شهر هوشمند و نانوفناوری

شهر هوشمند (smart city)، چارچوبی زیرساختی است که با پذیرش فناوری‌های یکپارچه و خودکار اطلاعات و ارتباطات، به بهینه‌سازی تمامی عملیات‌های شهری کمک نموده و با ممکن نمودن دستیابی به پایداری بیشتر و کیفیت زندگی بهتر برای شهروندان، چالش‌های رو به رشد شهرنشینی را برطرف می‌کند.

به طور کلی، توسعه شهرهای هوشمند، نیازمند سیستم‌های حمل‌ونقل کارآمدتر و با آلودگی کمتر، ساختمان‌های مسکونی با قابل سکونت بیشتر و با نیاز کمتر به انرژی، ارائه خدمات عمومی بهتر در همه اقسام ممکن، از جمله گاز، آب، برق، دفع زباله و غیره می‌باشد. دستیابی به این هدف، مستلزم توسعه و استفاده از فناوری‌ها در چندین جبهه مختلف است. برخی از چالش‌های توسعه شهرهای هوشمند که نیازمند دست یاری فناوری‌های مختلف می‌باشد، عبارتند از:

• توسعه موادی سبک‌تر و با انعطاف‌پذیری بیشتر که در سیستم حمل‌و‌نقل یا ساختمان‌ها بکارگرفته شده و تولید آن‌ها به انرژی کمتری نیاز داشته باشد؛
• توسعه خودروهای الکتریکی با طراحی باتری‌های جدید یا توسعه فناوری‌های هیدروژنی؛
• طراحی وسایط نقلیه و سیستم‌هایی که امکان رانندگی خودران و هوشمند را فراهم می‌کنند؛
• طراحی و تولید مصالح ساختمانی مقاوم‌تر، با قابلیت خود ترمیمی که آلودگی هوا را از بین برده و به تصفیه هوای شهر کمک کنند؛
• توسعه مصالح ساختمانی جدید با قابلیت تولید انرژی فتوولتائیک، یا قادر به فیلتر کردن نور بر اساس روشنایی؛
• توسعه سیستم‌های روشنایی و سیگنالینگ کم مصرف؛
• ایجاد شبکه‌های گسترده‌ای از سنسورها که رصد ترافیک، فضاهای پارکینگ، دفع زباله، آلودگی هوا، گرده‌افشانی گیاهان، دما، تعداد عابران پیاده، رطوبت خاک در پارک‌ها و فضای سبز و غیره را به صورت لحظه‌ای و با دقت ممکن نماید؛
• توسعه شبکه‌ای از دستگاه‌های مختلف که قادر به تصمیم‌گیری خودکار و مستقل می‌باشند؛
• انجام عملیات پشتیبانی برای مسئولیت‌های مختلف کنترل و نظارت توسط سیستم‌های مبتنی بر پهپادها؛
• توسعه سیستم‌های ذخیره‌سازی و پردازش حجم عظیم داده‌های جمع‌آوری شده به منظور بهبود سیستم‌های اطلاعاتی، تصمیم‌گیری، مدیریت شبکه برق و شبکه آب، مشارکت شهروندان در مدیریت شهری و غیره.

تنها با مرور این فهرست، مشخص می‌شود که توسعه شهرهای هوشمند، با توسعه مواد و دستگاه‌های جدید، استفاده از شبکه‌های گسترده سنسورها، مدیریت حجم عظیمی از داده‌ها (بزرگ داده‌ها)، توسعه شبکه‌های ارتباطی بین اشیاء، تصمیم‌گیری (هوش مصنوعی)، امنیت داده‌ها و تمرکززدایی (بلاک‌چین) و طیف وسیعی از فناوری‌های هوشمند دیگر پیوند خورده است. این مسئله، به شکل‌گیری مفاهیم جدیدی مانند جاده‌های هوشمند و کارخانه‌های هوشمند هم منجر شده و با آن‌ها نیز ادغام می‌شود.

