فناوری نانو، چشم­اندازی نو در صنعت ساختمان و کاهش مصرف انرژی

محمد رضا زیدی یام، مجید ابراهیم زاده

 [email protected]

چکیده:

تأثیراستفاده از تکنولوژی­های نوین بر کاهش میزان مصرف انرژی در صنعت ساختمان موضوعیست که در دو دهه اخیر مورد توجه بسیاری از محققان بوده است. در طی سالهای اخیر مطالعات و تحقیقات گسترده­­ای در زمینه انرژیهای پاک و تجدید شونده صورت پذیرفته است. در این بین فناوری نانو، جایگاه مهمی را در این عرصه اشغال نموده که در پی آن به دستاوردهای مهمی نیز نائل گردیده است. در این مقاله، ابتدا جنبه­های علمی موضوع، مورد بررسی قرار می گیرد و با جستاری در مبانی و مفاهیم فناوری نانو ، کاربرد این مفاهیم در صنعت ساختمان روشن می گردد و در آخر با ارائه نمونه­ای از دستاوردهای این تکنولوژی، به معرفی ویژگیها و افق­هایی که پیش روی تولیدکنندگان در آینده است، می پردازیم.

واژه­های کلیدی: نانوتکنولوژی ، نانو مواد ، انرژیهای تجدید شونده و پاک ،صنعت ساختمان.

1)  مقدمه ای بر فناوری نانو

نانو فناورى در تعریفى بسیار ساده، یعنى تکنولوژى هایى که در ابعاد نانومترى عمل مى کنند. نانومتر واحد اندازه گیرى است و برابر یک میلیاردم متر یا ^۹-۱۰ متر است . اندازه اتم ها و مولکول ها در این محدوده قرار دارد، بنابراین با ورود به این فضاى کوچک بشر مى تواند در نحوه چینش و آرایش اتم ها و مولکول ها دخالت کند و به ساخت مواد جدید و ساختارهایى متفاوت با آنچه تاکنون وجود داشته است بپردازد. تولید نانو تیوب هاى کربنى (ساختارهاى لوله اى کربنى) ماده اى در اختیار بشر قرار داد که رساناتر از مس، مقاوم تر از فولاد و سبک تر از آلومینیوم است. همچنین با استفاده از نانو ذرات مى توان سطوح خود تیزشونده یا همیشه تمیز ساخت و ربایش مغناطیسى را چندین برابر کرد. لاستیک هاى با عمر بالاى ۱۰ سال و دارورسانى به تک سلول هاى آسیب دیده در بدن از توانایى هایى است که بشر به مدد نانوفناورى به آن دست یافته است. اگر بپذیریم که نانو فناورى توانمندى تولید مواد، ابزارها و سیستم هاى جدید، با در دست گرفتن کنترل در سطوح اتمى و مولکولى و استفاده از خواص آن سطوح است، آنگاه درخواهیم یافت که کاربردهاى این فناورى در حوزه هاى مختلف اعم از صنعت ساختمان غذا، دارو، تشخیص پزشکى، فناورى زیستى ، الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژى ، محیط زیست و امنیت ملى خواهد بود به گونه اى که به زحمت مى توان عرصه اى را که از آن تأثیر نپذیرد ، معرفى کرد.

مى توان گفت، اولویت کشور، هر صنعت و فناورى که باشد بدون تسلط بر ابعاد نانو، در دنیاى جدید نمى توان در آن صنعت و فناورى حرفى در دنیا زد. ماهیت فرارشته اى علوم و فناورى نانو به عنوان توانمندى تولیدمواد، ابزارها و سیستم هاى جدید با دقت اتم و مولکول، موجب کاربردهاى بسیار زیادى در عرصه هاى مختلف علمى و صنعتى شده است.

2)  فناوری نانو در صنعت ساختمان ، دوستدار محیط و کاهش دهنده انرژی

مصالح( تولیدات فیزیکی) رابطان بی واسطه برخورد فناوری نانو و صنعت ساختمان هستند که عموما کاربری های گوناگونی را به ساختمانها می دهند. چنین مصالحی ، امکانات تازه­ای را برای تکمیل و بهبود ساختمان و اندیشیدن درباره شکل جدیدی از زندگی، بوجود می­آورند.

