در دنیای امروز، توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر دیگر تنها یک انتخاب زیست‌محیطی نیست، بلکه ضرورتی برای آینده‌ای پایدار است. یکی از چالش‌های اصلی در مسیر گسترش انرژی خورشیدی، محدودیت‌های طراحی و زیبایی‌شناسی پنل‌های خورشیدی سنتی است. اینجاست که پروژه‌ای نوآورانه با نام HelioSkin در دانشگاه کرنل، با نگاهی الهام‌گرفته از طبیعت، این چالش را به فرصتی هیجان‌انگیز بدل کرده است.
پیوند معماری، زیست‌شناسی و فیزیک
پنل‌های فتوولتائیک می‌توانند بیش از موادی که آنها را تشکیل می‌دهند، وجود داشته باشند. خود طراحی می تواند گسترۀ فناوری خورشیدی را افزایش یا به طور بالقوه کاهش دهد. به صراحت می‌توان گفت که بیشتر پنل‌های خورشیدی چندان قابل بررسی نیستند. ترکیب مسطح و غیر قابل انعطاف آنها بدین معنیست که فقط می توانند به ساختارهای مسطح متصل شوند. حال تصور کنید پانل‌های فتوولتائیک، پارچه‌ای لولایی و سبک وزن باشند که نه تنها از نظر زیبایی شناسی جذاب بوده و شکل‌های پیچیده هندسی ایجاد کنند بلکه این فرم هندسی سطح بیشتری را برای جذب نور خورشید ایجاد کند. ایدۀ HelioSkin از همین‌جا شکل گرفت؛ پروژه‌ای میان‌رشته‌ای به رهبری جنی سبین، استاد معماری دانشکده «معماری، هنر و برنامه‌ریزی» که با همکاری ایتای کوهن، استاد فیزیک دانشکده «هنر و علوم پایه»، آدرین روئدر، استاد زیست‌شناسی گیاهی دانشکده «علوم کشاورزی و زیستی یکپارچه» و در شاخه تحقیقاتی زیست سلولی و مولکولی انستیتو وایل، دانشگاه کرنل انجام شد. آنها با الهام از گیاهان که نور خورشید را دنبال می‌کنند، به طراحی یک پوشش خورشیدی انعطاف‌پذیر، سبک و زیبا پرداخته‌اند که می‌تواند همانند برگ‌های زنده، شکل خود را برای جذب بهتر نور تغییر دهد.
جنی سبین می‌گوید: «چیزی که ما واقعا به آن علاقه داریم، این است که چگونه این سیستم می‌تواند به صورت غیرفعال انرژی تولید کرده و فضایی دگرگون شونده را در موقعیت شهری و روستایی ایجاد کند. در اینجا پایداری در عملکرد و کارایی پدیدار می‌شود اما به همان اندازه، زیبایی HelioSkin و ترغیب مردم به استفاده از انرژی خورشیدی اهمیت دارد. هدف بزرگ ما الهام بخشیدن به جامعه و پذیرش گستردۀ انرژی خورشید و پیامدهای اجتماعی آن است.»
زیبایی، انعطاف و عملکرد
پنل‌های سنتی خورشیدی اغلب سنگین، سفت و محدود به سطوح تخت هستند اما HelioSkin همانند یک پارچه قابل انعطاف، به گونه‌ای طراحی شده که بر روی سطوح پیچیده نیز قابل نصب باشد؛ از نمای ساختمان‌ها گرفته تا سقف‌های جمع‌شونده و فضاهای باز مانند پارک‌ها و حیاط‌ها. این سیستم می‌تواند علاوه بر تولید انرژی، در طراحی فضاهای شهری نقشی فعال ایفا کند، از ایجاد سایه و نورپردازی هوشمند گرفته تا زیباسازی نمای ساختمان‌ها.
