به گزارش نشریه دنیای نفت و قیر، اروپا پروژه پژوهشی تازه‌ای را آغاز کرده است که بررسی می‌کند آیا روسازی آسفالتی می‌تواند علاوه بر زیرساخت حمل‌ونقل، به یک مبدل فصلی انرژی نیز تبدیل شود و گرمای جذب‌شده در دوره‌های گرم را جمع‌آوری، منتقل و در زمان دیگری دوباره استفاده کند. پروژه TARS با عنوان «جاده‌های ترموفعال برای گرمایش و سرمایش پایدار» از اول اکتبر ۲۰۲۶ آغاز شده است و تا ۳۰ سپتامبر ۲۰۲۸ ادامه خواهد داشت و هدف آن ایجاد شناخت مهندسی دقیق‌تر از روسازی‌هایی است که شبکه لوله‌های حامل سیال در داخل یا زیر ساختار آنها قرار می‌گیرد.
اساس این فناوری ساده به نظر می‌رسد، اما اجرای مهندسی آن بسیار پیچیده است. در فصل گرم، سیال درون لوله‌های مدفون می‌تواند بخشی از گرمای جذب‌شده توسط سطح آسفالت را از روسازی خارج کند و برای مصرف مستقیم یا ذخیره‌سازی به سامانه دیگری انتقال دهد. در دوره سرد نیز همان شبکه می‌تواند گرما را به روسازی بازگرداند و به این ترتیب جاده از یک سطح غیرفعال که فقط تحت تأثیر تغییرات طبیعی دما قرار می‌گیرد، به یک سامانه تبادل حرارتی دوطرفه تبدیل شود.
اهمیت این ایده از یکی از ویژگی‌های طبیعی آسفالت ناشی می‌شود. سطوح تیره آسفالتی مقدار زیادی از تابش خورشیدی را جذب می‌کنند و در تابستان می‌توانند به دماهای بسیار بالا برسند؛ شرایطی که فشار حرارتی روسازی را افزایش می‌دهد، بعضی فرآیندهای پیرشدگی را تشدید می‌کند و می‌تواند احتمال تغییرشکل دائمی را بالا ببرد. روسازی ترموفعال تلاش می‌کند بخشی از همین بار حرارتی را به منبع قابل استفاده انرژی تبدیل کند و گرما را پیش از باقی ماندن در لایه‌های آسفالتی یا بازگشت به محیط خارج کند.
کاهش دمای روسازی در فصل گرم ممکن است مزیت دیگری نیز ایجاد کند. اگر دمای اوج لایه‌های آسفالتی کنترل شود، احتمال برخی خرابی‌های ناشی از گرما می‌تواند کاهش پیدا کند و دوام روسازی افزایش یابد. در فصل سرد نیز می‌توان گرمای ذخیره‌شده یا گرمای تأمین‌شده از یک منبع بیرونی را در لوله‌ها به گردش درآورد و دمای جاده را افزایش داد. با این حال پروژه فعلی یک سامانه تجاری آماده برای ذوب برف یا گرم‌کردن جاده معرفی نمی‌کند و در مرحله نخست به دنبال آن است که مشخص کند چنین فناوری‌ای از نظر سازه‌ای و حرارتی در طول عمر روسازی قابل اعتماد خواهد بود یا خیر.
هماهنگی پروژه را École Nationale des Ponts et Chaussées فرانسه بر عهده دارد و Université Gustave Eiffel و Imperial College London نیز در آن مشارکت دارند. این طرح از طریق برنامه Marie Skłodowska-Curie در چهارچوب Horizon Europe حمایت می‌شود و سهم مالی اتحادیه اروپا در آن حدود ۲۴۲ هزار و ۲۶۱ یورو است. بنابراین TARS را باید یک پروژه پژوهشی متمرکز دانست و نه آغاز نصب گسترده سامانه‌های گرم‌کننده و خنک‌کننده در شبکه جاده‌ای اروپا.
