تستهلك المباني السكنية والتجارية من الطاقة ما يصل في بلدان كثيرة إلى نحو نصف إجمالي الطاقة المستهلكة فيها، تصرف معظمها على التبريد والتدفئة والإنارة. ونظراً لما يمثله هذا الاستهلاك على الصعيدين البيئي والاقتصادي من أهمية، فقد تركز اهتمام الباحثين والمعماريين في السنوات الأخيرة على تطوير وسائل العزل الحراري في المباني، بموازاة تطوير الأدوات المنزلية المستهلكة للطاقة، وخاصة أجهزة التدفئة والتبريد. ولأن النوافذ في أي مبنى تشكِّل عنصراً رئيساً وجزءاً مهماً في أي تصميم معماري، وباتت جزءاً من أي استراتيجية تهدف إلى تحسين كفاءة استخدام الطاقة في أي مبنى، ظهرت فكرة “النافذة الذكية”.

النافذة في مهب موجة الذكاء
ساد الذكاء الكثير من مميزات منتجات عصرنا الحالي. ولم تكن المنازل والمباني السكنية بعيدة عن موجة الذكاء التي اجتاحت العالم، فظهرت في كثير من الدول المتقدِّمة وبعض الدول العربية الغنية أنماط جديدة من المنازل تعرف بالمنازل الذكية Smart Home، تستخدم فيها أحدث المنجزات التكنولوجية لتحقيق أقصى درجات الراحة والرفاهية للإنسان، حيث يتم التحكم بكامل أجهزة المنزل عن بُعد أو بشكل تلقائي بفضل برمجيات ذكية. فبمجرد أن تقترب من مرآب منزلك سوف يفتح الباب تلقائياً وتضاء المصابيح، وقبيل وصولك إلى بيتك حسب برنامجك اليومي الروتيني أو بإيعاز منك عن بُعد، سيتم تشغيل أنظمة التكيف في المنزل وتسخين ماء الاستحمام وتحضير وجبة الطعام. كما يمكنك أن تتواصل مع كافة الأجهزة في منزلك من خلال هاتفك الذكي، ومراقبة جميع الأجهزة الكهربائية والإلكترونية عن بُعد، كأجهزة التكييف والتنظيف وأنظمة الحماية والكاميرات والستائر الكهربائية والإضاءة وغير ذلك.

ونظراً للدور المهم والرئيس للنوافذ في أي مبنى، فقد طالتها موجة الذكاء العالمية وتحولّت من مجرد فتحة في الجدار بها لوح زجاجي، إلى أداة تكنولوجية بالغة التطور للتحكم بالضوء والحرارة وترشيد استهلاك الطاقة والاستفادة القصوى من الطاقة المتجدِّدة والنظيفة المحيطة بنا. يعرف هذا النوع من النوافذ باسم “نوافذ الزجاج الذكي” ( Smart Glass Windows )، ويتميز بإمكانية التحكم بشفافية النافذة بشكل كبير، حيث يتغيّر لونها تلقائياً) بناءً على درجة حرارة البيئة المحيطة، وظروف الإضاءة، وهذا يحسن من كفاءة استخدام الطاقة. فاللون القاتم في أشهر الصيف يقلل من انتقال حرارة الشمس إلى داخل المبنى، وهذا يقلل من الحاجة إلى تكييف الهواء. ويتم هذا عن طريق التحكم في المجال الكهربائي الذي تتعرَّض له تلك النوافذ مما يؤدي إلى التحكم في درجة الإعتام حسب شدة التيار الكهربائي المسلّط عليها.