با استفاده از فناوری نانو در تولید مصالح ساختمانی امکان عملکرد ، کنترل و امکانات اصلی ساختمان بوجود می آید بطوریکه دیگر به هیچ وجه انرژی را هدر نمی رود و میتواند سالانه میلیونها تومان در مصرف انرژی صرفه­جویی کرد و از ورود 12500 تن دی اکسید کربن به اتمسفر جلوگیری کرد. هدف اصلی فناوری نانو در صنعت ساختمان، تولید محصولاتی با کیفیت بالا و سازگار با محیط زیست می باشد شکل (1). بعضی از این محصولات عبارتند از :

• فیلترینگ اشعه­های خورشیدی و پنجره­های منعکس کننده گرمای خورشید
• شیشه­های با روکش نانویی خود تمیز شونده
• آندایز آلومینیوم با حفره های نانومتری
• سیستمهای روشنایی برای دریافت نور در طول روز و استفاده ازمنابع نوری آن در شب
• استفاده از پوششهایی که در شدیدترین نورها خیره کننده نباشد
• سرامیکهای منتقل کننده گرما بدون تغییر حرارت
• کفپوشهای مبدل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی
• تثبیت‌کننده خاک مبتنی بر نانورس، تولید داخل
• فوق روان‌کننده بتن مبتنی بر نانومواد
• نمونه‌های بتن حاوی نانوذرات سیلیس و نمونه‌های بتن HPC
• نمونه‌ی مقایسه‌ی اثر نانوسیلیس در جلوگیری از خوردگی فولاد.

شکل1) خاصیت دافعه  قطره های مربا و دفع لک و کثیفی به کمک تغییرات سطحی در محصول نانو تکس

مزیت های استفاده از محصولات فناوری نانو در صنعت ساختمان عبارتند از :

1. بهبود شرایط زندگی
2. تأمین روشنایی طبیعی، نیازهای سرمایشی و گرمایشی و رفع آلودگی صوتی
3. کاهش هزینه­ها و افزایش عمر مفید ساختمانها (شکل(2))

شکل 2) خاصیت آبگریز کردن سطوح ساختمانی و تاثیر آن در جلوگیری از فرسودگی و کثیفی سطوح

پتانسیل بالقوه فناوری نانو در ساخت مصالحی که با آن میتوان به بالاترین حد رفع نیازهای انسان رسید ، اصلی­ترین عاملی است که آن را برای طراحی ساختمانها در آینده انتخاب می کند. حال به معرفی  برخی از مصالحی که با استفاده از فناوری نانو ساخته می شوند می پردازیم.

3)  فناوری نانو در صنعت تولید پنجره های دو جداره

اتلاف انرژی در ساختمان اعم از گرما و سرما از هر جداکننده محیط داخل از خارج امکان پذیر است. در این میان بدنه پنجره و شیشه آن، بخش قابل توجهی از اتلاف انرژی را به خود اختصاص می دهد. پنجره ها از مهمترین اجزای ساختمان هستند. پنجره تامین کننده نور، گرما و زیبایی در ساختمان می باشد و همچنین می توان با باز و بسته کردن پنجره به محیط بیرونی دسترسی داشت و ضمن تصفیه مناسب، هوای مطلوبی بدست آورد. البته اگر پنجره بطور صحیح ساخته و بکار گرفته نشود و یا در طراحی ساختمان دیدگاه های انرژی رعایت نشود و پنجره در موقعیت مناسب قرار نگیرد، عامل اصلی افت حرارتی و برودتی در فصول سرد و گرم سال می شود. در میان پنجره های دو جداره در کاهش مصرف انرژی تاثیر بسزایی دارند.

شکل3) پنجره دو جداره محصول بهین صنعت یام با قابلیت کاهش مصرف انرژی

از نظر میزان مصرف انرژی پنجره ای که مقاومت حرارتی آن بیشتر باشد مناسبتر است و بطور کمی میزان مقاومت حرارتی  پنجره به عوامل زیر بستگی دارد:

1. نوع شیشه مورد استفاده (شیشه، پلاستیک، شیشه های با ضریب صدور انرژی پایین و شیشه های هوشمند)

2.تعداد لایه های شیشه موجود در پنجره (شیشه تک جداره، دو جداره)

3. ضخامت لایه هوایی ایجاد شده بین دو شیشه

4. مقاومت حرارتی یا ضریب هدایتی بدنه پنجره

5.درزبندی و هوابندی در هنگام نصب

هر یک از پارامترهای فوق نیز وابسته به مواد تشکیل دهنده، پنجره و کیفیت ساخت آن می باشد. از نظر علمی، اتلاف انرژی هم زمان با چهار مکانیزم همرفت،نشت،تشعشع و رسانایی انجام می پذیرد.

* همرفت: دمای هوای مجاور بدنه پنجره و شیشهبا گرفتن گرما از شیشه مبسط شده و چگالی آن کم می شود. در اثر کاهش چگالی هوای گرم به سمت بالا حرکت کرده و هوای سرد جای آن را می گیرد.