وقتی نوبت به فناوری نانو و توسعه نانومواد و دستگاه‌های نانویی جدیدی می‌رسد که شهرهای هوشمند می‌توانند از آن‌ها بهره‌مند شوند، حوزه‌های مختلفی وجود دارد که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• فناوری موج میلی‌متری برای گسترده نمودن شبکه‌های 5G در سطح شهر؛
• نانومواد مورد استفاده در ساختمان‌های هوشمند؛
• سنسورهای کوچک یا حتی گرد و غبار هوشمند برای فعال کردن اینترنت اشیاء در سطح شهر؛
• پنجره‌های هوشمند برای تنظیم آب و هوای داخل ساختمان‌ها؛
• سیستم‌های روشنایی هوشمند و کارآمد؛
• جاده‌های هوشمند و مولد انرژی؛
• باتری‌ها و خازن‌های با ظرفیت ذخیره‌سازی بالا و قابلیت بارگذاری سریع برای وسایط نقلیه الکتریکی و ذخیره از طریق انرژی‌های تجدیدپذیر؛
• فیلتراسیون و تصفیه آب؛
• سخت‌افزار تلفن‌های هوشمند که امکان اتصال ساکنین به شهر هوشمند را فراهم می‌کند.

در ادامه، برخی از پرکاربردترین حوزه‌های فناوری نانو در شهر هوشمند را مرور می‌کنیم.

شبکه‌های «5G»

شبکه 5G، با فراهم نمودن نرخ بالاتر انتقال داده، افزایش ظرفیت ترافیک، تأخیرات بسیار کم و تراکم اتصال بالا، فرصت‌های فوق‌العاده‌ای را در اختیار مبتکران شهری قرار داده که در تلاش برای ایجاد خدمات شهری هوشمند می‌باشند.

در ارتباط با اینترنت اشیاء (IoT) و ابزارهای مدیریت جمعیت، 5G باید اپراتورهای حمل‌و‌نقل را قادر نماید تا واکنش بهتر و بیشتری نسبت به ازدحام جمعیت داشته و با انتقل اطلاعات به مسافران، مسیرها و وسایط نقلیه را برای آن‌ها ایمن‌تر نماید. تخمین‌ها حکایت از آن دارند که تا سال 2030 میلادی، جهان شاهد اینترنت اشیاء با بیش از 75 میلیارد دستگاه متصل خواهد بود که اکثر آن‌ها به 5G نیاز دارند.

محققان نشان داده‌اند که ویژگی‌های گرافن چطور منجر به ارتباطات با پهنای باند فوق‌العاده و همراه با مصرف انرژی کم شده و نحوه انتقال داده‌ها را در سیستم‌های ارتباطی نوری به‌طور اساسی تغییر می‌دهد. این مسئله، می‌تواند دستگاه‌های ادغام‌شده با گرافن را به عنصری کلیدی در تکامل 5G و اینترنت اشیاء تبدیل نماید. علاوه بر این، محققان تولید دستگاه‌های فوتونیک مبتنی بر گرافن را در مقیاس‌های بسیار کوچک نشان داده‌اند که امکان اتوماسیون را فراهم نموده و راه را برای تولید در مقیاس‌های بزرگ‌تر هموار می‌کند.

در حال حاضر، برنامه‌هایی برای استفاده از محدوده زیر تراهرتز به عنوان محدوده کاری در فناوری بی‌سیم نسل ششم وجود دارد که احتمالاً برای اوایل دهه 2030 میلادی آماده ارائه می‌شود. همچنین، پیش از این محققان نانوپودرهای مغناطیسی را برای استفاده در دستگاه‌های گیرنده 6G توسعه داده‌اند.

سنسورهای مجهز به فناوری نانو

سنسورهای مورد استفاده برای جمع‌آوری داده‌ها که در انواع دستگاه‌ها تعبیه می‌شوند، در مرکز کاربردهای اینترنت اشیاء قرار می‌گیرند؛ حسگرهای سبک، نازک، مستحکم و انعطاف‌پذیری که به سادگی می‌توانند به طور یکپارچه با هر سطحی ادغام شوند، قابلیت‌هایی که در سنسورهای الکترومکانیکی معمولی به سختی قابل دسترسی می‌باشند.

سنسورهای بی‌سیم، چه الکترونیکی و چه فوتونیک (مبتنی بر نور)، می‌توانند عوامل محیطی مانند رطوبت، دما و فشار هوا را کنترل کنند. یکی از مثال‌های استفاده از حسگرهای در دستگاه‌های اینترنت اشیاء، سنسورهای بی‌سیم کاملاً یکپارچه بوده که قابلیت استفاده برای برنامه‌های نظارت بر محیط زیست را دارا می‌باشند. نمونه دیگر، حسگرهای گرافنی تعبیه شده در RFIDها هستند که برای سنجش رطوبت استفاده می‌شوند.

