Строителен материал, който като хамелеон променя инфрачервения си цвят - и количеството топлина, което поглъща или излъчва - в зависимост от външната температура, е разработен от изследователи от Факултета по молекулярно инженерство (Pritzker School of Molecular Engineering) към Чикагския университет.

В горещи дни материалът може да излъчва до 92% от инфрачервената топлина, която съдържа, като помага за охлаждането на вътрешността на сградата. В по-студени дни обаче материалът излъчва само 7 % от инфрачервената си енергия, което помага за поддържане на топлината в сградата.

"По същество открихме нискоенергиен начин да третираме сградата като човек; слагаме слой, когато е студено, и сваляме слой, когато е горещо", обяснява доц. По-Чун Хсу (Po-Chun Hsu), ръководител на изследването, публикувано в Nature Sustainability. "Този вид интелигентен материал ни позволява да поддържаме температурата в сградата без огромни количества енергия."

Водени от изменението на климата

Според някои оценки на сградите се пада 30 % от световното потребление на енергия и те отделят 10 % от всички парникови газове в света. Около половината от този енергиен отпечатък се дължи на отоплението и охлаждането на вътрешните пространства.

"Дълго време повечето от нас са приемали контрола на температурата в помещенията за даденост, без да се замислят колко енергия е необходима за това", коментира Хсу. "Ако искаме да имаме бъдеще с отрицателни въглеродни емисии, мисля, че трябва да обмислим разнообразни начини за контрол на температурата в сградите по по-енергийно ефективен начин."

Изследователите вече са разработили материали с лъчисто охлаждане, които помагат да се поддържат хладни сгради, повишавайки способността им да излъчват инфрачервени лъчи - невидимата топлина, която се излъчва от хора и предмети. Съществуват и материали, които предотвратяват излъчването на инфрачервени лъчи при студен климат.

"Простият начин си представим това е, че една напълно черна сграда, обърната към слънцето, ще се нагрява по-лесно от другите сгради", обяснява Чънси Суей (Chenxi Sui), дипломант от Факултета по молекулярно инженерство към Чикагския университет и водещ автор на новата разработка.

Този вид пасивно отопление може да е подходящо за зимата, но не и през лятото.

Тъй като глобалното затопляне предизвиква все по-чести екстремни метеорологични явления и променливо време, има нужда сградите да могат да се адаптират - малко климатични зони изискват целогодишно отопление или целогодишно охлаждане.

От метал към течност и обратно

Хсу и колегите му са разработили незапалим "електрохромен" строителен материал, който съдържа слой, който може да приема два вида форми: твърда мед, която задържа по-голямата част от инфрачервената топлина, или воден разтвор, който излъчва инфрачервени лъчи. При всяка избрана температура на задействане изделието използва малко количество електроенергия, за да предизвика химическата промяна между състоянията чрез отлагане на мед в тънък филм или чрез отстраняване на тази мед.

В новия документ изследователите подробно описват как устройството може да превключва бързо и обратимо между металното и течното състояние. Те показват, че способността за превключване между двете състояния остава ефективна дори след 1800 цикъла.

^{Hsu Group създава модели за това как техният материал може да намали разходите за енергия в типични сгради в 15 различни града в САЩ, като установява, че средно материалът ще използва по-малко от 0,2 % от общото количество електроенергия в сградата, но може да спести 8,4 % от годишното потребление на енергия за отопление, охлаждане и климатизация на сградата. Кредит: Hsu Group}

След това екипът създава модели за това как техният материал може да намали разходите за енергия в типични сгради в 15 различни града в САЩ. Те съобщават, че в една средностатистическа търговска сграда електроенергията, използвана за предизвикване на електрохромни промени в материала, би била по-малко от 0,2 % от общото потребление на електроенергия в сградата, но би могла да спести 8,4 % от годишното потребление на енергия за отопление, вентилация и климатизация на сградата.

"След като веднъж превключите между състоянията, не е необходимо да прилагате повече енергия, за да останете в някое от тях", отбелязва Хсу. "Така че за сгради, в които не е необходимо да се превключва между тези състояния много често, наистина се използва много незначително количество електроенергия."

Увеличаване на мащаба

Досега групата на Хсу е създала само парчета от материала с размери около шест сантиметра. Въпреки това, те си представят, че много такива парчета от материала могат да бъдат сглобени като керемиди в по-големи листове. Те казват, че материалът може да бъде преработен и за различни, персонализирани цветове - водната фаза е прозрачна и почти всеки цвят може да бъде поставен зад нея, без това да повлияе на способността му да поглъща инфрачервените лъчи.

Сега изследователите проучват различни начини за производство на материала. Те също така планират да проучат как междинните състояния на материала могат да бъдат полезни.

"Ние демонстрирахме, че контролът на излъчването може да играе роля в контрола на широк диапазон от температури в сградите през различните сезони", изтъква Хсу. "Продължаваме да работим с инженерите и строителния сектор, за да проучим как това може да допринесе за по-устойчиво бъдеще."

Справка: “Dynamic electrochromism for all-season radiative thermoregulation,” Sui et al, Nature Sustainability, January 26, 2022. DOI: 10.1038/s41893-022-01023-2.

Източник: Temperature-sensing building material changes color to save energy, University of Chicago