* رسانایی: انتقال حرارت از مولکول به مولکول بیشتر در محیط جامد یعنی بدنه پنجره وشیشه منتقل می شود.

* تشعشع: انتقال مستقیم حرارت از محیط گرمتر به سردتر از طریق امواج الکترومغناطیس. در تابستان محیط عامل انتقال حرارت تشعشع نور خورشید است.

* نشت هوا: هوای گرم یا سرد در اثر آب بندی ناقص بدنه پنجره به بیرون یا داخل می تواند نشت کند.

کاربرد فناوری نانو در صنعت ساخت پنجره های دو جداره، در دو بخش می توان در نظر گرفت. بخش اول در ارتباط با ساخت فویل آلومینیوم آندایز شده با حفره های نانومتری که باعث یکنواختی پوشش های ایجاد شده بر روی آن می گردد و بخش دوم، ساخت نانوپوشش هایی برای جلوگیری از تابش اشعه ماوراء بنفش و مادون قرمز ، عایق حرارتی می باشد.

3-1) استفاده از فناوری نانو در آندایز فویل آلومینیوم

در طول سالهای پیش از 1900 میلادی ، پوشش اکسید آلومینیوم آندایز شده با الکترولیت های اسیدی برای ساخت انواع لوازم ماشین آلات ، وسایل آشپزخانه و ... بکار می رفت. با پیشرفت تکنولوژی ، دانشمندان پژوهش های بسیاری را در زمینه تولید آلومینای نانوحفره ای انجام داده اند. لایه اکسید آلومینیوم یا آلومینا روی سطح آلومینیوم، درصورتیکه در معرض آب یا هوا قرار گیرد، به اندازه 2 تا 3 نانومتر تشکیل می گردد، ولی آندایز آلومینیوم باعث می شود که یک لایه ضخیم تر از اکسید آلومینیوم از مرتبه چند میکرون بر روی آلومینیوم در یک الکترولیت اسیدی بوجود آید، به عبارت دیگر اکسیداسیون به روش آندایز لایه آلومینا، نانوحفره هایی را پدید می آورد که در سطح آلومینا شروع به رشد می کنند. اکسید آلومینیم متخلخل دارای ویژگی های متعددی است. اولین ویژگی، توانایی کنترل اندازه حفره­ها است. ویژگی مفید دیگر اکسید آلومینیم، مقاومت آن در برابر حرارت زیاد است که امکان عملیات حرارتی را بر روی مواد داخل حفره­ها بدون آسیب رساندن به ساختار قالب فراهم می­کند. دیگر آنکه این غشاء­ها دارای حفره­هایی با نظم زیاد هستند. این ویژگی­ها باعث شده است که توجه زیادی را در زمینه­های مختلف از جمله اپتو الکترونیک و انواع غشاء ها و انواع سنسورها و همچنین به صورت صنعتی با کاربرد درساخت انواع فویل های آلومینیوم آندایز شده با کیفیت بالارا به خود جلب کند. لایه آندی از یک ساختار سلولی مانند تشکیل شده است. در مرکز هر سلول حفره ای وجود دارد که از داخل سلول گذر کرده و تا نزدیکی سطح فلز امتداد پیدا می­کند که به صورت سلول هگزاگونالی است. این لایه متخلخل نزدیک سطح Al، به وسیله لایه نازکی موسوم به لایه مانع از سطح فلز جدا می­شود. بررسی لایه اکسید به­دست آمده با میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان می­دهد که حفره­ها عملا دارای مقطع و دهانه نامشخص می­باشند. در اثر حمله تصادفی الکترولیت به نقاط معیوب در این نواحی جریان ابتدا متمرکز می­شود و سپس حفره در لایه ایجاد می­گردد که این حفره­ها در لایه  به شکل سیلندری در می­آیند و به اطراف رشد کرده و در نهایت به یکدیگر می­رسند و شکل منظم (قوسی متقاطع) را در فصل مشترک فلز و اکسید ایجاد می­کنند. در فرآیند آندایزینگ آلومینای متخلخل، تعادلی بین انحلال اکسید و رشد اکسید وجود دارد. این تعادل برای تشکیل غشاءهای آلومینایی متخلخل حیاتی است، زیرا موجب ثابت باقی ماندن ضخامت لایه سدی در طول فرآیند آندایزینگ می­شود و بنابراین رشد حالت یکنواخت حفره به داخل آلومینیم را باعث می­شود شکل(4). ویژگی خاص، این محصول ارائه شده توسط شرکت بهین صنعت یام، آندایز با کیفیت بالای آلومینیوم همگام با کیفیت برتر اروپا می باشد که به عنوان محصولی منحصر به فرد توانایی رقابت با نمونه های وارداتی از کشورهای ترکیه، ایتالیا و اسپانیا را دارد. پژوهشگران شرکت آرتا نانو فناور پیشرو و شرکت بهین صنعت یام همواره در جهت افزایش کیفیت و استفاده از فناوری های نوین تلاشی همه جانبه را آغاز کرده اند.

