النوافذ الذكية وسر الجسيمات الدقيقة

النوافذ الذكية هي تلك التي تتحكم بكمية الضوء المطلوب حسب الحاجة ويمكن أن تعتمد فكرتها على العديد من الطرق والوسائل التكنولوجية التي تعتمد على مواد تتغير خواصها الضوئية من ناحية الامتصاص أو الانعكاس مع تغير فرق الجهد المطبق ولازالت الأبحاث مستمرة لتطوير نوافذ ذكية بكفاءة عالي.
تكنولوجيا النوافذ الذكية


تعتمد فكرة عمل النوافذ الذكية في التحكم في مرور الضوء من خلالها على أحد الظواهر الفيزيائية الكثيرة التي تستجيب للضوء ولكل ظاهرة ميزاتها وعيوبها ومن هذه الظواهر:

1- البصريات الحرارية
Thermotropics
2- تغيير لون الضوء
photochromatics
3- البلورات السائلة
Liquid Crystals
4- شاشة الجسيمات المعلقة
Suspended Partical Displays
5- تغير اللون بالكهرباء
Electrochromics

ومن بين الوسائل التكنولوجية التي تعتمد عليها النوافذ الذكية هي البلورات السائلة وشاشة الجسيمات المعلقة وتغير اللون بالكهرباء.

شاشة الجسيمات المعلقة Suspended Particle Display

لا شك أن النوافذ تلعب دوراً هاماً في المنازل والمنشآت التجارية. فهي تسمح لضوء الشمس بالدخول لتقليل الاعتماد على الإضاءة باستخدام المصابيح الكهربائية كما وتلعب النوافذ دوراً هاماً في عملية التدفئة. يسعى العلماء للوصول إلى فكرة لنوافذ ذكية يستطيع المستخدم من جعل النافذة شفافة تماماً أو معتمة بالكامل أو أي درجة بينهما من خلال أزرار تحكم.
فكرة عمل النوافذ الذكية


تعتمد فكرة النوافذ الذكية على استخدام جسيمات دقيقة تستطيع امتصاص الضوء وتدعى هذه الطريقة بالجسيمات المعلقة suspended particle devices (SPD) أو صمامات الضوء التي تتكون من:

* لوحان من الزجاج أو البلاستيك.
* مواد موصلة للكهرباء تغطي اللوج الزجاجي أو البلاستيكي المستخدم.
* لجسيمات المعلقة وهي ملايين الجسيمات الموضوعة بين اللوحين.
* سائل بين اللوحين لسماح للجسيمات المعلقة بالحركة.
* أداة التحكم.

فكرة عمل الجسيمات المعلقة بسيطة، تخيل أن هذه الجسيمات هي بمثابة صمامات للضوء يمكن أن تسمح له بالمرور أو تحجبه، يصل عدد الجسيمات المعلقة عدة ملايين موجودة بين لوحين من الزجاج المغطى من الداخل بمادة شفافة موصلة للكهرباء. عند تطبيق فرق جهد معين على اللوحين الزجاجيين فإن هذه الجسيمات المعلقة تتحرك وتصطف بانتظام لتسمح للضوء بالمرور بينها، وبدون تطبيق فرق جهد كهربي فإن الجسيمات تترتب بطريقة عشوائية مما ينتج عنه حجب الضوء ومنعه من النفاذ. وبهذا فإن بتقليل فرق الجهد المطبق يصبح الزجاج معتماً شيئاً فشيئاً حتى تصبح سوداء عند فرق جهد صفر.

بالتالي يمكن للمستخدم في المنزل التحكم بحجب الضوء أو السماح له من خلال تطبيق استخدام زر تحكم أو حتى ريموت كنترول للتحكم في فرق الجهد على لوحي الزجاج. وتم تجربة هذه التكنولوجيا في عدة منازل في الولايات المتحدة من حيث تم تحويل نوافذ المنزل من النوافذ العادية إلى نوافذ ذكية وكان ذلك له الأثر الكبير في التقليل من قيمة فواتير الكهرباء الشهرية.
البلورات السائلة Liquid Crystals


هي وسيلة متبعة في النوافذ الذكية وتدخل البلورات السائلة في العديد من التطبيقات المتقدمة وعلى سبيل المثال شاشات التلفزيون والكمبيوتر الحديثة، وهنا تم استخدام البلورات السائلة كتطبيق عملي لصناعة نوافذ ذكية كبديل أو منافس لتكنولوجيا الجسيمات المعلقة.

تعمل البلورات السائلة في النوافذ الذكية على التحكم في كمية الضوء النافذ منها وذلك من خلال تغيير استجابة البلورات السائلة للشحنات الكهربية. حيث تعمل الشحنة الكهربية على ترتيب البلورات بشكل منتظم لتسمح للضوء بالمرور وعندما تختفي الشحنة الكهربية تعود البلورات إلى وضعها العشوائي مما يمنع أشعة الضوء بالمرور خلالها.

هذه المواد تصبح معتمة عند تطبيق فرق جهد كهربي ومنفذة للضوء عند اختفاء فرق الجهد، تعتمد هذه التكنولوجيا على مواد تتغير لونها عند تطبيق فرق جهد كهربي عليها وتعرف باسم المواد الكتروكروماتك electrochromic. تعمل الكهرباء على تنشيط تفاعل كيميائي يعمل على تغير خواص المادة من حيث امتصاص المادة للضوء. ولصناعة نوافذ ذكية من هذه المواد يتم وضعها بين شريحتين من الزجاج عل النحو التالي:

* شريحتين من الزجاج أو البلاستيك Glass or plastic panel
* طبقة من مادة موصلة على الجزء الداخلي من الشريحة Conducting oxide
* طبقة من مادة الالكتروكروماتك مثل أكسيد التنجستن Electrochromic layer
* موصل ايوني Ion conductor
* مخزن ايونات Ion storage

في هذا التصميم يكون التفاعل الكيميائي من نوع تفاعل الأكسدة حيث تفقد الجزيئات إلكترونات لتصبح أيونات. بين طبقة الالكتروكروماتك تؤثر هذه الأيونات على درجة حجب الضوء في طبقة الالكتروكروماتك. يتم توصيل مصدر الجهد الكهربي على طبقتي التوصيل التي تغطي السطح الداخلي للزجاج يعمل فرق الجهد المطبق على دفع الايونات من طبقة مخزن الايونات الى طبقة الالكتروكروماتك عبر طبقة الايونات الموصلة. عند إغلاق الجهد الكهربي فإن الايونات تعود إلى طبقة مخزن الايونات. وتترك الايونات طبقة الالكتروكروماتك لتعود شفافة ومنفذة للضوء.