Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета разработали строительный материал, похожий на хамелеона, который меняет свой инфракрасный цвет и количество тепла, которое он поглощает или излучает, в зависимости от внешней температуры. В жаркие дни материал может излучать до 92 процентов содержащегося в нем инфракрасного тепла, помогая охлаждать внутреннюю часть здания. Однако в более холодные дни материал излучает всего 7 процентов своего инфракрасного излучения, помогая сохранять тепло в здании.
«По сути, мы нашли низкоэнергетический способ обращаться со зданием как с человеком: вы добавляете слой, когда вам холодно, и снимаете слой, когда вам жарко», — сказал ассистент. Профессор По-Чун Хсу, который руководил исследованием, опубликованным в журнале Nature Sustainability . «Такой умный материал позволяет нам поддерживать температуру в здании без огромных затрат энергии».
Из-за изменения климата
По некоторым оценкам, здания потребляют 30% энергии в мире и выделяют 10% всех парниковых газов в мире. Около половины этого энергетического следа приходится на обогрев и охлаждение внутренних помещений.
«Долгое время большинство из нас считало контроль температуры в помещении само собой разумеющимся, не задумываясь о том, сколько энергии для этого требуется», — сказал Сюй. «Если мы хотим углеродно-отрицательного будущего, я думаю, мы должны рассмотреть различные способы контроля температуры в здании более энергоэффективным способом».
Исследователи ранее разработали материалы для радиационного охлаждения, которые помогают поддерживать прохладу в зданиях, повышая их способность излучать инфракрасное излучение, невидимое тепло, которое излучают люди и предметы. Существуют также материалы, препятствующие излучению инфракрасного излучения в холодном климате.
«Простой способ представить это так: если у вас есть полностью черное здание, обращенное к солнцу, оно будет нагреваться легче, чем другие здания», — сказал аспирант PME Чэньси Суй, первый автор новой рукописи.
Такой пассивный обогрев может быть хорош зимой, но не летом.
Поскольку глобальное потепление вызывает все более частые экстремальные погодные явления и изменчивую погоду, необходимо, чтобы здания могли адаптироваться; немногие климатические условия требуют круглогодичного отопления или круглогодичного кондиционирования воздуха.
Из металла в жидкость и обратно
Хсу и его коллеги разработали негорючий «электрохромный» строительный материал , который содержит слой, который может принимать две конформации: твердая медь, сохраняющая большую часть инфракрасного тепла, или водный раствор, излучающий инфракрасное излучение. При любой выбранной температуре срабатывания устройство может использовать небольшое количество электричества, чтобы вызвать химический сдвиг между состояниями, либо нанося медь в виде тонкой пленки, либо удаляя эту медь .
В новой статье исследователи подробно описали, как устройство может быстро и обратимо переключаться между металлическим и жидким состояниями. Они показали, что способность переключаться между двумя конформациями оставалась эффективной даже после 1800 циклов.
Затем команда создала модели того, как их материал может снизить затраты на электроэнергию в типичных зданиях в 15 разных городах США. Они сообщили, что в среднем коммерческом здании электроэнергия, используемая для индукции электрохромных изменений в материале, будет составлять менее 0,2% от общего потребления электроэнергии в здании, но может сэкономить 8,4% годового потребления энергии в ОВКВ здания.
«Как только вы переключаетесь между состояниями, вам не нужно больше тратить энергию , чтобы оставаться в одном из состояний», — сказал Сюй. «Поэтому для зданий, где вам не нужно переключаться между этими состояниями очень часто, на самом деле используется очень незначительное количество электроэнергии».
Масштабирование
Пока группа Сюя создала только куски материала размером около шести сантиметров в поперечнике. Однако они предполагают, что многие такие участки материала могут быть собраны, как черепица, в более крупные листы. Они говорят, что материал также может быть настроен для использования различных пользовательских цветов — водная фаза прозрачна, и за ней можно разместить почти любой цвет, не влияя на его способность поглощать инфракрасное излучение.
В настоящее время исследователи изучают различные способы изготовления материала. Они также планируют исследовать, как могут быть полезны промежуточные состояния материала.
«Мы продемонстрировали, что радиационный контроль может играть роль в регулировании широкого диапазона температур здания в разные времена года», — сказал Хсу. «Мы продолжаем работать с инженерами и строительным сектором, чтобы выяснить, как это может способствовать более устойчивому будущему».
Теги: полимеры