أجهزة التكييف ذات الحالة الصلبة تعد بمستقبل أكثر برودة، لكن العلماء يتصببون عرقاً في التفاصيل

بعد ثلاث سنوات من الحرارة القياسية، من المقرر أن يكون هذا العام حارقاً آخر. تكييف الهواء؟ لن يذهب إلى أي مكان. تتوقع وكالة الطاقة الدولية أن يتضاعف عدد وحدات التكييف ثلاث مرات بحلول عام 2050. وهذا جيد للصحة - حيث قدرت دراسة لـ"لانسيت" أن التكييف منع ما يقرب من 200000 حالة وفاة مبكرة في عام 2019 وحده - لكنه سيء للكوكب. يستهلك التبريد الاصطناعي بالفعل 7% من الكهرباء العالمية و3% من انبعاثات الغازات الدفيئة، وإذا تم التخلص من الوحدات بشكل غير صحيح، فإنها يمكن أن تسرب مواد تبريد ذات قدرة أعلى على الاحتباس الحراري من ثاني أكسيد الكربون.

وسط هذا الحر، يأمل عدد من العلماء والشركات الناشئة في تعزيز التبريد ذو الحالة الصلبة، والذي يُستخدم حالياً على نطاق صغير لأشياء مثل الثلاجات الصغيرة وبطاريات السيارات الكهربائية وبعض أجهزة الكمبيوتر المخصصة للألعاب عالية الأداء. تنقل أجهزة التكييف التقليدية الحرارة باستخدام ضاغط ومروحة لتدوير مادة التبريد وتحويلها من سائل إلى غاز. أما الأنظمة ذات الحالة الصلبة، فتنقل الحرارة عبر مواد موصلة مثل الجادولينيوم وتيلوريد البزموت - والتي يمكنها نظرياً تبريد المساحات والأسطح مع آثار جانبية أقل فوضوية.

المشكلة هي ما إذا كانت قادرة على منافسة كفاءة التكييف التقليدي. يقول برامود ريدي، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة ميشيغان الذي يدرس انتقال الحرارة: "أحد الأسئلة الرئيسية التي تبقى هو لماذا لا تكون المبردات ذات الحالة الصلبة بنفس كفاءة الدورات الحرارية التقليدية؟"

تُجرى أبحاث وبرامج تجريبية لاختبار مجموعة من الأساليب. تستخدم شركة Mimic Systems ومقرها بروكلين التبريد الحراري الكهربائي، الذي يمرر تياراً عبر مواد شبه موصلة لنقل الحرارة من جانب إلى آخر. يتم اختبار نظام التحكم في المناخ على مستوى الغرفة في شقة في فانكوفر. وتعتزم الشركة الألمانية Magnotherm اختبار نظامها، الذي يعتمد على إعداد مغناطيسي حراري ينقل الحرارة عن طريق مغنطة وإزالة مغنطة المواد، في سلسلة من محلات السوبر ماركت. أعلن فريق في هونغ كونغ أن جهازهم المرن الحراري، الذي تسخن مادته وتبرد أثناء تمددها وانكماشها، يمكن أن ينخفض إلى ما دون 0 درجة مئوية. وتُراهن شركة Barocal البريطانية على الأنظمة الباروكالورية، التي تتغير درجة حرارتها استجابة لتغيرات الضغط.

لكن الخبراء، خاصة في مجال الكهرباء الحرارية، لديهم شكوك حول مدى قدرة أي مخطط للحالة الصلبة على المنافسة. بالنسبة لمعظم أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء الحديثة، معامل الأداء (COP) هو 3، كما يوضح جيف سنايدر، أستاذ في جامعة نورث وسترن يدرس التوصيل الكهربائي والحراري. وهذا يعني أساساً أن النظام ينقل ثلاث وحدات حرارة مقابل كل وحدة طاقة تدخل إليه. يقول سنايدر إن الكهرباء الحرارية على وجه الخصوص تميل إلى أداء أقل بكثير عند مستويات عالية من تغير درجة الحرارة، مما يعني أنها الأنسب للاستخدامات المتخصصة مثل تبريد الجزء الخلفي من مقعد السيارة.

ومع ذلك، فإن الكفاءة ليست كل شيء، كما تقول ليندسي راسموسن، مديرة في مسرع التكنولوجيا المناخية التابع لمعهد روكي ماونتن Third Derivative، الذي يدعم كلاً من Magnotherm وMimic. في الولايات المتحدة، تستخدم معظم أجهزة التكييف الحالية مادة تبريد تسمى R410A، والتي لديها قدرة على الاحتباس الحراري أكثر من 2000 ضعف من ثاني أكسيد الكربون. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تجعل الأجزاء المتحركة أقل متانة، خاصة مقارنة بنموذج الحالة الصلبة الأقل تعقيداً من الناحية الميكانيكية.

ومع ذلك، فإن نقص الوحدات يجعل من الصعب الإجابة على سؤال الكفاءة. تقول راسموسن إنه لفهم مدى جودة عمل البدائل، يحتاج الباحثون إلى مقارنة استهلاكهم للطاقة على المدى الطويل مع النماذج التقليدية بدلاً من مجرد النظر إلى معامل الأداء. تدعي Mimic، على سبيل المثال، أن نموذجها على مستوى الغرفة يجب أن يطابق استهلاك وحدة التكييف النموذجية على مدار عام. تضيف راسموسن أن الأنظمة المرنة الحرارية والباروكالورية لديها أيضاً إمكانات، لكن النماذج الأولية على مستوى الغرفة ربما تكون على بعد سنتين إلى ثلاث سنوات.

في النهاية، احتمالية أن يحل التبريد ذو الحالة الصلبة محل التكييف القائم على الضاغط ضئيلة. ولكن مع ارتفاع حرارة الكوكب وتركيب أماكن مثل الهند عشرات الملايين من وحدات التكييف الجديدة خلال العقد المقبل،