Jedna strana greje, druga hladi: Novi materijal inspirisan pingvinima mogao bi da promeni fasade

Adaptivni „Janus film“ može pasivno da prelazi iz režima grejanja u režim hlađenja, istovremeno reguliše prolazak mikrotalasa i odbija vodu i led.

Sigurno vam je poznat onaj osećaj frustracije kada se „natrontate“ za sneg, a onda najmanje pola od toga morate skinuti čim uđete u pregrejanu kancelariju? E pa, pingvini nemaju taj problem. Bilo da prži sunce ili vlada ledena zima, oni uživaju bez brige. Inspirisani ovim neletećim pticama, naučnici su sada stvorili materijal koji može pasivno da se prebacuje iz režima grejanja u režim hlađenja.

Materijal su razvili istraživači sa Harbinskog instituta za tehnologiju, Univerziteta Henan Normal i laboratorije Sudžou, sposoban je da apsorbuje sunčevu svetlost kako bi se zagrevao, reflektuje je radi hlađenja, ali i da blokira ili propušta mikrotalase u zavisnosti od temperature.

Takođe, odbija vodu i led.

Pročitajte još na Gradnja.rs:

• Premazivanje fasada ovim bojama može obezbediti hladnija leta i toplije zime

Od ekstremnih vrućina do velikih minusa

Neki regioni tokom iste godine prelaze od ekstremnih letnjih vrućina do velikih zimskih minusa. Kako bismo se prilagodili tim promenama, razvijene su brojne tehnologije upravljanja temperaturom. Koriste se specijalni premazi i materijali na vozilima i infrastrukturi koji ili apsorbuju toplotu ili sprečavaju njeno prodiranje.

Problem je u tome što temperature nisu stalne, a većina materijala efikasna je samo u jednom režimu rada. Površina koja odlično odbija toplotu leti može biti potpuno neefikasna zimi, kada reflektuje korisnu sunčevu energiju koja bi mogla doprineti zagrevanju.

Kao da termalni izazovi nisu dovoljni, savremena tehnologija dodatno komplikuje stvari. Danas živimo okruženi antenama, bežičnim komunikacionim sistemima, radarima, senzorima, satelitima i dronovima, u sve gušćem elektromagnetnom okruženju.

Nažalost, upravljanje toplotom i elektromagnetna zaštita često deluju suprotno jedno drugom. Materijali za hlađenje uglavnom reflektuju sunčevu svetlost i izbegavaju apsorpciju energije, dok materijali za zaštitu od mikrotalasa često zahtevaju električnu provodljivost i snažne elektromagnetne interakcije, što su osobine koje obično povećavaju apsorpciju toplote.

Materijal koji menja „lica“

Zbog toga je spajanje obe funkcije u jedan materijal dugo predstavljalo veliki izazov. Inženjeri su razvili odlične termalne premaze za grejanje ili hlađenje, kao i efikasne materijale za elektromagnetnu zaštitu.

Ipak materijal koji može dinamički da prelazi iz režima grejanja u režim hlađenja, dok istovremeno menja ponašanje prema mikrotalasima, do sada je zvučao kao naučna fantastika. Istraživači su zato razvili takozvani „Janus film“, nazvan po rimskom bogu sa dva lica, koji upravo to omogućava.

U središtu sistema nalazi se vanadijum-dioksid (VO₂), neobično jedinjenje poznato po svojoj „dvostrukoj prirodi“. Na nižim temperaturama ponaša se kao izolator, ali kada se zagreje na oko 68 °C, naglo prelazi u stanje sličnije metalu i postaje mnogo provodljiviji. Tokom te tranzicije njegov električni otpor opada i do 10.000 puta, što omogućava materijalu da dinamički upravlja mikrotalasima.

Isti list materijala može da funkcioniše kao solarno grejanje sa jedne strane i sistem pasivnog hlađenja sa druge.