ويشجِّع حالياً كثير من دول العالم على ابتكار تصاميم لمبانٍ تكون أكثر مراعاة للبيئة، وهنا يظهر أهمية تصميم نوافذ تلك المباني ونوعية الزجاج المستخدم فيها، إذ إن استخدام زجاج ذكي يوفِّر الطاقة، وفي الوقت نفسه لا يؤثر على المظهر الجمالي للتصميم الهندسي للبناية. فقد أظهرت الدراسات أن نوافذ الزجاج الذكي تعزِّز من كفاءة استخدام الطاقة في البناء بنسبة تصل إلى 70 بالمئة في فصل الصيف، و 45 بالمئة في فصل الشتاء، عند مقارنتها بالنوافذ التقليدية ذات اللوحين الزجاجيين المزدوجين. مما يقلِّل بالتالي من مجمل استهلاك الطاقة بنسبة 25 بالمئة، كما تؤكد شركة تصنيع النوافذ الذكية “اندرسون كوربوريشون Anderson Corporation” إن التحوُّل نحو استخدام نوافذ الزجاج الذكي، أدَّى – مثلاً – إلى توفير 2.4 مليون دولار أمريكي في مبنى “إمباير ستيت” في نيويورك بعد السنة الأولى من التركيب. وعلى المستوى البيئي، أسهم هذا في خفض انبعاثات الكربون بمقدار 4000 طن متري، وهذا ما يعادل زراعة 750 فداناً من غابات الصنوبر. وإذا علمنا أن المباني في أمريكا تستهلك نحو 40 كوادريليون وحدة حرارة بريطانية للطاقة سنوياً، وهذه الكمية الضخمة من الطاقة تبلغ تكلفتها 400 بليون دولار أمريكي، فإذا تم تحسين كفاءة استخدام هذه الطاقة بنسبة 20 بالمئة بحلول عام 2020، فإن هذا سيؤدي إلى توفير أكثر من 40

بليون دولار أمريكي. ويتوقَّع أن تبلغ قيمة مشاريع سوق الزجاج الذكي نحو 700 مليون دولار أمريكي سنوياً بحلول عام 2020، وأن تنخفض تكلفة الزجاج الذكي بنسبة 50 بالمئة بحلول العام نفسه، علماً بأن التكلفة الحالية للقدم المربع تبلغ 100 دولار أمريكي، ومع تزايد الاهتمام العالمي بهذه التقنية، فإنه يتوقّع أن تصبح هذه النوافذ جزءاً أساسياً في الهندسة المعمارية وإحدى استراتيجيات توفير الطاقة في العقد المقبل.

ذكاء في التصميم
تحتوي أشعة الشمس على ضوء مرئي وإشعاعات أخرى غير مرئية، كالأشعة تحت الحمراء التي تتسبب في تسخين المباني وارتفاع درجة حرارة المساكن التي تتعرّض بشكل مباشر لها، مما يستلزم استخدام أجهزة التكييف والتبريد المستهلكة لمقادير ضخمة من الطاقة الكهربائية. من هنا فقد سعى كثير من الباحثين إلى تطوير تقنيات خاصة للتحكم في شدة ضوء الشمس الذي يمر من خلال نوافذ البنايات والمساكن، حيث طوّرت عدة تقنيات ذكية للتحكم في الضوء المار من خلال النوافذ التي تعتمد على بعض الخصائص الفيزيائية للمواد الداخلة في تركيبها، ومن أهم هذه التقنيات:

شاشة الجسيمات المعلّقة
تعرف تقنية شاشة الجسيمات المعلّقة ( Suspended particle displays) بالصمامات الضوئية، وهي تعتمد على لوحين من الزجاج أو البلاستيك توجد بينهما مادة شفَّافة بها جسيمات معلّقة موصلة للكهرباء، وعند مرور التيار الكهربائي بين اللوحين، فإن الجسيمات المعلّقة تتحرك وتترتب بطريقة تسمح لضوء الشمس بالمرور من خلالها، وعند زوال التيار الكهربائي، فإن الجسيمات المعلّقة تتبعثر بعشوائية وتحجب الضوء وتمنعه من النفاذ، ويمكن التحكم بدرجة ترتيب الجسيمات أو تبعثرها بواسطة وحدة تحكم عن بُعد.

