Эра экозданий. Ученые обнаружили эффективный материал для согревания и охлаждения домов

Тонкая пленка может переключаться с выделения тепла на его улавливание. Такое покрытие способно сделать здания более энергоэффективными.

Поддержание комфортных условий в помещении требует много сил. Около половины энергии, которую люди используют в своих домах, идет на отопление и охлаждение, что составляет значительную часть как счетов за коммунальные услуги, так и выбросов парниковых газов. Хотя стены многих зданий покрыты изоляцией для поддержания идеальной температуры, другие, особенно старые здания, поразительно неэффективны с точки зрения энергии, пишет Scientific American. Новая перспективная разработка ученых в будущем приблизит нас к существенной экономии ресурсов для обогревания и охлаждения зданий.

Ученые десятилетиями работали над высокотехнологичными решениями энергоэффективности зданий. Теперь материаловеды разработали пленку, меняющую цвет, которая может переключаться между режимами нагрева и охлаждения. Пленка, которая тоньше кредитной карты, потребляет очень мало энергии и однажды сможет обернуть даже самые расточительные здания, помогая излучать нежелательное тепло летом и удерживать его зимой.

Новые устройства используют естественное явление, называемое радиационным охлаждением, которое заставляет температуру наружного воздуха падать ночью и помогает охлаждать Землю в целом. Все вокруг нас, включая наши тела и здания, постоянно излучает тепло в виде среднего инфракрасного излучения: электромагнитных волн, которые имеют более низкую частоту, чем свет, который вы можете видеть своими глазами. «Люди могут использовать тепловизионную камеру и видеть объекты, людей, здания, то есть они излучают энергию 24 часа в сутки, 7 дней в неделю», — говорит По-Чун Хсу, молекулярный инженер из Чикагского университета и старший автор исследования.

Если вы направите тепловизионную камеру на Землю с орбиты, вы также сможете увидеть тепло, излучаемое планетой в холодный космический вакуум. К счастью, наша атмосфера позволяет большему количеству среднего инфракрасного излучения излучаться за пределы планеты по сравнению с другими длинами волн света. Хотя большая часть этого тепла покидает Землю, некоторая часть все еще задерживается парниковыми газами в атмосфере — этого достаточно, чтобы нарушить тепловой баланс планеты и вызвать повышение температуры, объясняет Питер Бермель, инженер-электрик из Университета Пердью. По мере повышения глобальной температуры ученые разрабатывают решения, позволяющие максимизировать тепло, выделяемое за счет радиационного охлаждения. Среди этих методов есть пленки, которыми можно обернуть конструкции, чтобы они излучали больше тепла. Но во многих регионах мира суровые зимы и знойное лето.

Эта дилемма послужила источником вдохновения для новых покрытий, которые могут переключаться между высокой и низкой теплоотдачей простым разрядом электричества. Подобные настраиваемые устройства уже существуют для видимого света: так называемые динамические окна могут переключаться с прозрачного на непрозрачный, чтобы контролировать количество пропускаемого света. Но до сих пор ни одна строительная пленка не могла сделать то же самое для среднего инфракрасного тепла.

Читать также:
Битва столетия: ученые поставили точку в долгом споре о том, что вреднее — сахар или жир

Новый материал запускается в режиме охлаждения. Под невероятно тонким электрическим проводником находится небольшой резервуар с водой, внутри которой растворены ионы меди. В этом состоянии устройство естественным образом излучает тепло, охлаждая помещение внутри. Затем, когда слой проводника прикладывает небольшой электрический заряд, растворенная медь оседает на его поверхности, образуя тонкий слой над резервуаром. Поскольку медь излучает очень мало тепла среднего инфракрасного диапазона, которое она поглощает, устройство теперь улавливает тепло. Это изменение можно отменить снова и снова, хотя многократное использование имеет убывающую отдачу: после 1000 циклов как режимы охлаждения, так и нагрева становятся менее эффективными.

По оценкам авторов, если эта технология будет применена в пленке снаружи здания, она может сэкономить 8,4 процента энергии, используемой для отопления и охлаждения в климате, где температура резко колеблется в течение года. Здание также меняет цвет: от темно-белого летом до медно-металлического зимой, хотя пленку можно покрыть специальной краской, не препятствующей среднему инфракрасному излучению.

«В настоящее время это только самый первый шаг для демонстрации механизма, и мы уже видим очень хороший прогресс», — говорит Цяоцян Ган, материаловед и инженер из Университета науки и технологий имени короля Абдуллы в Саудовской Аравии. Новая система кажется многообещающей, особенно по сравнению с предыдущими попытками некоторых других исследовательских групп создать перестраиваемое устройство с использованием водных растворов. Некоторые из материалов, предназначенных для использования в подобных устройствах, были легко воспламеняющимися и явно не подходили для облицовки здания. Новая пленка не воспламеняется, но это еще не значит, что она готова к использованию.

Помимо потери эффективности с течением времени, основным недостатком нового устройства является его высокая стоимость. Тонкий электрод, покрывающий внешний слой пленки, представляет собой высококачественный графен, дорогой массив углерода толщиной в один атом. Чрезвычайная тонкость графена позволяет проходить теплу, в то время как материал по-прежнему проводит электричество. Чтобы такие оболочки зданий были осуществимы, исследователям придется достичь того же результата с более дешевыми материалами, которые можно производить в больших масштабах. Хсу и его команда планируют поэкспериментировать с менее качественным графеном и другими материалами, чтобы найти более дешевую замену. Они также планируют заменить медь более дешевыми металлами, такими как цинк.

Нахождение баланса между ценой и производительностью потребует времени, поэтому районы могут не заполняться меняющими цвет экозданиями в ближайшие годы. «Но это очень, очень горячая тема исследований», — подытожил Ган.