پژوهشگران با کمک مکانیک کوانتومی و یادگیری ماشین یک پوشش شیشه شفاف توسعه داده‌اند که نور مرئی را عبور می‌دهد، اما نورهای گرم‌کننده فرابنفش و فروسرخ را مسدود می‌کند. این پوشش فارغ از موقعیت خورشید در آسمان، دمای اتاق را کاهش می‌دهد و باعث صرفه‌جویی در انرژی مصرفی مربوط به وسایل خنک‌کننده می‌شود.

در روزهای گرم، بالغ بر ۸۷ درصد گرمای اتاق از پنجره‌ها می‌آید. تابش فرابنفش به‌سادگی از شیشه‌ها عبور می‌کند و اتاق را گرم می‌کند. در نتیجه نیاز به روشن کردن دستگاه تهویه یا مسدود کردن کامل نور (و در نتیجه منظره پنجره) ایجاد می‌شود.

پژوهشگران دانشگاه نوتردام آمریکا یک پوشش پنجره توسعه داده‌اند که نورهای فرابنفش و فروسرخ را مسدود می‌کند و تنها نور مرئی را وارد اتاق می‌کند. این پوشش مانند عینک‌های آفتابی پولاروید است، اما در زوایای مختلف همچنان شفاف می‌ماند.

یکی از معایب پوشش‌های فعلی پنجره‌ها این است که برای تابش ۹۰ درجه‌ای نور بهینه شده‌اند. پس توانایی آن‌ها برای مسدود کردن نور با حرکت خورشید در آسمان کم می‌شود. در ظهرهای گرم تابستانی، نور خورشید با زاویه مایل به این پوشش‌ها می‌تابد و همچنان اتاق را به میزان قابل‌توجهی گرم می‌کند.

ساخت پوشش شیشه کارآمد

پژوهشگران دانشگاه نوتردام شیشه خود را با استفاده از ساختارهای فوتونیک چند لایه‌ای صفحه‌ای (PML) ساخته‌اند. این ساختار شامل لایه‌های فوق‌نازک است که ضریب‌های شکست متفاوتی دارند؛ در نتیجه نور با توجه به طول موج خود از شیشه عبور می‌کند یا منعکس می‌شود.

این پوشش جدید شامل لایه‌های سیلیکا، آلومینا و تیتانیم اکسید روی یک پایه شیشه‌ای است که روی آن‌ها یک لایه پلیمر سیلیسیم پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS) برای بازتاب تابش گرمایی می‌نشیند. این پوشش می‌تواند تابش‌های گرم‌کننده را با هر زاویه‌ای منعکس کند.

پژوهشگران به‌جای استفاده از روش سعی و خطا، پوشش جدید خود را با کمک یک مدل یادگیری ماشین برپایه رایانش کوانتومی ساختند. این مدل از نوع مدل یادگیری فعال است که الگوریتم آن به کاربر اجازه می‌دهد داده‌ها را حین پردازش برچسب بزند، و از تبرید کوانتومی برای یافتن ترکیب بهینه اجزا استفاده می‌کند.

این روش یادگیری ماشین به پژوهشگران کمک کرد تا ترکیب ساختارهای PML را بدون نیاز به سعی و خطا و با مزیتی مطلق نسبت به الگوریتم‌های متداول، بهینه‌سازی کنند.

پژوهشگران با استفاده از نتایج، یک پوشش شفاف ساختند که نورها را به‌صورت انتخابی عبور می‌دهد یا منعکس می‌کند. آن‌ها این پوشش را در اتاق‌هایی در فضای باز آزمایش و با شیشه‌های معمولی مقایسه کردند. شیشه پوشیده‌شده عملکردی قابل‌توجه داشت و توانست در بازه بزرگی از زوایای تابش، دما را بین ۵٫۴ تا ۷٫۲ درجه سلسیوس کاهش دهد.

آن‌ها همچینن نشان دادند که تمام شهرهای آمریکایی در صورت استفاده از این پوشش‌ها می‌توانند سالانه بالغ بر ۹۷٫۵ مگاژول بر مترمربع انرژی صرفه‌جویی کنند.

پژوهشگران پیش‌بینی می‌کنند که این پوشش کاربردهای فراوانی داشته باشد؛ از جمله در ساختمان‌های تجاری و مسکونی، و در خودروها. قدم بعدی آن‌ها این است که پوشش خود را برای تولید انبوه با قیمت ارزان آماده کنند.

خبرکاو