گرد و غبار هوشمند، یکی دیگر از پیش‌بینی‌هایی است که در آینده می‌تواند عملیاتی شود. ابری از سنسورها را تصور کنید که هر یک از آن‌ها در اندازه یک دانه نمک یا حتی کوچک‌تر بوده و توسط بادهای طوفانی جابجا شده و داده‌های مربوط به طوفان را به ایستگاه‌های هواشناسی منتقل می‌کنند. همچنین شبکه‌ای از حسگرهای نامرئی تعبیه شده در جاده‌های شهر هوشمند را تصور کنید که نظارت بر ترافیک، آسیب‌های سطح جاده و شناسایی مکان‌های موجود برای پارک کردن را ممکن می‌سازند. یا میلیاردها نانوحسگر که در مناطق در خطر آتش‌سوزی توزیع شده تا آتش را در همان ابتدا تشخیص دهند. یا گرد و غبار هوشمند قابل برنامه‌ریزی را تصور کنید که با شناسایی ریزترک‌های نامرئی در یک پره توربین، یک سیگنال هشدار ارائه می‌کنند.

نانومواد مورد استفاده در صنعت ساختمان

بر اساس برآوردهای صورت گرفته، نانوتکنولوژی تأثیر بسزایی در بخش ساخت‌و‌ساز داشته و کاربردهای متعددی برای این بخش خاص پیش‌بینی شده است. از جمله این کاربردها، می‌توان به استفاده از این فناوری برای بهبود دوام و عملکرد اجزای ساختمانی، بهره‌وری انرژی، ایمنی ساختمان‌ها، تسهیل تعمیر و نگهداری و افزایش آسایش ساکنین شهرهای هوشمند اشاره نمود.

نانوذرات TiO2، Al2O3 یا ZnO، نمونه‌هایی از دستاوردهای فناوری نانو هستند که می‌توانند به‌عنوان یک پوشش نهایی بر روی سرامیک‌های ساختمانی اعمال شده و ویژگی‌های خاصی را بر روی این سطوح ایجاد نمایند. TiO2 به دلیل توانایی برای شکستن کثیفی یا آلودگی هنگام قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش و سپس شستشوی آن توسط آب باران، قابل اعمال بر روی سطوح مختلفی مانند کاشی‌ها، شیشه‌ها و لوازم بهداشتی می‌باشد. ZnO برای داشتن مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش، در پوشش‌ها و رنگ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. ذرات نانویی آلومینا نیز برای مقاوم کردن سطوح در برابر خراش و همچنین جلوگیری از ایجاد بوی بد و قارچ‌ها استفاده می‌شوند.

مصالح ساختمانی مانند سیمان، بتن و فولاد نیز از فناوری نانو بهره‌مند خواهند شد. افزودن نانوذرات، منجر به افزایش استحکام و دوام بتن شده و همچنین قابلیت خود ترمیم‌شوندگی، تصفیه‌ هوا، مقاومت در برابر آتش، تمیز شدن آسان و تراکم سریع بتن را به ارمغان می‌آورد. از نانوذراتی مانند نانو سیلیس (میکروسیلیس)، فلزات نانوساختار، نانولوله‌های کربنی (CNTs) و نانوالیاف کربن (CNF)، می‌توان برای ایجاد این ویژگی‌ها استفاده نمود. اگر با آینده‌نگری بیشتر به این مسئله نگاه کنیم، با افزودن نانومواد مهندسی شده که ساختار کریستالی بتن را تغییر می‌دهند، طراحی‌های معماری جدیدی امکان‌پذیر شده و قابلیت ساخت ساختمان‌ها با ارتفاعات و فرم‌های جدید نیز فراهم می‌شود.

در حال حاضر، محققان امکان تقویت بتن را با تزریق نانوکریستال‌ها یا با نانومهندسی بتن با استفاده از گرافن نشان داده‌اند که منجر به ماده مرکب جدیدی شده که نسبت به بتن‌های معمول، بیش از دو برابر مستحکم‌تر بوده و چهار برابر مقاوم‌تر در برابر آب می‌باشد.

مواد فتوولتائیک

شرایطی را تصور کنید که طیف گسترده‌ای از مواد فتوولتائیک مبتنی بر سلول‌های خورشیدی مختلف مولکولی، آلی، پلیمری، حساس به رنگ و کلوئیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی، کلیه سطوح افقی و عمودی ساختمان‌ها را پوشش دهند. آن‌ها با طراحی‌های نانویی چندمنظوره، نور را جذب کرده و آن را به الکتریسیته مورد نیاز برای ساختمان‌ها و زیرساخت‌های شهری تبدیل نموده و در شب نیز، دوباره نور مرئی را برای ساختمان‌ها و محیط اطراف خود ساطع می‌کنند.

