لدي تحكم رهيب في درجة حرارة الجسم. أضع رأسي في الثلاجة عندما يكون الجو حارًا في الخارج. تتشنج الأوعية الدموية في يدي عندما يكون الجو رطبًا وباردًا. "أنا ساخن؛ الآن أشعر بالبرد" هي نكتة منتشرة في عائلتي.
لكنني محظوظ: فبالمقارنة بالحيوانات ذات الدم البارد، لدينا نحن البشر طرق لا تعد ولا تحصى لإبقاء أجسادنا تنبض بالحياة في مجموعة من درجات الحرارة. نحن نرتعد عند البرد ونتصبب عرقا لدرء الحرارة. وعندما نعاني من الحرارة الشديدة أو البرودة الشديدة، لدينا القدرة على تغيير خزانة ملابسنا.
قد يبدو الأمر واضحًا، إلا أن الملابس أتاحت لنا استكشاف أقصى حدود عالمنا بينما كانت مريحة وآمنة نسبيًا. ولكن حتى الملابس الأكثر تقنية - مثل السترات ذاتية التسخين، أو طبقات Gore-Tex، أو البدلات المزودة بأكياس ثلج مدمجة - لها حدودها. يمكن لمعظم هذه الأجهزة إما تدفئة الجسم أو تبريده، ولكن ليس كليهما، أو تتطلب مصدر طاقة خارجيًا أو حزمة بطارية ضخمة.
وتتعثر هذه الملابس في المناطق الصحراوية أو المرتفعة، حيث يمكن أن تتأرجح درجات الحرارة بشكل كبير من الحرارة الحارقة إلى ما دون درجة التجمد. وبينما نتجه إلى ما هو أبعد من الأرض، فإن البدلة خفيفة الوزن التي تتحكم في درجة حرارة الجسم يمكن أن تجعل السير في الفضاء لفترة أطول أمرًا معقولًا وممتعًا.
هذا الأسبوع، علماء من جامعة نانكاى اتخذت خطوة نحو ملابس ذكية تضبط درجة حرارة الجسم بسرعة باستخدام الطاقة الشمسية فقط قام الفريق بتصميم مادة مرنة تلتقط ضوء الشمس لتخزين الحرارة ونقلها. خلال النهار، تعمل اللصقة على إزالة الحرارة من الجلد وتخزين الطاقة الزائدة. في الليل، عندما يكون الجو أكثر برودة، فإنه يطلق مخبأ الطاقة هذا لتسخين الجلد إلى مستويات مريحة.
نظرًا لأن الوحدة تعمل بالطاقة الشمسية، يمكنها الحفاظ على درجة حرارة الجلد بدون بطارية. يمكن للرقعة أيضًا التكيف بسرعة مع تقلبات درجة الحرارة المحيطة عن طريق التبديل تلقائيًا بين أوضاع التبريد والتدفئة.
وفي الاختبار، وضع الفريق الرقعة على يد أحد المتطوعين وقام بتبريد بشرتهم بنسبة تزيد عن XNUMX% في ثوانٍ معدودة. يمكن للرقعة أن تحافظ على راحة الجلد عند تعرضه لمجموعة واسعة من درجات الحرارة، بدءًا من التجمد وحتى حرارة وادي الموت.
بدلاً من تصميم ملابس مصنوعة بالكامل من هذه المادة، يتصور الفريق أنه يمكن نسجها بشكل استراتيجي في الأزياء اليومية أو بدلات الفضاء - مع وجود بقع أكبر في مناطق الجذع والظهر، وأخرى أصغر مصممة خصيصًا للأكتاف والذراعين العلويين ومقدمة الفخذين. . وحتى من دون تغطية الجسم بالكامل، فإن الكفاءة العالية للرقعات في تخزين ونقل الحرارة يمكن أن تحافظ على راحة مرتديها طوال اليوم، طالما أن هناك بضع ساعات من ضوء الشمس.
والجهاز «يفتح إمكانيات عديدة» لـ«توسيع نطاق تكيف الإنسان مع البيئات القاسية». كتب الدكاترة. Xingyi Huang وPeng Li من جامعة شنغهاي جياو تونغ، ولم يشاركا في الدراسة.
أزياء الخيال العلمي
من الصعب التغلب على العش تحت بطانية ساخنة أثناء مشاهدة تساقط الثلوج في الخارج. على النقيض من ذلك، فإن الركض في هواء الشتاء القارس لمطاردة حزمة هدية يعد بمثابة كابوس كامل - خاصة أثناء ارتداء البيجامات والنعال.
أجسادنا ليست مبنية على درجات الحرارة القصوى. تعتمد العمليات البيولوجية التي تتيح لنا التفكير، والشعور، والتنفس، والهضم، على البروتينات التي تعمل بشكل أفضل بين نطاق صغير من درجات الحرارة المحيطة. وتسمى "منطقة الراحة الحرارية"، وتتراوح درجة حرارتها تقريبًا بين 71 و82 درجة فهرنهايت (أو 22 و28 درجة مئوية). درجات الحرارة خارج هذا النطاق تجعل الجسم يتعرق أو يرتعش للحفاظ على درجة حرارتنا الداخلية تحت السيطرة. لكن هذه الآليات البيولوجية تفشل في الحرارة الشديدة أو البرودة الشديدة، مما يؤدي إلى ضربة الشمس، أو قضمة الصقيع، أو حتى الموت.