تفاوت اصلی این پروژه با نمایش‌های اولیه فناوری در همین موضوع قرار دارد. مطالعات قبلی نشان داده‌اند که می‌توان با گردش سیال در لوله‌های مدفون، گرما را از روسازی استخراج کرد یا سطح جاده را گرم کرد، اما مسئله دشوارتر این است که این سامانه در برابر بار تکراری ترافیک، تغییرات فصلی دما و سال‌ها بهره‌برداری نیز دوام داشته باشد. انتقال موفق گرما به‌تنهایی برای تبدیل فناوری به زیرساخت جاده‌ای کافی نیست.
قرار دادن لوله در داخل روسازی ساختار مکانیکی جاده را تغییر می‌دهد و می‌تواند در اطراف لوله‌ها تفاوت‌هایی در سختی، دما و توزیع تنش ایجاد کند. اگر آرایش شبکه باعث تمرکز تنش، ترک‌خوردگی یا تغییرشکل در اثر عبور مکرر خودروها شود، حتی یک سامانه بسیار مؤثر از نظر انتقال حرارت نیز برای کاربرد واقعی مناسب نخواهد بود. به همین دلیل پروژه TARS یک مدل ترمومکانیکی یکپارچه توسعه می‌دهد تا جریان گرما و رفتار سازه‌ای روسازی را به‌صورت هم‌زمان بررسی کند.
این رویکرد برای آسفالت اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا رفتار قیر به‌شدت به دما وابسته است. با افزایش دما، قیر نرم‌تر می‌شود و حساسیت مخلوط به تغییرشکل دائمی می‌تواند افزایش یابد، در حالی که در دماهای پایین‌تر قیر سخت‌تر می‌شود و احتمال ترک‌خوردگی حرارتی بیشتر می‌شود. بنابراین وارد یا خارج کردن گرما فقط دمای سطح جاده را تغییر نمی‌دهد و می‌تواند وضعیت مکانیکی کل لایه آسفالتی را نیز تحت تأثیر قرار دهد.
پژوهش از ترکیب مدل‌سازی چندفیزیکی و چندمقیاسی، مشخصه‌یابی روسازی، آزمایش‌های آزمایشگاهی و شبیه‌سازی عددی استفاده خواهد کرد. یکی از اهداف آن نیز توسعه یک فرامدل جانشین است که بتواند عملکرد حرارتی بلندمدت را بدون نیاز به اجرای شبیه‌سازی‌های بسیار سنگین برای هر سناریو تخمین بزند. چنین ابزاری می‌تواند در آینده امکان بررسی سریع‌تر متغیرهایی مانند عمق لوله، فاصله شبکه، دمای سیال، سرعت جریان، اقلیم و ترکیب روسازی را فراهم کند.
هر یک از این متغیرها میان عملکرد حرارتی و دوام سازه‌ای مصالحه‌ای ایجاد می‌کنند. لوله‌ای که به سطح نزدیک‌تر باشد احتمالاً گرما را بهتر دریافت می‌کند، اما در معرض تنش بیشتری ناشی از ترافیک و عملیات ساخت قرار می‌گیرد. قرار دادن لوله در عمق بیشتر می‌تواند حفاظت سازه‌ای را افزایش دهد، اما انتقال انرژی را ضعیف‌تر کند. شبکه متراکم‌تر نیز می‌تواند تبادل گرما را بهبود دهد، اما هم‌زمان هزینه مصالح، اجرا و تعمیرات را بالا ببرد و تعداد بیشتری ناحیه حساس در داخل روسازی ایجاد کند.
به همین دلیل پروژه، روسازی ترموفعال را نه یک آسفالت معمولی با چند لوله، بلکه یک سامانه یکپارچه «روسازی–انرژی» در نظر می‌گیرد. دمای سیال، شدت استخراج گرما و اختلاف دمای ایجادشده باید با رفتار مکانیکی مصالح سازگار باشند. برداشت انرژی بیشتر زمانی ارزشمند است که در مقابل باعث کاهش عمر روسازی یا افزایش خرابی سازه‌ای نشود.
