סיקור מקיף

מותק, חם לי, תחשמל את החלון

פיתוח ישראלי-סינגפורי חדש מאפשר למנוע מקרינת השמש להיכנס הביתה דרך החלון – בלי לפגוע בנוף

הזכוכית החדשה מאפשרת חסימה של 70 אחוז מקרינת האינפרא-אדום של השמש, תוך שמירה על 90 אחוז שקיפות עבור הקרינה שנמצאת בטווח שאותו בני האדם מסוגלים לראות. צילום: Prof. Alfred Tok
הזכוכית החדשה מאפשרת חסימה של 70 אחוז מקרינת האינפרא-אדום של השמש, תוך שמירה על 90 אחוז שקיפות עבור הקרינה שנמצאת בטווח שאותו בני האדם מסוגלים לראות. צילום: Prof. Alfred Tok

מערכת מזג האוויר החורפית של השבועות האחרונים גרמה לרבים להסתגר בבית (לעתים בסיוע בדיקת קורונה חיובית), לצד המזגן, התנור או הרדיאטור שפועלים כמעט ללא הפסקה. בימים כאלה אנחנו משוועים לקצת שמש שתיכנס מבעד לחלון ותחמם את הבית – וקל לנו לשכוח שבחודשי הקיץ אנחנו נמלטים מקרניה הלוהטות.

במחקר חדש שנערך בשיתוף פעולה ישראלי-סינגפורי פותח חלון חכם, שיוכל למתן את מצוקת הטמפרטורה בכל עונות השנה. החלון מאפשר לחסום בלחיצת כפתור את כניסתה של קרינת השמש, וכך לשלוט בכמות החום שחודר לבית דרך החלונות, ולהפחית את הצורך במיזוג אוויר – כל זאת מבלי לפגוע בנוף שנשקף אלינו.

לפי משרד האנרגיה האמריקאי, חלונות מהווים מקור עיקרי לאיבוד חום נחוץ בחורף ולכניסת חום בלתי רצוי בקיץ בבניינים. בעידן המודרני אנחנו "פותרים" את הבעיה עם מזגנים, אך כל לחיצה על כפתורי השלט שלהם מקפיצה את גובה חשבון החשמל שלנו – וגורמת לפליטות נוספות של גזי חממה בעת שריפת דלקי מאובנים בתחנות הכוח, וכך להחמרת משבר האקלים (ולהחרפתן של טמפרטורות הקיצון שבגללן הדלקנו את המיזוג מלכתחילה).

עם זאת, לחסימה מוחלטת של אור השמש (למשל על ידי וילון או תריס) יש חסרונות משל עצמה. שימוש באור השמש מאפשר חיסכון בהוצאת אנרגיה על תאורה, וחשיפה לנוף דרך החלונות כוללת יתרונות משמעותיים שאין לזלזל בהם: מאות מחקרים מדעיים מצביעים על ההשפעה החיובית שיש לחשיפה לטבע על בריאותנו הפיזית והנפשית – וגם חשיפה מרחוק מספקת אפקט חיובי ומרפא.

שימוש בחלונות "חכמים" (כמו הפיתוח החדש) אומנם דורש אנרגיה – אבל בכמות קטנה. למעשה, אפשר להפעיל חלון בגודל 140 מטר רבוע שפועל בטכנולוגיה כזו בפחות מהאנרגיה שדרושה להדליק מנורת 60 ואט בודדת.

בידוד לפי דרישה

את המחקר החדש הוביל פרופ' אלפרד טוק מאוניברסיטת נאניאנג שבסינגפור, בשיתוף החוקרים הישראלים פרופ' שלמה מגדסי, ראש המרכז להדפסה תלת-ממדית במרכז לננוטכנולוגיה של האוניברסיטה העברית, ופרופ' דניאל מנדלר מהמכון לכימיה באוניברסיטה העברית, שעוסק באלקטרוכימיה, במסגרת תוכנית מחקר משותפת של חוקרים מישראל ומסינגפור, והוא בוצע ומומן במסגרת תכנית CREATE ששייכת לקרן המחקר הלאומית של סינגפור.