الهام از حرکت گیاه Arabidopsis
در طراحی این فناوری، از تخصص روئدر در هلیوتروپیسم و مورفوژنسیس سلولی، یعنی نحوه رشد سلول‌های گیاهی برای خم کردن گیاه به سمت خورشید و تخصص کوهن در استفاده از روش‌های هندسی مانند اوریگامی (تا زدن هندسی) و کریگامی (برش زدن هندسی) برای بهبود عملکرد مکانیکی فرامواد و افزایش انعطاف‌پذیری بسیار کم آنها استفاده شد. به گفته روئدر گیاه آرابیدوپسیس گلدار (Arabidopsis) یک مدل ایده‌آل برای هلیو اسکین است زیرا مطالعه آن در سطح سلولی آسان است. هورمون‌های آرابیدوپسیس باعث می‌شود سلول‌های گیاه در سمت بدون آفتاب تا ۲۵ درصد منبسط شده و ساقه را ۹۰ درجه به سوی خورشید خم کنند. دانشمندان موفق شدند این سازوکار زیستی را به الگوریتم‌های طراحی معماری منتقل کنند. روئدر می‌گوید: «ما متوجه شده‌ایم که چگونه مکانیسم حرکتی سلول‌های آرابیدوپسیس را در نرم‌افزار معماری جنی سبین ترجمه کنیم. اکنون زمان انتقال این مکانیسم به HelioSkin است.»
طراحی پارچه‌های خورشیدی هوشمند
در نهایت ترکیبی از طراحی دیجیتال، چاپ سه‌بعدی، اوریگامی و کریگامی ساختاری منعطف و قابل تنظیم خلق کرد که نه تنها انرژی خورشید را جذب می‌کند، بلکه نمایی پویا و خلاق به فضا می‌بخشد. طرحی که امکان دارد در آینده به تولید پنل‌های منطبق با سلیقه مشتری، با الگوها و رنگ‌های متغیر بینجامد.
از آزمایشگاه تا کاربرد شهری
این پروژه با حمایت مالی بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF)، در قالب برنامه Convergence Accelerator توسعه یافته، در فاز اول مشمول دریافت ۶۵۰ هزار دلار شده است. شرکای صنعتی پروژه،E Ink و Rainier Industries، به ادغام فتوولتائیک و کاغذ الکترونیکی روی این محصول معماری کشسان و سبک وزن کمک می‌کنند. در فاز دوم، تیم درخواست بودجه 5 میلیون دلار در طی سه سال را داده و SunFlex شرکتی که از فناوری ماژول‌های خورشیدی با اتصالات پشتی جوش‌خورده لیزری استفاده می‌کند، در فاز دوم به بهبود نمونه‌های اولیه کمک خواهد کرد به عنوان مثال در بخش حسگرها، سیم‌کشی، چیدمان پنل‌ها و طراحی هندسی و زیرلایه‌ها. نمونه‌های اولیه برای استفاده در حیاط خانه‌ها، پارک‌ها و فضاهای عمومی در حال ساخت است اگرچه هدف نهایی، توسعه یک پوسته خورشیدی مکانیکی برای سازه‌های بزرگ مانند استادیوم‌ها، سقف‌های متحرک و برج‌های شهری است. در راستای طرح تجاری سازی پروژه، تجزیه و تحلیل، بازاریابی و مصاحبه‌های گسترده‌ای انجام گرفته که نشان می‌دهد، هزینه ناخالص HelioSkin، به ازای هر وات و ظرفیت سیستم، با محصولات فتوولتائیک موجود قابل رقابت است.
مصالح زنده برای معماری زنده
HelioSkin نمونه‌ای برجسته از آینده مصالح ساختمانی است؛ مصالحی که دیگر تنها پوششی بی‌جان برای سازه نیستند: واکنش نشان می‌دهند، انرژی تولید می‌کنند و زیبایی می‌آفرینند. این پروژه نشان می‌دهد با ترکیب علم و طراحی، می‌توان عملکرد و تجربه انسانی از فضا را متحول ساخت.
جهت دسترسی به تصویرگری‌های علمی بیشتر به نسخه چاپی یا آنلاین مجله مراجعه بفرمایید: samair.ir/150916
source