باید در نظر داشت که این خودروها و ترافیک وسایط نقلیه نیست که بیشترین حجم انتشار گازهای گلخانه‌ای را به دنبال دارند، این خانه‌های خود ما هستند که این کار را انجام می‌دهند. نانوتکنولوژی موظف است که به همه این‌ها پایان دهد. در حال حاضر، بخش ساختمان مسئول 40 درصد از مصرف جهانی انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای است. با این حال، در آینده ما شروع به مشاهده مصالح ساختمانی و سیستم‌های مبتنی بر فناوری‌های پیشرفته‌ای می‌کنیم که در پوسته‌های ساختمانی ادغام شده و به طور خاص برای اصلاح این وضعیت طراحی شده‌اند. سیستم‌هایی که هوشمند و چندمنظوره بوده، مصرف انرژی کمتری دارند و مقادیر کمتری از انتشار گازهای مضر گلخانه‌ای را به دنبال خواهند داشت.

به عنوان مثال، مواد عایق ساخته شده از نانوکره‌ها (nanospheres)، باعث کاهش ضخامت مواد عایق می‌شوند. در حالی که مواد عایق استاندارد مانند پشم‌های معدنی دارای هدایت در محدوده 35 میلی‌وات بر متر می‌باشند، نانوکره‌ها ممکن است مقادیری کمتر از 20 میلی‌وات بر متر را نشان دهند که کمتر از هدایت حرارتی هوا است.

سلول‌های خورشیدی که در پنل‌هایی روی سقف و دیوارها نصب می‌شوند، مربوط به گذشته خواهند بود. در عوض، آن‌ها با سلول‌های خورشیدی لایه‌نازک و ارزان قیمتی ادغام می‌شوند که در کاشی‌های سقف و همچنین پوشش دیوار خارجی قرار می‌گیرند. این کار، منجر به صرفه‌جویی در مصالح ساختمانی و هزینه‌های ساخت‌و‌ساز و همینطور کاهش قبوض برق می‌گردد.

از میان حدود 75 میلیارد دستگاه اینترنت اشیاء که تا سال 2025 نصب می‌شوند، اکثر آن‌ها در داخل خانه‌ها قرار می‌گیرند. نصب گسترده این دستگاه‌ها، مستلزم مستقل شدن آن‌ها بوده و این بدین معنا است که دیگر نیازی به باتری یا اتصال به شبکه برای کار نداشته باشند. برای دستیابی به این هدف، شناسایی یک منبع انرژی محلی که تعمیر و نگهداری کمی نیاز داشته باشد و در عین حال، برق مورد نیاز را به ویژه در شرایط محیطی خاص هر کدام از آن‌ها تأمین کند، بسیار مهم است. برای این منظور، محققان سلول‌های فتوولتائیک داخلی جدیدی را توسعه داده‌اند که می‌تواند تا 34 درصد از نور مرئی را به الکتریسیته تبدیل نموده و قابلیت تأمین انرژی مورد نیاز برای طیف وسیعی از حسگرهای اینترنت اشیاء را دارا می‌باشد.

استفاده گسترده از نانومواد مهندسی شده در شهر هوشمند

انتظار می‌رود که نانومواد مهندسی شده، به طور گسترده‌ای در محیط‌های شهری مورد استفاده قرار گیرند. با استفاده از غشاهای نانوساختار در نیروگاه‌ها، ساختمان‌ها و وسایط نقلیه، دی‌اکسید‌کربن و سایر آلاینده‌های هوا کاهش می‌یابد. آب‌های برگشتی، به کمک سیستم‌های فیلتراسیون و اسمز مجهز شده به فناوری نانو تصفیه می‌شوند. به عنوان مثال، از غشاهای نانوفیلتراسیون برای تصفیه فاضلاب‌های صنعتی از فلزات سنگین استفاده شده و همچنین این سیستم‌ها برای مصارف خانگی و تصفیه آب شهری محلی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

به عنوان مثالی دیگر، گرافن برای از بین بردن آلاینده‌ها از آب برتری بالایی داشته و محققان پیش از این به استفاده از آئروژل‌های گرافن چاپ سه‌بعدی‌شده برای تصفیه آب اشاره نموده‌اند.

همانطور که مثال‌های بالا به وضوح نشان داده شد، مواد و دستگاه‌های مجهز به فناوری نانو، نقش مهمی در بخش‌هایی مانند الکترونیک، ارتباطات، ساخت‌وساز و انرژی خواهند داشت که همه این موارد، زمینه‌هایی کلیدی برای پیاده‌سازی شهرهای هوشمند می‌باشند.

مرجع: «Nanowerk»