البلورات لسائلة
استخدمت تقنية البلورات السائلة ( Liquid crystals ) في إنتاج بعض شاشات الحواسيب والتلفزيونات الحديثة، وقد استخدمت هذه التكنولوجيا في تصنيع النوافذ الذكية القادرة على التحكم في كمية الضوء النافذ منها كبديل عن تكنولوجيا الجسيمات المعلّقة. وزجاج النوافذ الذكية المصنوع من البلورات السائلة يتحكم في كمية الضوء المار من خلالها بفضل قدرة تلك البلورات السائلة على الاستجابة للشحنات الكهربائية، التي تعمل على إعادة ترتيب البلورات بشكل منتظم يمكّن ضوء الشمس من المرور من خلالها، وعند زوال المؤثر الكهربائي، فإن الجسيمات المعلّقة تتبعثر بعشوائية وتحجب الضوء وتمنعه من النفاذ. وتعتمد تكنولوجيا البلورات السائلة على مواد تعرف باسم إلكتروكرومك (Electrochromic) التي تتغيَّر خواصها وقدراتها على حجب الضوء أو السماح بمروره بفعل تفاعل كيميائي من نوع تفاعل الأكسدة، حيث تخسر بعض الجزيئات إلكترونات وتتحوَّل إلى أيونات تؤثر على درجة مرور الضوء من خلال طبقة الإلكتروكرومك.

تقنية النوافذ الكهرولونية
وأسهمت عدة أبحاث في تطوير النوافذ الكهرولونية (مواد تستخدم في أجهزة العرض والأنظمة التي بها تتحكم في تغيير الألوان)، إلا أن أبرز تلك الأبحاث ما أنجزته الباحثة “لورديز” وفريقها البحثي في مختبر لورانس بيركلي الوطني في أمريكا، حيث استخدمت نوعاً من مركبات الجسيمات النانوية التي تم تضمينها في زجاج خاص للنوافذ، وقد نجح فريق البحث في إجراء عملية التحكم الدقيق بإعتام الزجاج حسب الطلب، وقد أنتج فريق البحث مركباً نانوياً يتكوَّن من بلورات أكسيد قصدير الأنديوم واستخدم في زجاج يحتوي على أكسيد النيوبيوم، ويتم التحكم بتشتت البلورات النانوية بواسطة تيار كهربائي ضعيف، يتسبَّب في تغيير درجة نفاذ الضوء المرئي وكذلك الأشعة تحت الحمراء التي تتسبب في تغيير درجة الحرارة داخل المباني.