يمكن للملابس أن توسع منطقة الراحة الحرارية عن طريق تنظيم درجة حرارة الجلد بشكل سلبي وفعال. الخيارات السلبية لا تحتاج إلى مصدر طاقة. يستخدم بعضها، مثل عبوات تدفئة اليد، التفاعلات الكيميائية لتوليد الحرارة وإطلاقها. يقوم البعض الآخر بتبديد الحرارة في البيئة المحيطة لتبريد مرتديها أو عكس حرارة الجسم مرة أخرى على الجلد لإبقائه دافئًا. تندرج السترات المنتفخة أو جراميق الرقبة المبردة أو الأقمشة التي تتخلص من العرق ضمن هذه الفئة.
تستخدم المواد النشطة مصدر طاقة خارجيًا لتغيير درجة حرارة المادة بسرعة عند الطلب. لكن الاستهلاك العالي للطاقة يجعل من الصعب الحفاظ على درجة الحرارة طوال اليوم، خاصة عندما يكون مرتديها في حالة تنقل.
الملابس الحرارية الشمسية
قامت الدراسة الجديدة برفع مستوى المواد النشطة باستخدام مصدر طاقة طبيعي: الشمس.
المادة المرنة تشبه شطيرة مفتوحة الوجه. يوجد في الأعلى لوحة شمسية مرنة تعمل على تحويل ضوء الشمس بسرعة إلى طاقة كهربائية ووحدة تخزين لالتقاط الطاقة الزائدة. الجانب السفلي المواجه للجلد عبارة عن جهاز كهربائي حراري، وهو عبارة عن طبقة رقيقة تغير خصائصها بسرعة عند تعرضها للكهرباء. ونظرًا للصعق الكهربائي، تمتص هذه الطبقة الحرارة وتخفض درجة الحرارة المحيطة. يؤدي إيقاف تشغيل المجال الكهربائي إلى عكس العملية ويقوم الجهاز بنقل الحرارة إلى الجلد.
يمكن للجهاز التبديل بسرعة بين دورات التدفئة والتبريد، وعلى عكس الإصدارات الصلبة السابقة، فإن المادة قابلة للانحناء ويمكن أن تلتصق بجلد الإنسان مثل الضمادة.
في أحد الاختبارات، وضع الفريق المادة على يد أحد المتطوعين وقاموا بتنويع درجة الحرارة المحيطة بين الباردة والدافئة للغاية. وقاموا بمراقبة درجة حرارة جلد المتطوع باستخدام كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء.
وصلت الرقعة الصغيرة إلى درجات حرارة مريحة خلال ثوانٍ من تغيرات درجة الحرارة المحيطة. وكانت أيضًا مكتفية ذاتيًا، وتعمل بسهولة لمدة يوم كامل في اثنتي عشرة ساعة من ضوء الشمس.
إلى المجهول؟
يعمل النظام الجديد على توسيع منطقة الراحة الحرارية الطبيعية لبشرتنا. وكتب هوانغ ولي أن التوسع "المثير للإعجاب" يجعل من الممكن للجسم "التكيف مع بيئات أكثر تعقيدا وتغيرا".
وكتب الفريق أن أحد التطبيقات المحتملة هو نسج المادة "في بدلة فضائية تقليدية للمساعدة في تقليل متطلبات الطاقة الإجمالية". على الرغم من أن العثور على مساحة (لا يقصد التورية) يمكن أن يشكل تحديًا. تحتوي بدلة الفضاء المجهزة على الحد الأدنى من المناطق المعرضة لأشعة الشمس، مما يحد من حجم الألواح. يجب تغطية ما يقرب من 60 بالمائة من بدلة الفضاء بالمادة اللازمة لتشغيلها لمدة يوم كامل دون مصدر بطارية خارجي.
وأيضًا، حتى على الأرض، فإن تضاؤل ضوء الشمس في الشتاء يزيد من صعوبة شحن المادة، خاصة عند استكشاف المناطق القطبية حيث يختفي النهار تقريبًا.
ويعمل الفريق بالفعل على جعل المادة أكثر عملية. وتتمثل إحدى الأفكار في استخدام مكونات كهربائية حساسة لدرجة الحرارة يمكنها تعزيز نطاق التحكم في درجة حرارة الرقعة. وهناك طريقة أخرى تتمثل في إضافة مواد كيميائية تزيد من قدرة الرقعة على توصيل الكهرباء، مما يجعلها أكثر كفاءة في تخزين ونقل الحرارة. يمكن أن يؤدي ربط طبقات كهروسعرية متعددة من الرأس إلى أخمص القدمين أيضًا إلى زيادة قدرة الجهاز على التعامل مع التغيرات في درجات الحرارة.
بالنسبة لهوانغ ولي، فإن لهذه المادة استخدامات أكثر بكثير من مجرد الملابس. ويمكنه تغطية المركبات أو المباني للحفاظ على درجات الحرارة تحت السيطرة دون الحاجة إلى تكييف الهواء. مع درجات الحرارة القصوى أخذ المزيد من الأرواح أكثر من الأعاصير أو الفيضانات أو الأعاصير مجتمعة، فهذه المواد ليست مخصصة للمستكشفين الشجعان فحسب، بل يمكن أن تغير حياتنا اليومية.
الصورة الائتمان: كاجيتان سوميلا / Unsplash
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://singularityhub.com/2023/12/18/solar-powered-smart-clothing-could-rapidly-heat-or-cool-your-body/