ההמצאה החדשה כוללת זכוכית שמצופה בחומר מיוחד, שבה מיוצר בלחיצת כפתור זרם חשמלי רגעי שמאפשר או חוסם את כניסתו של חום השמש – וזאת כמעט מבלי להשפיע על מידת השקיפות שלה. "מדובר בחלונות אלקטרוכרומיים – כלומר, בחלונות שמשנים את הקרינה שהם בולעים באמצעות מתח חשמלי", מסביר מגדסי. "במקרה של הפיתוח הזה מדובר בבליעה של קרינת אינפרא-אדום (קרינת חום, י.ש.), כך שבחורף ניתן לאפשר את הכניסה שלה – ובקיץ לחסום אותה, וכך לחסוך בעלויות מיזוג אוויר". קרינת אינפרא-אדום נמצאת מחוץ לטווח שאותו בני אדם מסוגלים לראות, כך שחסימתה לא פוגעת בנוף שנשקף אלינו דרך החלון.

הזכוכית החדשה, שפותחה ונבדקה בתנאי מעבדה, מאפשרת חסימה של 70 אחוז מקרינת האינפרא-אדום של השמש, תוך שמירה על 90 אחוז שקיפות עבור קרינת השמש שנמצאת בטווח שאותו בני האדם מסוגלים לראות. בכך, הפיתוח החדש שונה מרוב החלונות האלקטרוכרומיים האחרים שקיימים כיום, שמסוגלים רק להפוך משקופים לכהים – מה שפוגע במראה שנשקף מן החלון.

כמו מסך של סמארטפונים

כדי להשיג את התוצאה הזו, החוקרים יצרו ציפוי לזכוכית שבנוי ממספר שכבות. ראשית, הזכוכית כוסתה במבנה דמוי כוורת. לתוך החללים שבמבנה זה הוכנסו חומרים מוליכים חשמלית שמבוססים על תחמוצת של היסודות המתכתיים טונגסטן ובדיל, שמאולחת במתכות נאודימיום ומוליבדן (כלומר, שמתכות אלה נוספו אליה בריכוז מזערי לצורך הגברת המוליכות החשמלית), שהשימוש בהן מייחד את הפיתוח אל מול חלונות אלקטרוכרומיים אחרים (שבהם נעשה שימוש רק בתחמוצת טונגסטן) – הם למעשה מסוגלים לשנות את מצבם ולהפוך לאטוּמים מפני קרינת החום של השמש באופן כמעט מוחלט. לבסוף, נוספה למבנה גם תמיסה שמכילה יונים (חלקיקים טעונים-חשמלית) של ליתיום, בצירוף אלקטרודות שעשויות מחומר שקוף שמוליך חשמלית. "האלקטרודה דומה לזכוכית של מסך סמארטפונים, שמכילה גם היא מוליך שקוף", מסביר מגדסי. "בהפעלת מתח חשמלי, היונים יוצאים מהתמיסה ונכנסים לתוך חלקיקי החומר המוצק שמשלב את הנאודיום והמוליבדן ובכך משנים את תכונות בליעת האור שלו, מפני שחומרים בולעים אור לפי המבנה האלקטרוני שלהם. הפעלה נוספת של מתח הפוך מביאה לשינוי החומר בחזרה".

לטענת החוקרים, כשליש מצריכת החשמל בעיר מודרנית משמשת לתאורה תוך-מבנית ולמיזוג אוויר, ולכן מדובר בפיתוח בעל פוטנציאל חיסכון אנרגטי עצום. יחד עם זאת, בינתיים הזכוכית הבררנית קיימת רק כניסוי ראשוני במעבדה. "ייקח עוד מספר שנים עד שנראה חלונות כאלה בבתים", מעריך מגדסי.