بخش مهم دیگری از پژوهش به ارزیابی چرخه عمر کامل سامانه اختصاص دارد. نمی‌توان یک جاده را فقط به این دلیل که گرمای تجدیدپذیر جمع‌آوری می‌کند پایدار دانست؛ هزینه زیست‌محیطی تولید لوله‌ها، نصب شبکه، مصرف انرژی پمپ‌ها، ذخیره حرارت، نگهداری و بازسازی نهایی جاده نیز باید در محاسبات وارد شوند. اگر اجرای سیستم به افزایش چشمگیر اثرات ساخت یا کوتاه شدن عمر روسازی منجر شود، بخشی از مزیت انرژی آن از بین خواهد رفت.
در مقابل، اگر تنظیم فعال دما بتواند اوج گرمای تابستان را کاهش دهد، عمر روسازی را افزایش دهد یا نیاز به عملیات زمستانی را کم کند، منفعت اقتصادی و زیست‌محیطی سامانه ممکن است بسیار فراتر از ارزش خود گرمای بازیابی‌شده باشد. همین ارتباط میان برداشت انرژی و دوام روسازی یکی از جذاب‌ترین جنبه‌های فناوری محسوب می‌شود، زیرا شبکه جاده‌ای سطح بسیار بزرگی را از قبل در اختیار دارد و اگر همان زیرساخت بتواند بدون کاهش کارایی حمل‌ونقل نقش حرارتی نیز ایفا کند، یک دارایی واحد دو کارکرد خواهد داشت.
جاده ترموفعال برخلاف پنل خورشیدی در درجه نخست برق تولید نمی‌کند و نقش آن بیشتر جمع‌آوری انرژی حرارتی است. آسفالت تابش خورشید را جذب می‌کند، گرما از طریق سیال منتقل می‌شود و سپس می‌توان آن را مستقیماً مصرف کرد یا برای استفاده بعدی ذخیره کرد. با این حال پروژه فعلی هنوز ثابت نکرده است که یک جاده مشخص می‌تواند از نظر اقتصادی تعداد معینی خانه یا ساختمان را گرم کند، زیرا چنین ارزیابی‌ای به مساحت روسازی، اقلیم، روش ذخیره‌سازی، تلفات انرژی، دمای کار و میزان تقاضای حرارتی بستگی دارد.
بنابراین هدف فعلی TARS بنیادی‌تر از ایده «گرم‌کردن ساختمان‌ها با جاده» است. پروژه می‌خواهد مشخص کند آیا می‌توان از روسازی گرمای قابل استفاده استخراج کرد و در عین حال دوام مکانیکی و پایداری زیست‌محیطی سیستم را در کل چرخه عمر حفظ کرد. تنها پس از اثبات این پایه مهندسی می‌توان درباره کاربردهای تجاری خاص تصمیم دقیق‌تری گرفت.
رفتار بلندمدت نیز نقش تعیین‌کننده‌ای خواهد داشت، زیرا خصوصیات آسفالت با گذشت زمان ثابت نمی‌مانند. اکسیداسیون به‌تدریج قیر را سخت‌تر می‌کند و لوله‌ها و نواحی اطراف آنها نیز در معرض انبساط و انقباض مکرر حرارتی قرار می‌گیرند. سامانه‌ای که در یک آزمایش کوتاه عملکرد خوبی دارد ممکن است پس از چند سال ترافیک، پیرشدگی قیر و چرخه‌های فصلی رفتار کاملاً متفاوتی نشان دهد و به همین دلیل حفظ هم‌زمان عملکرد حرارتی و سازه‌ای در طول عمر جاده یکی از معیارهای اصلی موفقیت خواهد بود.
این موضوع پروژه را مستقیماً به صنعت قیر مرتبط می‌کند. اگر روسازی‌های ترموفعال در آینده به مرحله استفاده گسترده برسند، ممکن است قیر علاوه بر بار ترافیک، رطوبت و تغییرات طبیعی دما، در برابر چرخه‌های حرارتی ایجادشده توسط خود سامانه نیز ارزیابی شود. رفتار رئولوژیکی قیر می‌تواند اهمیت بیشتری پیدا کند، زیرا تاریخچه دمایی یک روسازی فعال ممکن است با جاده معمولی تفاوت قابل توجهی داشته باشد.