تتكوَّن هذه النوافذ من طبقتين مفصولتين بمادة صلبة تحمل شحنات كهربائية وهي موضوعة على أحد لوحي الزجاج وتكوّن قطباً كهربائياً، وعلى اللوح الزجاجي الثاني يتم تثبيت القطب الكهربائي الثاني المصنوع من الليثيوم، وفي الحالة العادية ينفذ الضوء والأشعة تحت الحمراء من خلال هذا الزجاج شأنه شأن أي زجاج عادي، وعند تسليط جهد كهربائي على القطبين الخاصين بلوحي الزجاج، تنتقل أيونات الليثيوم والإلكترونات التي تعمل كحاملات شحنة نحو اللوح الآخر وتختزل الجسيمات النانوية كيميائياً، فيحدث إعتام للزجاج يؤدي إلى منع مرور الأشعة تحت الحمراء. وبتعديل مقدار الجهد الكهربائي يزداد الإعتام ويتم منع الضوء المرئي من المرور عبر الزجاج أيضاً. المبدأ الرئيس للنوافذ الذكية الكهرولونية يعتمد على تشتت البلورات النانوية وتجمعها حسب الجهد الكهربائي الذي تتعرَّض له. وهذه البلورات النانوية غير العضوية يتم مزجها مع مركبات عضوية خاصة تعمل على مساعدة تلك البلورات على التشتت في المذيبات، من دون أن يحدث لها تكتل يؤثر على خصائصها الكهربائية والضوئية. إن بلورات قصدير الأنديوم النانوية تتمتع بصفات كهرولونية جراء التعرض لأطوال موجية مختلفة، تتأكسد وتختزل كهروكيميائياً، وهذه العمليات قابلة للرجوع، إذ إنها تختزل عند امتصاصها للأشعة تحت الحمراء وتصبح معتمة، وعند التأكسد تصبح شفّافة، ولتعزيز هذه الصفات يتم الجمع بين بلورات أكسيد القصدير النانوية وأكسيد النيوبيوم من أجل تكوين مادة يمكن التحكم بمدى امتصاصها للضوء المرئي وللأشعة تحت الحمراء بطريقة كهروكيميائية. وهذه المادة التي يتم إنتاجها، وتجرى حالياً تجارب على هذه المادة من أجل استخدامها لإنتاج نوافذ ذكية تعمل على ضبط الحرارة والضوء المارين من خلالها. لقد بينت التجارب التي أجرتها “لورديز” وزملاؤها مدى إمكانية التحكم بإعتام هذا النوع من النوافذ الذكية التي ما زالت في مرحلة الاختبار، إلا أنه يلزم التخلص من قطب الليثيوم لأسباب تتعلَّق بالسلامة العامة واستخدام نوع آخر من الأقطاب الآمنة. ويذكر أن الباحثين في جامعة كوليدج في لندن استطاعوا تطوير نوافذ ذكية مزوّدة بطبقة رقيقة من ثاني أكسيد الفاناديوم تعمل على منع انتقال الحرارة من داخل المبنى إلى خارجه في الأيام الباردة، كما تمنع أشعة الشمس تحت الحمراء من الدخول من خلالها إلى المبنى. وإلى ذلك، فهي تمتاز أيضاً بخاصية منع قطرات الماء من الالتصاق بها، كما تمنع تجمع ذرات الغبار على الزجاج الخارجي وهذا يجعل تلك النوافذ ذاتية التنظيف جزئياً.