Da bi napravili novi sistem, istraživači su VO₂ integrisali u mikroskopske vlaknaste strukture unutar fleksibilnog polimernog sloja. Jedna strana filma funkcioniše kao „grejna strana“ koja apsorbuje čak 94,5% sunčeve energije, omogućavajući brzo zagrevanje pod sunčevom svetlošću.

Laboratorijska testiranja pokazala su da površina može da dostigne temperaturu od oko 73 °C, odnosno čak 52 °C iznad ambijentalne temperature, dok su spoljašnja testiranja pokazala zagrevanje do približno 87 °C.

Kada se VO₂ zagreje i postane provodljiv, mikroskopske strukture unutar materijala počinju da stvaraju provodne puteve, menjajući način na koji film reaguje na mikrotalase.

Na sobnoj temperaturi mikrotalasi uglavnom prolaze kroz film bez većih gubitaka. Međutim, kada se zagreje, materijal prelazi u novi režim rada i počinje snažno da apsorbuje i reflektuje mikrotalase.

Jedna strana greje, druga hladi

Druga strana filma projektovana je za potpuno suprotnu funkciju, hlađenje. Ovaj sloj koristi čestice silike i poroznu strukturu kako bi raspršivao i reflektovao sunčevu svetlost, dok istovremeno veoma efikasno emituje toplotu u srednjem infracrvenom spektru, kroz koji se toplota može „osloboditi“ u atmosferu.

Rashladna strana reflektuje više od 90% sunčevog zračenja, uz infracrvenu emisivnost od 97,1%. Tokom spoljašnjih testiranja održavala je temperaturu između 4 i 12 °C nižom od spoljne temperature. Drugim rečima, isti list materijala može da funkcioniše kao solarno grejanje sa jedne strane i sistem pasivnog hlađenja sa druge.

Inspiracija iz prirode: Pingvini kao termalni inženjeri

Inspiracija za razvoj ovog materijala potiče iz načina na koji pingvini regulišu temperaturu pomoću slojevite strukture tela, usmerene izolacije, vodootpornosti i prilagođavanja okruženju. Pingvini su praktično majstori termalnog inženjeringa obučeni u perje.

Materijal preuzima još jednu njihovu karakteristiku, otpornost na vodu. Obe strane filma su superhidrofobne, što znači da se voda skuplja u kapljice i lako sklizne sa površine umesto da se zadržava.

Osim što održava površinu čistom, ova osobina pruža i zaštitu od zaleđavanja i omogućava brzo odleđavanje. Tokom testiranja, stvaranje leda bilo je odloženo za čak 812 sekundi, dok se nakupljeni led topio za oko 17 minuta, čak i pri temperaturama od -6 °C.

Potencijalna primena u arhitekturi i građevinarstvu

Iako su materijali za termalnu zaštitu, mikrotalasno ekraniranje i zaštitu od zaleđavanja već poznati, ono što ovaj projekat čini posebno zanimljivim jeste integracija svih tih funkcija u jedan adaptivni materijal, bez motora, mehaničkih sistema ili složene elektronike.

Za arhitekturu, potencijal je posebno zanimljiv. Zgrade bi tokom hladnijeg dela godine mogle koristiti jednu stranu filma za apsorpciju sunčeve toplote, dok bi tokom toplijih meseci menjale orijentaciju kako bi smanjile potrebe za klimatizacijom.

Istraživači procenjuju da bi godišnja ušteda energije mogla iznositi oko 38,9 MJ po kvadratnom metru, odnosno približno 11 kWh. Pored građevina, tehnologija bi mogla pronaći primenu i u vozilima, avionima, spoljnim elektronskim sistemima i infrastrukturi koja zahteva kontrolu temperature i elektromagnetnih smetnji.

Za sada se projekat još nalazi u laboratorijskoj fazi razvoja. Sledeći koraci uključuju dugoročna testiranja otpornosti na spoljne uslove, unapređenje proizvodnje većeg obima i optimizaciju za stvarnu primenu.