Допустим, вы пытаетесь охладить дом летом или постоянно проживаете в широтах с жарким климатом, когда в полдень солнце светит прямо над головой. Вы можете покрыть крышу материалом, который отражает или поглощает солнечный свет, чтобы он не попал внутрь. Но если вы находитесь в месте, где лето сменяется зимой, те кровельные покрытия, которые не пропускают тепло, наверняка имеют проблемы с удержанием тепла, что увеличивает расходы на отопление вашего здания.
Нужно вещество, которое не пропускает тепло летом и не пропускает тепло зимой
Таким образом, нужно искать решение в адаптивном интеллектуальном материале, который делает и то, и другое: вещество, которое не пропускает тепло летом и не пропускает тепло зимой. Материал, который может переключаться между двумя фазами был создан и протестирован на крыше дома профессора — исследователи из Калифорнии. Ученые разработали такое кровельное покрытие!
Об этом они рассказали в своей работе на странице журнала Science уже сегодня, то есть 17 декабря 2021 года.
Вот что они пишут:
«Небо — это естественный радиатор, который широко используется для пассивного радиационного охлаждения домов. Большое внимание уделяется максимальному увеличению радиационной охлаждающей способности кровельного покрытия в жаркое дневное время за счет использования статических свойств материала, оптимизированных для охлаждения. Тем не менее,
Возникающее в результате переохлаждение холодной ночью или зимой увеличивает расходы на отопление, особенно в климате, где отопление преобладает в потреблении энергии.Мы подошли к терморегулированию с учетом всесезонности, разработав механически гибкое покрытие, которое адаптирует свое тепловое излучение к различным температурам окружающей среды.
Изготовленное адаптивное к температуре радиационное покрытие (TARC) оптимально поглощает солнечную энергию и автоматически переключает коэффициент теплового излучения с 0,20 для температур окружающей среды ниже 15 ° C на 0,90 для температур выше 30 ° C, что обусловлено переходом металл-изолятор с усилением фотонов.
Моделирование показывает, что эта система превосходит существующие кровельные покрытия по энергосбережению в большинстве климатов, особенно в тех, которые имеют значительные сезонные колебания».
«Весь смысл нашей работы в том, что наша крыша работает не только в жаркую погоду, но и в холодную », — говорит Цзюньцяо Ву, ученый-материаловед из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, а также один из исследователей, стоящих за этим проектом.
Оксид ванадия — вот вещество для покрытия с двойным свойством!
Ключевым материалом для кровли является оксид ванадия, соединение, которое ранее было протестировано в качестве оконного покрытия. В отличие от большинства металлов оксид ванадия плохо проводит тепло, что делает его идеальным изолятором.
Инфракрасные лучи Солнца, согревающие Землю, могут проходить через оксид ванадия, когда материал имеет комнатную температуру. Но когда состав нагревается до 153 ° F (67 ° C), его свойства меняются — изменяется фаза. Он начинает блокировать эти инфракрасные лучи, эффективно затеняя то, что находится под ними. Другими словами, он пропускает солнце, когда прохладно, и не пропускает солнце, когда тепло.
Добавили немного вольфрама и понизили точку перключения фазы
Такие параметры подходят, если вы строите дома на Меркурии, но температура 153 ° F — это не земная температура. Но Ву и его коллеги ранее обнаружили, что, добавив в эксперементироуемое вещество немного вольфрама — с точки зрения материаловедения, «легируя» оксид ванадия вольфрамом, они смогли понизить точку переключения фазы соединения до гораздо более благоприятного значения 77 ° F (25). ° С).
Образцы всесезонного кровельного покрытия, разработанного с использованием материала под названием диоксид ванадия. Цзюньцяо Ву, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли.
Исследователи полагали, что нашли нужный материал. Но им нужно было место для проверки. «Вы не можете просто делать это в лаборатории, — говорит Ву, — потому что в лаборатории вы не получаете ни солнечного света, ни ветра, ни взгляда в небо».
Крыша их лаборатории была недоступна — и к тому времени пандемия COVID-19 уже закрыла большую часть лаборатории. Нельзя оставлять образец кровельного покрытия на открытом пространстве, например, на детской площадке или на стоянке; им нужно было место, где они могли бы запускать ноутбук без присмотра в течение нескольких дней.
Был и другой вариант: дом Ву
Чем больше они думали об этом, тем больше им нравилась идея. Дом на холме в районе залива Сан-Франциско не был загорожен деревьями, что позволяло непрерывному солнечному свету попадать на него. Здесь также была оптимальная погода для тестирования; температура окружающей среды резко колеблется между днем и ночью.
«У меня есть электричество, у меня есть Wi-Fi», — говорит Ву. «Я живу в доме. Я могу обслуживать оборудование несколько дней. Вот как мы провели эксперимент».
Исследователи установили блоки оксида ванадия поверх прозрачного слоя фторида бария, соединения, которое часто используется для изучения инфракрасных лучей, и нижнего слоя отражающего серебра, превратив их в материал, похожий на клейкую ленту.
Исследователи установили эту ленту на крыше дома Ву и установили беспроводную измерительную систему на балконе Ву, чтобы отслеживать, как она реагирует на изменения солнечного света и температуры воздуха. Сравнивая его с двумя различными существующими методами покрытия кровли — одним белым, а другим черным — они обнаружили, что, хотя белое покрытие лучше работает под прямыми солнечными лучами, их материал лучше работает в большинстве других условий.
Но область залива вряд ли представляет все климатические условия в мире — его погода может резко измениться, если пройти всего несколько миль в одном направлении — и исследователи проверили материал только в один летний день.
Как покрытие будет работать в разныхклиматических условиях — провели компьютерное моделирование
Итак, с помощью Финнегана Райхерца, местного старшеклассника, который удаленно проходил стажировку в лаборатории Ву, исследователи использовали данные эксперимента на крыше, чтобы провести компьютерное моделирование того, как покрытие будет работать круглый год в 15 различных климатических условиях по всей Северной Америке — от пустыни Нью-Мексико до суровых зим Чикаго и дождей на северо-западе Тихого океана.
Согласно моделированиям, покрытие особенно хорошо работает в климате, где температура колеблется от жаркого лета до холодной зимы. «Во Флориде это не сработает, — говорит Ву. «Для Гавайев — нет. Для Аляски слишком холодно — тоже нет. Но для всех зон со средним умеренным климатом это будет хорошо работать».
Материал сэкономил больше энергии, чем существующие кровельные покрытия в 12 из 15 имитируемых климатов
Теперь, говорит Ву, они планируют запатентовать этот материал в 2022 году и найти способы его эффективного производства или аналогичного материала с такими же свойствами. «Мы стремимся улучшить производительность, сделав ее масштабируемой», — говорит он.
Не только для крыш
Эти умные покрытия, если Ву прав, подходят не только для крыш. Ву представляет, что их можно использовать в исследованиях космоса, чтобы поддерживать комфортную температуру внутри транспортных средств даже в экстремальных условиях за пределами атмосферы Земли. Ближе к земле покрытие можно использовать в бытовой электронике или в текстиле. Вы можете, например, однажды надеть куртку или разбить палатку, покрытую фазовращающим оксидом ванадия — одну минуту держать в прохладном состоянии, а в следующую — в тепле.
