پَچ پوشیدنی سرمایشی و گرمایشی به عنوان ترموستات و برای صرفه جویی در انرژی

ژاکت (تصویر آرشیوی)
اعتبار: © Liaurinko / Adobe Stock
 

مهندسان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو یک پچ پوشیدنی را ایجاد کرده اند که می تواند سرمایش و گرمایش شخصی را در منزل، کار و یا راه رفتن ارائه دهد. این پچ نرم و قابل اتساع، پوست کاربر را تا درجه حرارتی راحت سرد یا گرم می کند و همان دما را حتی با تغییر دمای محیطی حفظ می کند. این پچ از یک بسته باتری انعطاف پذیر و قابل اتساع توان می گیرد و می تواند در لباس جاسازی شود. محققان می گویند پوشیدن آن می تواند به صرفه جویی در انرژی در تهویه مطبوع و گرمایش کمک کند. این کار در مجله Science Advances منتشر شده است.
 
رنکون چن، استاد مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو که این مطالعه را هدایت کرد، گفت: "این نوع دستگاه می تواند آسایش گرمایی شخصی شما را بهبود بخشد چه شما در یک روز داغ در حال سفر باشید یا احساس سرمای زیادی در دفتر کارتان کنید."
 
دستگاه، که در مرحله اثبات مفهوم است، همچنین می تواند انرژی را ذخیره کند. چن گفت: "اگر پوشیدن این وسیله بتواند باعث شود که شما در یک محدوده‌ی وسیع تری از دما احساس راحتی کنید، نیازی نخواهید داشت که دمای ترموستات را در تابستان اینقدر پایین بیاورید یا گرمایش محیط را در زمستان اینقدر بالا ببرید." وی خاطرنشان کرد که برای مثال نگهداری دمای یک ساختمان، 12 درجه بالاتر از معمول در تابستان، می تواند هزینه های خنک کنندگی را در حدود 70 درصد کاهش دهد.
 
انواع دستگاه های خنک کننده و گرم کننده شخصی در بازار وجود دارد، اما آنها راحت ترین دستگاه برای پوشیدن یا حمل و نقل به اطراف نیستند. بعضی از آنها از پروانه استفاده می کنند و بعضی از آنها باید خیس شوند یا با مایعی مانند آب پر شوند.
 
چن و یک تیم از محققان در مدرسه مهندسی جاکوبز دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو، دستگاه شان را طراحی کردند که از نظر دمایی، راحت، و مناسب برای پوشیدن باشد. این دستگاه انعطاف پذیر و سبک وزن است و می تواند به راحتی در لباس جا داده شود.
 
این پچ از آلیاژهای ترموالکتریکی ساخته شده است - موادی که از الکتریسیته برای ایجاد اختلاف دما استفاده می کنند و بالعکس – که بین ورقه های الاستومری کششی قرار می گیرند. از لحاظ فیزیکی، دستگاه پوست را تا دمایی که پوشنده انتخاب کند سرد یا گرم می کند.
 
نخستین نویسنده، سانکی هونگ، دانش آموخته مهندسی مکانیک دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو، که روی پروژه به عنوان دانشجوی دکترا در آزمایشگاه چن کار می کرد، گفت: "شما می توانید این پچ را در نقاطی که تمایل به گرم شدن و یا خنک شدن سریع تر از بقیه بدن دارید قرار دهید، مانند پشت، گردن، پا و یا بازوها، به این منظور که وقتی هوا خیلی گرم یا سرد می شود احساس راحتی کنید."
 
محققان یک نمونه اولیه از این پچ را در یک نوار بازوی مشبک جاسازی کردند و آن را بر روی یک سوژه مردانه آزمایش کردند. این پچ از آلیاژهای ترموالکتریکی ساخته شده است - موادی که از الکتریسیته برای ایجاد اختلاف دما استفاده می کنند و بالعکس – که بین ورقه های الاستومری کششی قرار می گیرند. آزمایش ها در یک محیط با دمای کنترل شده انجام شد. در عرض دو دقیقه، پچ پوست سوژه تحت آزمایش را تا یک دمای تعیین شده‌ی 89.6 درجه فارنهایت خنک کرد. این پچ پوست سوژه را در آن دما نگاه داشت در حالی که دمای محیط بین 71.6 تا 96.8 درجه فارنهایت تغییر می کرد.
 

هدف نهایی، ترکیب چندین تکه با هم برای ایجاد لباس هوشمندی است که برای سرمایش و گرمایش شخصی بتواند پوشیده شود. بنابراین مهندسان یک پچ الکترونیکی نرم را طراحی کرده اند که می تواند بدون ایجاد اختلال در کارکرد الکترونیکی‌اش کشیده، خمیده و پیچیده شود.
 
این کار نتیجه یک همکاری بین چندین گروه تحقیقاتی در مدرسه مهندسی جاکوبز دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو است. آزمایشگاه چن که متخصص تکنولوژی انتقال حرارت است، مطالعه را هدایت کرد. آنها هم تیم شدند با اساتید نانو مهندسی شنگ کو، متخصص الکترونیک کششی، شیرلی منگ، متخصص فن آوری باتری، پینگ لیو، که متخصص باتری نیز هست، و جوزف وانگ، متخصص سنسورهای پوشیدنی.
 
محققان این پچ را با استفاده از ستون های کوچکی از مواد ترموالکتریک (ساخته شده از آلیاژهای تلورید بیسموت) با لحیم کردن آنها به نوارهای الکترود مسی نازک و قرار دادن آنها بین دو ورقه الاستومتری ساختند.
 
ورقه ها به ویژه طوری مهندسی شدند که گرما را در حالی که نرم و کشدار هستند هدایت کنند. همان طور که جریان در سراسر ستون های تلورید بیسموت جاری می شود، گرما را همراه خود هدایت می کند، و باعث می شود یک طرف پچ گرم و طرف دیگر سرد شود. محققان این صفحات را با مخلوط کردن یک ماده لاستیکی به نام اکوفلکس با پودر نیترید آلومینیوم، که ماده ای با هدایت گرمائی بالاست، ایجاد کردند.
 
پچ از یک جریان الکتریکی برای انتقال حرارت از یک ورقه الاستومر به دیگری استفاده می کند. همان طور که جریان در سراسر ستون های تلورید بیسموت جاری می شود، گرما را همراه خود هدایت می کند، و باعث می شود یک طرف پچ گرم و طرف دیگر سرد شود.
 
چن توضیح داد: "برای خنک کردن، ما جریانی را داریم که گرما را از سمت پوست به لایه رو به رو خارج پمپ می کند." "برای گرم کردن، ما فقط جریان را معکوس می کنیم و بنابراین گرما در جهت دیگر پمپ می شود."
 
پچ با یک بسته باتری قابل انعطاف تغذیه می شود. این بسته از آرایه ای از سلول های سکه ای درست شده است که همه توسط سیم های مسی فنر شکل به هم متصل شده اند و در یک ماده کشسان جا سازی شده اند.
 
منبع: دانشگاه کالیفرنیا - سن دیگو