی بر کمپرسور و مواد شیمیایی مضر محیط زیستی ارائه می‌کند.

این فناوری بر پایه مواد پیشرفته‌ای با نام ساختار‌های ابرلایه‌ای کنترل‌شده و به صورت سلسله‌مراتبی مهندسی‌شده یا به اختصار CHESS توسعه یافته است. طی ده سال پژوهش مستمر، تیم تحقیقاتی این مواد را به شکلی نانو مهندسی کردند که قابلیت بهبود عملکرد در دمای محیط را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

پروفسور راما ونکاتاسوبرامانیان، محقق ارشد این پروژه و مدیر فناوری ترموالکتریک در این آزمایشگاه، اظهار داشت: «نمایش کاربرد واقعی سرمایش با استفاده از این مواد نانو مهندسی‌شده، جهشی بزرگ در فناوری سرمایش محسوب می‌شود و راه را برای استفاده عملی از این مواد در مقیاس وسیع باز می‌کند.»

سیستم‌های سرمایشی سنتی با کمپرسور‌های مکانیکی بزرگ و پر مصرف، علاوه بر اشغال فضای زیاد، وابستگی به مواد شیمیایی خنک‌کننده دارند که آثار زیان‌باری روی محیط‌زیست می‌گذارند. در مقابل، سرمایش ترمو الکتریک بر اساس انتقال حرارت با استفاده از جریان الکترون‌ها در مواد نیمه‌هادی انجام می‌شود و به همین دلیل فاقد هر گونه قطعه مکانیکی متحرک یا مواد شیمیایی مضر است. این ویژگی‌ها موجب کاهش صدا، ابعاد کوچک‌تر، قابلیت اطمینان بالاتر و دوست‌دار محیط‌زیست بودن این فناوری می‌شود.

با این حال، مواد ترموالکتریک سنتی محدودیت‌های قابل توجهی از نظر راندمان، ظرفیت پمپاژ حرارتی و امکان تولید انبوه داشتند. فناوری CHESS با افزایش نزدیک به ۱۰۰ درصدی راندمان ماده در دمای اتاق (حدود ۲۵ درجه سانتی‌گراد) موفق شده این موانع را به طور چشمگیری کاهش دهد. در سطوح دستگاهی و سیستم‌های یکپارچه، به ترتیب بهبود راندمان ۷۵ و ۷۰ درصد نسبت به بهترین نمونه‌های قبلی به دست آمده است.

یکی از نکات برجسته این فناوری، میزان بسیار کم مصرف مواد است. هر واحد سرمایشی تنها به ۰.۰۰۳ سانتی‌متر مکعب ماده نیاز دارد، یعنی تقریباً به اندازه یک دانه شن. این کاهش مصرف ماده، امکان تولید انبوه و مقرون به صرفه را با استفاده از تجهیزات ساخت تراشه‌های نیمه‌هادی فراهم می‌کند و به‌راحتی قابلیت عرضه گسترده در بازار را دارد.

مواد CHESS با استفاده از فرآیندی به نام رسوب‌دهی شیمیایی بخار فلزی-آلی (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition – MOCVD) ساخته می‌شوند؛ روشی که از پیش در ساخت سلول‌های خورشیدی با راندمان بالا و چراغ‌های LED تجاری به کار می‌رود. این روش تولید، علاوه بر مقرون‌به‌صرفه بودن، توانایی پاسخگویی به نیاز‌های تولید در حجم بالا را داراست.

از سرمایش کوچک تا سامانه‌های بزرگ HVAC (گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع) در ساختمان‌ها، فناوری CHESS قابلیت رشد و توسعه سریع دارد. ونکاتاسوبرامانیان این فناوری را قابل مقایسه با پیشرفت باتری‌های لیتیوم-یونی دانست که توانسته‌اند کاربرد‌هایی از گوشی‌های هوشمند کوچک تا خودرو‌های الکتریکی بزرگ را پشتیبانی کنند.

این مواد علاوه بر سرمایش، توانایی تبدیل اختلاف دما، مانند گرمای بدن انسان، به انرژی الکتریکی را نیز دارند. این ویژگی می‌تواند زمینه‌ساز توسعه فناوری‌های برداشت انرژی مقیاس‌پذیر در حوزه‌های مختلفی از کامپیوتر‌ها گرفته تا فضاپیما‌ها باشد.

تیم پژوهشی دانشگاه جان‌هاپکینز در همکاری نزدیک با مهندسین شرکت سامسونگ الکترونیکس، پس از ارزیابی‌های دقیق در شرایط عملی، اثربخشی این مواد را به صورت مدل‌سازی‌های حرارتی نیز تأیید کردند.

به گفته سوزان ارلیچ، مدیر تجاری‌سازی فناوری در آزمایشگاه، موفقیت این همکاری نشان می‌دهد سرمایش جامد کارآمد نه تنها از منظر علمی امکان‌پذیر است بلکه می‌تواند در مقیاس انبوه تولید و به بازار عرضه شود.

برنامه‌های آینده شامل توسعه سیستم‌های سرمایشی بزرگ‌تر مانند فریزر‌ها و به‌کارگیری هوش مصنوعی برای بهینه‌سازی مصرف انرژی در تجهیزات سرمایشی و تهویه مطبوع است.

در نهایت، فناوری ترموالکتریک نانو مهندسی‌شده CHESS نویدبخش آینده‌ای پایدار، کم‌مصرف و پیشرفته در عرصه سرمایش و مدیریت انرژی است که می‌تواند تأثیرات گسترده‌ای در زندگی روزمره، صنعت و محیط‌زیست داشته باشد.

منبع: ستاد ویژه توسعه فناوری نانو