قیر اصلاح‌شده پلیمری نیز ممکن است در شرایطی که مقاومت بیشتر در برابر تغییرشکل یا چرخه‌های دمایی لازم است مورد توجه قرار گیرد، اما پروژه فعلی هنوز استفاده از آن را ضروری نمی‌داند. انتخاب قیر مناسب به ساختار روسازی، اقلیم، آرایش لوله‌ها و دمای بهره‌برداری وابسته خواهد بود و همین مسئله درباره طراحی مخلوط آسفالتی نیز صدق می‌کند.
در یک روسازی ترموفعال، دانه‌بندی، فضای خالی، ضخامت لایه‌ها، هدایت حرارتی سنگدانه‌ها و خصوصیات قیر هم‌زمان بر انتقال گرما و پاسخ سازه‌ای اثر می‌گذارند. در نتیجه ممکن است مشخصات فنی آینده مجبور شوند در کنار مقاومت در برابر ترک، شیارشدگی، رطوبت و پیرشدگی، شاخص‌هایی مانند هدایت حرارتی را نیز در نظر بگیرند. چنین تغییری می‌تواند زمینه پژوهش‌های تازه‌ای درباره فرمولاسیون قیر، سنگدانه‌های رساناتر، مصالح بازیافتی و افزودنی‌های مخصوص روسازی‌های فعال از نظر انرژی ایجاد کند.
اجرای فناوری نیز برای پیمانکاران کنترل‌های جدیدی به همراه خواهد داشت. موقعیت و عمق شبکه لوله باید هنگام پخش و تراکم آسفالت دقیق باقی بماند و سیستم باید دمای اجرای مخلوط و فشار غلتک را تحمل کند. تعمیرات بعدی نیز پیچیده‌تر خواهد شد، زیرا عملیات تراش یا بازسازی روسازی باید وجود زیرساخت مدفون را در نظر بگیرد.
این فناوری می‌تواند در آینده برای مدیریت گرمای شهری نیز اهمیت پیدا کند. برداشت بخشی از انرژی ذخیره‌شده در آسفالت در ساعات بسیار گرم ممکن است دمای سطح را کاهش دهد و میزان گرمای بازگشتی به محیط شهری را محدود کند، اما اندازه واقعی این اثر به اقلیم، ابعاد سامانه و نحوه بهره‌برداری وابسته است و هنوز نیاز به اعتبارسنجی دارد.
از دید تجاری، سؤال تعیین‌کننده این خواهد بود که آیا ارزش انرژی بازیابی‌شده و افزایش احتمالی عمر روسازی می‌تواند هزینه اضافی ساخت، بهره‌برداری و نگهداری را جبران کند یا خیر. موفقیت فنی به‌تنهایی برای ورود فناوری به بازار کافی نیست و قیمت انرژی، هزینه نصب، پیچیدگی تعمیرات، نیاز به ذخیره حرارتی و برنامه بازسازی جاده همگی در توجیه اقتصادی نقش خواهند داشت.
پروژه TARS تا ۳۰ سپتامبر ۲۰۲۸ ادامه خواهد داشت و مهم‌ترین خروجی آن لزوماً جاده‌ای نیست که به‌صورت تجاری با یک فرمان گرم و سرد شود. دستاورد اصلی می‌تواند یک مدل مهندسی اعتبارسنجی‌شده باشد که مشخص کند این فناوری در چه شرایطی از نظر فنی، سازه‌ای، محیط‌زیستی و اقتصادی قابل اجرا است. برای صنعت قیر و آسفالت، همین تغییر نگاه اهمیت زیادی دارد؛ زیرا جاده‌ها تاکنون عمدتاً برای تحمل گرما طراحی شده‌اند و این پروژه بررسی می‌کند آیا نسل بعدی روسازی‌ها می‌تواند همان گرما را جمع‌آوری، منتقل و دوباره استفاده کند.
