Binaların ısıtılması ve soğutulması için harcanan enerjiyi azaltmayı amaçlayan araştırmalar, ısı depolayabilen yeni malzemelere odaklanıyor. Texas A&M Üniversitesi araştırmacılarının incelediği salojeller de bu alandaki umut vadeden seçeneklerden biri. Polimer jellerin içine hidratlı tuzların yerleştirilmesiyle elde edilen bu malzemeler, ısıyı depolayarak sıcaklık değişimlerini dengelemeyi hedefliyor.
Araştırmacıların ACS dergisinde yayımlanan çalışması, salojellerin gelişimini ve inşaat sektöründeki olası kullanım alanlarını ele alıyor. Bu malzemeler yalnızca binaların enerji tüketimini azaltmak için değil, farklı enerji uygulamalarında kullanılmak üzere de değerlendiriliyor.
Tuz ve polimer bir araya gelince
Salojellerin çalışma prensibi, buzun bir içeceği soğuk tutmasına benziyor. Buz erirken çevresinden ısı alıyor ancak erime süresince sıcaklığı artmıyor. Faz değiştiren malzemeler de katı halden sıvı hale geçerken ısıyı emiyor, yeniden katılaşırken depoladıkları ısıyı çevrelerine bırakıyor. Bu grupta uzun süredir kullanılan parafin gibi mumların yanı sıra, kristal yapılarında su barındıran hidratlı tuzlar da bulunuyor.
Araştırmacılar, hacim başına parafinin iki katından fazla ısı depolayabilen hidratlı tuzlara odaklanıyor. Bu tuzlar ayrıca yanmaya karşı dirençli ve görece düşük maliyetli olabiliyor. Örneğin kalsiyum klorür hekzahidrat, sodyum karbonat üretimi sırasında ortaya çıkan bir yan ürün olarak elde edilebiliyor.
Ancak hidratlı tuzların yapı malzemelerinde kullanılmasının önünde önemli bir engel bulunuyor: Tuzlar eridiğinde sıvılaşıp bulundukları yerden sızabiliyor ve bazen farklı katmanlara ayrılabiliyor. Mühendisler şimdiye kadar bu sorunu çözmek için tuzları gözenekli malzemelerin içine yerleştirmeyi veya kapsüllerle çevrelemeyi denedi. Bu yöntemlerde tuz oranı genellikle malzemenin % 70’inin altında kalırken kapsülleme işlemi de üretimi daha karmaşık hale getiriyor.
Salojeller ise tuzu yerinde tutmak için az miktarda polimer kullanıyor. Özellikle kırılıp yeniden oluşabilen tersinir bağlara dayanan türler, saf tuzun ısı depolama kapasitesinin yüzde 80 ila 95’ini koruyabiliyor. Üniversitenin Yumuşak Madde Araştırma Birimi’nden, çalışmanın yazarlarından Kartik Kumar Rajagopalan, bu yaklaşımın ısı depolamayı ve dönüştürmeyi bir araya getiren çok işlevli malzemeler tasarlama olanağı sunduğunu belirtiyor. Rajagopalan’a göre polimerlerin tuz hidratlarıyla moleküler düzeyde nasıl etkileştiğini anlamak, gerçek dünyadaki enerji uygulamalarına uygun özellikler geliştirilmesini sağlayabilir.
Klima sistemlerine veya su ısıtıcıları gibi cihazlara da entegre edilmesi planlanıyor
Araştırmacılar, salojellerin binalarda iki farklı biçimde kullanılabileceğini öngörüyor. İlk yaklaşımda malzeme çatı, duvar ve pencerelere yerleştirilerek gece ile gündüz arasındaki sıcaklık farklarından yararlanılıyor. İkinci yaklaşımda ise jeller, klima sistemleri veya su ısıtıcıları gibi modüllere entegre ediliyor.
Laboratuvar ve küçük ölçekli denemeler şimdilik olumlu sonuçlar veriyor. Bir model evde, sodyum asetat trihidrat içeren jel zemin altındaki üç boruya yerleştirildi. Depolanan ısının salınması, boruların biri, ikisi veya üçünün birden devreye alınmasıyla kontrol edilebildi. Başka bir deneyde ise üç boyutlu yazıcıyla üretilen bir evin duvarlarına salojel kaplama uygulandı. Kaplamalı evin içi, jel erirken aynı özelliklere sahip ancak kaplamasız bir eve göre belirgin biçimde daha serin; jel kristalleşirken ise daha sıcak kaldı.
Gündüz eriyerek saydamlaşıyor ve ısının emilmesine yardımcı oluyor
Pencerelerde kullanılması da araştırılan malzeme, gündüz eriyerek saydamlaşıyor ve ısının emilmesine yardımcı oluyor. Gece kristalleşirken depoladığı ısıyı dışarı bırakıyor ve opak hâle geliyor. Böylece aynı malzemenin hem sıcaklık düzenlemesine hem de ışık geçirgenliğinin değişmesine katkıda bulunması hedefleniyor.
Ticari bir ürüne dönüşmeden önce çözülmesi gereken sorunlar var
Araştırmacılar, sonuçlar umut verici olsa da teknolojinin yaygın kullanıma hazır olmadığını vurguluyor. Daha sert jellerin ısı depolama kapasitesi daha düşükken en fazla ısı depolayabilen jeller daha yumuşak bir yapıya sahip. Ayrıca bazı tuzlar, sıcaklık katılaşma için yeterince düşse bile sıvı kalabiliyor. Bu nedenle depolanan ısının istenen zamanda salınmasını sağlamak önemli bir sorun. Polimer ağının bu süreçteki rolü bilinse de mekanizmanın nasıl işlediği henüz tam olarak anlaşılmış değil.
Malzemenin nemden korunması, büyük ölçekte üretilebilmesi ve çok sayıda ısıtma-soğutma döngüsünden sonra dayanıklılığını koruması da araştırılması gereken konular arasında. Gerçek bir binada ne kadar enerji tasarrufu sağlayabileceği henüz bilinmiyor.
Bir sonraki aşamada araştırmacılar, hangi polimerin hangi tuz içinde çözünebileceğini tahmin etmek için benzetim yöntemlerinden ve yapay zekâdan yararlanmayı öneriyor. Erime sıcaklığı ayarlanabilen tuz karışımları, kendi başına ısı depolayabilen polimerler ve üç boyutlu baskı ile jel lifleri gibi yeni üretim yöntemleri de değerlendiriliyor. Uzun vadeli hedef, binaların içinde yıllarca kullanılabilecek, dayanıklı ve geri dönüştürülebilir bir malzeme geliştirmek.
Görsel: ACS Publications
