Епоха екобудівель. Вчені виявили ефективний матеріал для зігрівання та охолодження будинків

Підтримка комфортних умов у приміщенні потребує багато сил. Близько половини енергії, яку люди використовують у своїх будинках, іде на опалення й охолодження, що становить значну частину як рахунків за комунальні послуги, так і викидів парникових газів. Хоча стіни багатьох будівель покриті ізоляцією для підтримки ідеальної температури, інші, особливо старі будівлі, разюче неефективні з точки зору енергії, пише Scientific American. Нова перспективна розробка вчених у майбутньому наблизить нас до суттєвої економії ресурсів для обігріву й охолодження будівель.

У Фокус.Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтеся, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Учені десятиліттями працювали над високотехнологічними рішеннями енергоефективності будівель. Тепер матеріалознавці розробили плівку, яка змінює колір і може перемикатися між режимами нагрівання й охолодження. Плівка, яка тонша за кредитну картку, споживає дуже мало енергії та одного разу зможе обернути навіть наймарнотратніші будівлі, допомагаючи відбивати небажане тепло влітку й утримувати його взимку.

Нові пристрої використовують природне явище, яке називається радіаційним охолодженням, що змушує температуру зовнішнього повітря падати вночі й допомагає охолоджувати Землю в цілому. Все навколо нас, включаючи наші тіла та будівлі, постійно випромінює тепло у вигляді середнього інфрачервоного випромінювання: електромагнітних хвиль, які мають нижчу частоту, ніж світло, яке ви можете бачити на власні очі. "Люди можуть використовувати тепловізійну камеру та бачити об'єкти, людей, будівлі, тобто вони випромінюють енергію 24 години на добу, 7 днів на тиждень", — говорить По-Чун Хсу, молекулярний інженер із університету Чикаго та старший автор дослідження.

Якщо ви направите тепловізійну камеру на Землю з орбіти, ви також зможете побачити тепло, яке випромінює планета в холодний космічний вакуум. На щастя, наша атмосфера дозволяє більшій кількості середнього інфрачервоного випромінювання випромінюватися за межі планети порівняно з іншими довжинами хвиль світла. Хоча більша частина цього тепла залишає Землю, деяка частина все ще затримується парниковими газами в атмосфері — цього достатньо, щоб порушити тепловий баланс планети й спричинити підвищення температури, пояснює Пітер Бермель, інженер-електрик із Університету Пердью. У міру підвищення глобальної температури вчені розробляють рішення, що дають змогу максимізувати тепло, яке виділяється за рахунок радіаційного охолодження. Серед цих методів є плівки, якими можна обернути конструкції, щоб вони випромінювали більше тепла. Але в багатьох регіонах світу суворі зими та спекотне літо.

Ця дилема стала джерелом натхнення для нових покриттів, які можуть перемикатися між високою та низькою тепловіддачею простим розрядом електрики. Подібні пристрої, що налаштовуються, вже існують для видимого світла: так звані динамічні вікна можуть перемикатися з прозорого на непрозорий, щоб контролювати кількість світла, що пропускається. Але досі жодна будівельна плівка не могла зробити те ж саме для середнього інфрачервоного тепла.

Новий матеріал запускається в режимі охолодження. Під неймовірно тонким електричним провідником розташований невеликий резервуар із водою, усередині якої розчинені іони міді. У цьому стані пристрій природно випромінює тепло, охолоджуючи приміщення всередині. Потім, коли шар провідника докладає невеликого електричного заряду, розчинена мідь осідає його поверхні, утворюючи тонкий шар над резервуаром. Оскільки мідь випромінює дуже мало тепла середнього інфрачервоного діапазону, яке вона поглинає, пристрій тепер вловлює тепло. Цю зміну можна скасувати знову й знову, хоча багаторазове використання має спадну віддачу: після 1000 циклів як режими охолодження, так і нагрівання стають менш ефективними.

За оцінками авторів, якщо ця технологія буде застосована в плівці зовні будівлі, вона може заощадити 8,4 відсотка енергії, яка використовується для опалення й охолодження в кліматі, де температура різко коливається протягом року. Будівля також змінює колір: від темно-білого літа до мідно-металевого взимку, хоча плівку можна покрити спеціальною фарбою, яка не перешкоджає середньому інфрачервоному випромінюванню.

"Зараз це тільки перший крок для демонстрації механізму, і ми вже бачимо дуже хороший прогрес", — говорить Цяоцян Ган, матеріалознавець та інженер із Університету науки й технологій імені короля Абдулли в Саудівській Аравії. Нова система здається перспективною, особливо порівняно з попередніми спробами деяких інших дослідницьких груп створити пристрій, що перебудовується, з використанням водних розчинів. Деякі матеріали, призначені для використання в подібних пристроях, були легко займисті і явно не підходили для облицювання будівлі. Нова плівка не спалахує, але це ще не означає, що вона готова до використання.

Крім втрати ефективності з часом, основним недоліком нового пристрою є висока вартість. Тонкий електрод, що покриває зовнішній шар плівки, є високоякісним графеном, дорогим масивом вуглецю товщиною в один атом. Надзвичайна тонкість графену дозволяє проходити теплу, тоді як матеріал, як і раніше, проводить електрику. Щоб такі оболонки будівель були здійсненні, дослідникам доведеться досягти того ж результату з дешевшими матеріалами, які можна виробляти у великих масштабах. Хсу та його команда планують поекспериментувати з менш якісним графеном та іншими матеріалами, щоб знайти дешевшу заміну. Вони також планують замінити мідь дешевшими металами, такими як цинк.

Перебування балансу між ціною та продуктивністю вимагатиме часу, тому райони можуть не заповнюватися екобудовами в мінливих кольорах найближчими роками. "Але це дуже, дуже гаряча тема досліджень", — підсумував Ган.

Раніше Фокус писав про те, що холод допомагає працювати краще. Вчені з південного узбережжя США стверджують, вихід із зони свого температурного комфорту прямо в холодний і підбадьорливий потік води може мати позитивний ефект на ваше здоров'я та роботу мозку.