نوافذ تنتج الطاقة
وفي سياق متصل، كشف النقاب عن نوافذ ذكية ليست قادرة فحسب على التحكم بالضوء وحرارة الشمس المارين من خلالها، بل يمكنها أيضاً توليد التيار الكهربائي من خلايا شمسية مدمجة فيها، أو تقوم بتخزين الطاقة لتستخدمها الأجهزة الكهربائية الموجودة في المبنى. هذا الإنجاز العلمي الكبير طوَّره فريق من الباحثين من جامعة شانجهاي الصينية. ويوضح الباحث جاو يان فانج أنه قد تم استخدام جسيمات أكسيد الفناديوم بين لوحين من البولي كاربونات، حيث تتغيَّر الصفات الكيميائية لهذا المركب عند التعرض للشمس والحرارة، فعندما تكون الحرارة أقل من 20 درجة مئوية، تعمل المادة الموجودة في النافذة على تمرير الضوء والحرارة، وعندما تزداد درجة الحرارة أكثر من 20 درجة مئوية تعمل النافذة على عكس الأشعة تحت الحمراء. من جهة أخرى، استخدم باحثون تقنية النانو لصنع نوافذ يتغير لون زجاجها مع تغير شدة سطوع ضوء الشمس وفي الوقت نفسه تقوم بامتصاص وتخزين الطاقة لتشغيل الأجهزة الكهربائية في البيت، كشاشة التلفزيون وجهاز الكمبيوتر أو لشحن الهواتف النقالة وتشغيل أجهزة الإنذار. وتعرف هذه النوافذ الذكية المخزّنة للطاقة باسم (ESS Window (Energy storage smart window. وهي تصنع من مصفوفات من أسلاك من البولي أنالين النانوية المترسبة على طبقة شفّافة يتم تغليفها بطبقة من مادة موصلة للكهرباء. ويتميز البولي أنالين بكفاءته العالية وشفافيته ومرونته وخفّة وزنه وسهولة لفّه وطيّه، مما يجعله مناسباً للاستخدام في النوافذ الذكية، بالإضافة إلى رخص ثمنه وعمره التشغيلي الطويل نسبياً وقوة تحمله مما يجعله أيضاً مناسباً للاستخدام في نوافذ السيارات والحافلات للتحكم الدقيق بالأضواء الخارجية المنعكسة على الزجاج الأمامي وضبط الشفافية البصرية، وكذلك لتقليل كمية الأشعة تحت الحمراء التي تخترق زجاج المركبة في ساعات الظهيرة. وأعلن فريق من الباحثين من جامعة كاليفورنيا الأمريكية عن نجاحهم في تطوير نوع جديد من الخلايا الكهروضوئية البلاستيكية (Photovoltaics plastic) فائقة المرونة وقليلة التكلفة، يمكن دمجها في نوافذ المنازل والمحال التجارية أو تركيبها على واجهات البنايات لإنتاج الطاقة الكهربائية التي يمكن استغلالها لشحن الهواتف النقالة والأجهزة اللوحية والأجهزة الإلكترونية القابلة للحمل. وبيَّن عالم المواد بول اليفيساتوس أنه تم مزج نوع من البلاستيك الذي يمكنه إيصال التيار الكهربائي ويعرف باسم (P3HT) مع قضبان منمنمة مصنوعة من مواد نصف موصلة، ثم تم رش المزيج على قاعدة رقيقة أشبه بالفلم، وتم وضعها بين طبقتين موصلتين أحدها شفافة لتمرير الضوء، وهاتان الطبقتان تعملان كقطبين كهربائيين، الأمر الذي أدى إلى الحصول على خلية ضوئية هجينة من قضبان منمنمة وبوليمر يبلغ سمكها أقل من سمك شعرة جسم الإنسان. أما كفاءة هذه الخلايا الضوئية، فقد أوضح اليفيساتوس أن الباحثين يسعون إلى تحسين كفاءتها بشكل كبير، إذ إن الخلايا الضوئية التقليدية المستخدمة حالياً تبلع كفاءتها التحويلية نحو 20 بالمئة، أي إنه من كل 100 واط من الطاقة الشمسية، تنتج الخلية الشمسية 20 واط من الطاقة الكهربائية. في حين أن النوع الجديد من الخلايا تبلغ كفاءته ما بين 8 و 9 بالمئة فقط. وهذه نسبة قليلة، ولكن يمكن اعتبارها بداية جيدة لتكنولوجيا جديدة.

ليست ترفاً
تبرز أهمية النوافذ الذكية في بعض مناطق العالم أكثر من غيرها، وخاصة في الدول الحارة، كما في المباني الضخمة والأبراج العالية في المناطق الصحراوية. اذ إن استخدام الزجاج العادي فيها سيعمل على زيادة درجة حرارة البناء في الداخل إلى درجة قد تصبح غير صالحة للسكن، مما يستدعي تشغيل أنظمة التكييف التي تستهلك مقادير ضخمة من الطاقة. وهنا تبرز أهمية النوافذ الذكية التي تتحكم بالحرارة وبالأشعة تحت الحمراء وكذلك بالأشعة فوق البنفسجية الضارة بالإنسان، مما سيخفض فاتورة الطاقة، وأيضاً انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى المسببة لظاهرة الاحتباس الحراري. إن التكلفة العالية لتلك النوافذ حالياً تحدّ من استخدامها. ولكن شأنها شأن أي منجز تكنولوجي حديث، فإن زيادة الاهتمام العالمي بها سيخفض من تكلفة إنتاجها بشكل كبير، وسيضمن رواجها على نطاق واسع.