חלונות חכמים שלא צורכים חשמל: טכנולוגיה ייחודית מבשרת על דור חדש של חלונות חכמים היברידיים המשלבים זיכרון אופטי
מדענים מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב פיתחו "חלון חכם" המסוגל לעבור מצב משקוף לאטום בלחיצת כפתור, ולשמור על המצב הנבחר לאורך חודשים ללא צורך בהזנה חשמלית רציפה. הסוד: "ננו-סלילים מולקולריים" זעירים שמייצרים יציבות חסרת תקדים. הטכנולוגיה הייחודית נרשמה כפטנט, פורסמה בכתב העת Nanoscale Advances והוצגה בכנס SPIE.
טכנולוגיות של "חלונות חכמים", חלונות המסוגלים לשנות את דרגת השקיפות שלהם כדי לווסת את חדירת אור השמש והחום לתוך מבנים, נחשבות לאחד הכלים המבטיחים ביותר בבנייה ירוקה וצמצום צריכת אנרגיה. אולם רוב הפתרונות הקיימים בשוק סובלים ממגבלה מרכזית: הם דורשים אספקת חשמל קבועה כדי להישאר במצב האטום או השקוף, וגם לא שולטים בחום שעובר דרך החלון, מה שמפחית משמעותית את היעילות האנרגטית שלהם.
במעבדת "התקני גבישים נוזליים וננופוטוניקה" באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, פרופ' אברהים עבדולחלים, יחד עם הדוקטורנטית ניבין חוסיין מהמחלקה להנדסת אלקטרו-אופטיקה ופוטוניקה, מציגים פתרון הנדסי ייחודי: התקן "חלון חכם" בעל מבנה סלילי ננומטרי ייחודי של גביש נוזלי, המציג יציבות יוצאת דופן. ההתקן דורש פולס חשמלי קצרצר בלבד כדי לעבור ממצב שקוף למצב אטום ונשאר במצב זה באופן קבוע גם לאחר ניתוק מוחלט של זרם החשמל.
החידוש המרכזי במחקר טמון במבנה המולקולרי הייחודי של החומר. החוקרים הצליחו לדחוס את המבנה הלולייני הטבעי של הגבישים הנוזליים לאורך פסיעה קצר במיוחד של כ-100 ננומטר בלבד, כעשירית מהאורך שהיה מקובל עד כה במערכות דומות. במצב זה, המולקולות אינן מתפרקות אלא מתארגנות מחדש במעין "ננו-סלילים" קשיחים בני 5–10 סיבובים בלבד. סלילים זעירים אלה מגיבים בדיוק רב לשינויים בתדר ובתחומי המתח החשמלי.
כך למשל תדר נמוך (20 הרץ) גורם למבנה הסלילי להתפזר למיקרו-אזורים זעירים המפזרים את האור ויוצרים מצב אטום לאור, ואילו תדר גבוה (1 קילו-הרץ), מיישר את הננו-סלילים בניצב למצע, ומחזיר את החלון למצב שקוף לחלוטין.
החלון ההיברידי משלב שכבת גביש נוזלי מתקדמת זו עם שכבת תחמוצת ונדיום (VO₂) בעלת מבנה ננומטרי, חומר חכם המסוגל לווסת מעבר החום שמגיע מקרינת השמש. שכבת ה־VO₂ חוסמת מעבר חום עודף בקיץ ומאפשרת כניסת אנרגיית שמש אינפרא אדומה בחורף, ובכך תורמת להפחתת צריכת האנרגיה הנדרשת לחימום ולקירור מבנים. השילוב החדשני בין שליטה בפרטיות, ניהול מעבר אור וויסות תרמי פסיבי יוצר פלטפורמה חדשה לחלונות חכמים בעלי יעילות אנרגטית גבוהה, המיועדת לדור הבא של מבנים בני־קיימא.
בבדיקות מעבדה ממושכות הציג הרכיב עמידות מרשימה: המצב הנבחר נשמר ללא שינוי לאורך 96 שעות רצופות, והציג יציבות כמעט מלאה גם בחלוף 30 ו-90 ימים. נתון זה מהווה שיפור דרמטי לעומת טכנולוגיות קודמות שהתדרדרו תוך שעות ספורות.
"היכולת לשלב זיכרון אופטי ארוך־טווח ללא צריכת חשמל עם ויסות תרמי פסיבי פותחת כיוון חדש בתחום החלונות החכמים," ציין פרופ' עבדולחלים. "אנו מאמינים שטכנולוגיה זו יכולה לתרום לפיתוח מבנים יעילים יותר מבחינה אנרגטית ולשפר את השליטה באור, בפרטיות ובנוחות התרמית של חללי מגורים, רכבים, ועבודה."
מלבד יישומם כחלונות חכמים לחיסכון באנרגיה במבנים ובכלי רכב, המנגנון החדש פורץ דרך גם עבור יישומים טכנולוגיים נוספים. בזכות זמן התגובה המהיר (שבריר שנייה), הניגודיות האופטית הגבוהה והיכולת לשמור על מידע ויזואלי ללא חשמל, הטכנולוגיה מתאימה גם לפיתוח צגים מחיקים מחדש ,נייר אלקטרוני מתקדם ושלטי מידע ירוקים.
הטכנולוגיה הייחודית נרשמה כפטנט באמצעות חברת BGN Technologies, חברת המסחור של אוניברסיטת בן-גוריון בנגב. רן מלמד, סמנכ"ל עסקי בתחומי הנדסה ומדעים מדויקים בחברת BGN Technologies, הסביר: "כחברת המסחור של אוניברסיטת בן-גוריון, אנחנו מחפשים טכנולוגיות שלא רק מייצרות פריצת דרך מדעית, אלא גם יכולות להגיע לשוק וליצור שינוי אמיתי. במקרה הזה, נראה שיש פוטנציאל נרחב לשיתופי פעולה שיבקשו להנות אף הם מהטכנולוגיה הייחודית ואופן היישום שלה".
מחקר זה (מס' מענק223-11-061) נתמך על ידי משרד האנרגיה, המים והתשתיות.