شکل4) تصویر میکروسکوپ الکترونی از قالب نانوحفره ای آلومینای آندایز شده  با حفره های 50 نانومتری

3-2)  ساخت نانوپوشش برای روکش شیشه ها

این نوع نانو پوشش ها، باضخامت چند نانومتر در سطح شیشه یک فیلم آب دوست تشکیل می دهند، سطح هیدروفیل آنها از تاثیر نور خورشید یک فوتوکاتالیست تشکیل داده وآب جمع شده در سطح، درمقابل نیروی جاذبه زمین میزان آب/ هوا را برروی خود افزایش داده و بدین ترتیب آب جمع شده در سطح تماما" پخش شده و بخودی خود امکان تمیز شدن رابه وجود می آورد. نانوپوشش های استفاده شده برروی شیشه پس از شش هفته خاصیت خود تمیزشوندگی را از خود نشان می دهند. نانوذرات موجود در این نانو پوشش ها دارای دو خاصیت است ؛ یکی از آن ها فوق العاده هیدروفیل بودن آنها است، دیگر آن که دارای خاصیت ضد عفونی کنندگی است، زیرا برخی از نانوذرات خاص قادر به شکستن و تجزیه آلاینده های آلی هستند. این تاثیر پس ازگذشت چند هفته در شیشه ایجاد می شود، زیرا پس از این مدت نانوذرات در داخل ماتریس شیشه جایگزین شده و شیشه ها را از کثیفی های موجود رها کرده و سپس کثیفی های محیط را به صورت کاتالیتیک تجزیه نموده و از بین ببرد. خاصیت پخش شوندگی مساوی آب در سطح  باعث می شود، بدون اینکه لکه‌ای باقی بماند سطح از کثیفی‌ها عاری شود. نانوپوشش ها ضمن دارا بودن تنوع در رنگ و سایر خصوصیات، قادرند باکاهش شدید امواج ماوراء بنفش و مادون قرمز عبوری و تنظیم عبور نورمرئی، در زمستان تا 85درصد و در تابستان تا 80درصد از هدر رفتن انرژی داخل ساختمان جلوگیری کرده ودر صرفه جوئی مصرف انرژی، نقش بسزائی داشته باشند شکل (5).

شکل5) کاهش انتقال حرارت نسبت ‌به شیشه‌های عایق معمولی، کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی

4)  نتیجه­گیری :

در مقوله فناوری نانو آنچه که در وهله اول به نظر میرسد دوستدار بودن آن با محیط زیست و صرفه جویی در انرژی است که آن را در زمره پیشرفتهای بسیار عالی بشر قرار میدهد. اینکه بشر تا چه زمان و ناخواسته به نابودی محیط زیست خود و اتمام انرژی­های فسیلی ادامه میدهد بحثی است که در گرو پیشرفتهای جدید در بکارگیری مواد نو و انرژی­های نو است. تا کنون این دستاوردها در بوته آزمایش سربلند بیرون آمده و در ارتباط با بکارگیری فناوری نانو و مواد نانو در ساختمان سازی که مورد اصلی بحث ماست، نتایج قابل قبولی بدست آمده است. هدف اصلی ما در این مقاله، ارائه نوآوری ها در کاهش مصرف انرژی و بهینه سازی مصرف آن در صنعت ساختمان بود. باتوجه به اینکه فویل های آلومینیوم آندایز شده موجود در بازار ایران کیفیت خوبی ندارند معمولا از فویل های وارداتی از کشورهای اروپایی استفاده می گردد که این مسئله هم به تولید کننده داخلی ضربه زده و هم باعث خروج ارز از کشور می گردد. از اینرو می توان با استفاده از فناوری نانو که کشور ما یکی از 10 کشور برتر تولید علم در این زمینه می باشد، و همکاری متخصصین دانشگاهی و همچنین حمایت صاحبان صنایع، محصولی در حد کیفیت برتر اروپا تولید کرد که باعث افتخاری برای ایران عزیز و همچنین چشم انداز روشنی برای صادرات آن باشیم.

منابع:

1)     سایت ستاد نانو کشور nano.ir

2)     سایت شرکت آرتا نانو فناور پیشرو artanano.com

3)     سایت شرکت   بهین صنعت یامbehinyam.com

نشریه پنجره ایرانیان، سال پنجم ، شماره 56 ، خردادماه 1391