חוקרי אוניברסיטת בן-גוריון פיתחו חלון חכם – ממצב שקוף לאטום ללא צריכת חשמל

חוקרים מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב פיתחו טכנולוגיית חלון חכם היברידית המסוגלת לעבור ממצב שקוף לאטום בלחיצת כפתור ולשמור על המצב הנבחר לאורך זמן ללא צורך בהזנת חשמל רציפה.

המערכת המבוססת על גבישים נוזליים אינה תלויה באספקת מתח קבועה, ומהווה את אחד החידושים הבולטים בתחום היעילות האנרגטית בבנייה ירוקה ובכלי רכב בשנים האחרונות.

טכנולוגיית חלון חכם היא מערכת אופטית המאפשרת שליטה במעבר האור והחום דרך הזכוכית. שתי הטכנולוגיות הנפוצות בשוק כיום הן זכוכית אלקטרוכרומית (Electrochromic), המשמשת בעיקר בבנייני משרדים ומחשיכה בהדרגה תוך דקות ספורות, וזכוכית מבוססת יריעת PDLC, המוכרת ממחיצות פרטיות במשרדים ומגגות זכוכית ברכבים.

לכל אחת מהן יש מגבלה משלה. יריעת ה-PDLC היא אטומה במצב כבוי ודורשת אספקת מתח רציפה כדי להישאר שקופה, מה שהופך את השקיפות לצריכת חשמל מתמשכת, בעוד הזכוכית האלקטרוכרומית סובלת מזמן מעבר איטי בסדר גודל של דקות.

הפיתוח החדש מעניק פתרון לאחת המגבלות המרכזיות של חלונות חכמים קיימים, המחייבים צריכת חשמל קבועה על מנת להישאר במצב אטום או שקוף.

המנגנון שפותח במעבדת התקני גבישים נוזליים וננופוטוניקה על ידי פרופ' אברהים עבדולחלים והדוקטורנטית ניבין חוסיין מבוסס על פולס חשמלי קצר בלבד לצורך שינוי המצב.

איך עובדת טכנולוגיית הננו-סלילים

החידוש המרכזי במחקר טמון במבנה המולקולרי של החומר. החוקרים הצליחו לדחוס את המבנה הלולייני הטבעי של הגבישים הנוזליים לאורך פסיעה (helical pitch) קצר במיוחד של כ-100nm בלבד.

במצב זה, המולקולות מתארגנות מחדש במבנה של "ננו-סלילים" קשיחים בני 5-10 סיבובים בלבד.

הסלילים הזעירים מגיבים בדיוק רב לשינויים בתדר ובמתח החשמלי המופעל עליהם. הפעלה של תדר נמוך של 20Hz במתח של 40V גורמת למבנה הסלילי להתפזר למיקרו-אזורים אזורים זעירים בעלי כיוון שונה שמפזרים את האור במקום להעביר אותו ויוצרים בדרך זו מצב אטום.

לעומת זאת, הפעלה של תדר גבוה של 1kHz במתח של 60V מיישרת את הננו-סלילים ומחזירה את החלון למצב שקוף לחלוטין.

ברגע שהושג המצב המבוקש, הזרם החשמלי מנותק והזכוכית נשארת במצבה ללא פגיעה בשקיפות או באטימות שלה.

יציבות ארוכת טווח וזמני תגובה

בבדיקות מעבדה שבוצעו, מצב הזכוכית הנבחר נשמר ללא שינוי לאורך 96 שעות רצופות, ואף שמר על המאפיינים האופטיים שלו גם אחרי 30 ו-90 ימים ללא הזנת חשמל.

מדובר בשיפור ניכר לעומת טכנולוגיות מקבילות שהציגו ירידה ברמת האטימות או השקיפות תוך שעות ספורות.

זמן התגובה במעבר בין המצבים עומד על שבריר שנייה. לפי המדידות, מעבר למצב שקוף לוקח כ-0.21 שניות ומעבר למצב אטום כ-0.94 שניות.

ויסות תרמי ושימושים נוספים

מעבר לשליטה במעבר האור ובפרטיות, החלון ההיברידי משלב שכבת תחמוצת ונדיום (VO₂) הפועלת כרכיב חכם לוויסות תרמי פסיבי של קרינת השמש האינפרא-אדומה הנכנסת למבנה.

השילוב של שכבת ה-VO₂ מאפשר חסימה של מעבר חום עודף בעונת הקיץ, לצד אפשרות לחדירת חום בחורף. השילוב בין ויסות מעבר האור לבין השליטה התרמית הפסיבית מאפשר לטכנולוגיה לתת מענה גם להפחתת עומסי החימום והמיזוג במבנים.

מלבד יישום בחלונות חכמים עבור מבנים ובנייה ירוקה, המנגנון מתאים גם לשילוב בחלונות של כלי רכב.

בנוסף, בזכות השמירה על המצב האופטי ללא צריכת חשמל וזמן התגובה המהיר, הטכנולוגיה עשויה לשמש לפיתוח צגים הניתנים לכתיבה ומחיקה חוזרת, נייר אלקטרוני ושלטי מידע חסכוניים באנרגיה.

הצעד הבא

המחקר, שנתמך על ידי משרד האנרגיה, המים והתשתיות, פורסם בכתב העת Nanoscale Advances והוצג בכנס SPIE. כעת פועלת אוניברסיטת בן-גוריון לאיתור שותפים למסחור הפיתוח החדש.