ניהול אנרגיה באמצעות החלון

מומחים לבנייה ירוקה מדגישים שתכנון מקדים נכון של המבנה לפני בנייתו יכול להביא לחיסכון אנרגטי משמעותי. יש לייצר הצללה חכמה ולהציב את המבנה ואת החלונות כך שחדירת השמש תהיה מוגברת בחורף ומצומצמת בקיץ – בהתאם למסלול השמש המשתנה לאורך השנה. כך יש גם להתחשב בכיווני הרוח באזור המבנה, ולשאוף להשיג אוורור טבעי באמצעות מיקום פתחים מנוגדים בכל חלל – רצוי בכיוון זרימת הרוח. כל אלו אפשריים לביצוע בלי לשלב טכנולוגיות חדשניות.

לטענת החוקרים, כשליש מצריכת החשמל בעיר מודרנית משמשת לתאורה תוך-מבנית ולמיזוג אוויר, ולכן מדובר בפיתוח בעל פוטנציאל חיסכון אנרגטי עצום. צילום: Prof. Alfred Tok
לטענת החוקרים, כשליש מצריכת החשמל בעיר מודרנית משמשת לתאורה תוך-מבנית ולמיזוג אוויר, ולכן מדובר בפיתוח בעל פוטנציאל חיסכון אנרגטי עצום. צילום: Prof. Alfred Tok

שימוש בחומרי בנייה מבודדים עשוי להוות גורם משמעותי נוסף בכל הנוגע לחיסכון באנרגיה, אך נדמה שגם בארצנו החמה רבים ממתכנניהם של מבני משרדים גבוהים מתעלמים מהעלויות האנרגטיות הגבוהות שנדרשות לאיקלום, ובניינים אלה בנויים פעמים רבות עם מעטפות זכוכית שאומנם מעניקות צדודית מודרנית והשקפה פנורמית לנוף, אך מאפשרות לחום השמש לחדור מכל הכיוונים כל העת ולייצר אפקט חממה בתוך המבנה, ומגדילות את הצורך התמידי בהפעלת מערכות מיזוג אוויר. רבים מהחלונות האלה כלל לא נפתחים, וכך לא מאפשרים את תחלופת האוויר שחשובה לאיקלום (ולמניעת הדבקה במחלות שנישאות באוויר).

ייתכן שבשנים הקרובות פיתוחים כדוגמת הזכוכית החכמה שמאפשרת סינון חום בלחיצת כפתור יצליחו לאזן את הדרישות האסתטיות הבלתי-מתפשרות, ויאפשרו התנהלות מקיימת ומתחשבת יותר בחשבון החשמל ובסביבה. בינתיים, מגדסי עמל על שדרוגים נוספים לזכוכיות העתיד, במיזם משותף עם פרופ' ליעוז אתגר, גם הוא מהמכון לכימיה באוניברסיטה העברית, שעוסק בפיתוח תאים סולאריים. השניים מפתחים תאים סולאריים חצי-שקופים, שיוכלו לאפשר ייצור אנרגיה באמצעות משטחים של חלונות. "השאיפה שלנו היא להשתמש בהם במעטפת הזכוכית של בניין, כמו לדוגמה במגדלי משרדים מודרניים", אומר מגדסי.  "בעתיד ייתכן שאפשר יהיה לשלב יחדיו את שתי הטכנולוגיות האלה. כך, חיסכון אנרגיה משתלב עם ייצור אנרגיה – והכול נמצא תחת ניהול אנרגטי נכון יותר, שלו אנחנו נדרשים עכשיו ולו נזדקק גם בעתיד".

ולאלה מאיתנו שלא מעוניינים לחכות כדי להשיג הפחתה בחשבון החשמל כדאי לנקוט בצעדי שיפוץ ירוק פשוטים שונים: למשל, שיפור האיטום של החלונות (שמונע זליגת חום בחורף), הוספת שכבת בידוד לקירות או לתקרה ושימוש במאוורר במקום במזגן. את הצעדים האלה כל אחד ואחת מאיתנו יכולים לבצע בבית כבר היום.

עוד בנושא באתר הידען:

דילוג לתוכן