Цвет

Исследователи из Чикагского университета изобрели облицовочный материал, который меняет цвет, чтобы облегчить обогрев или охлаждение, и его можно модернизировать для повышения энергоэффективности зданий.

Композитный материал состоит из нескольких различных слоев, включая медную фольгу, пластик и графен, и в зависимости от внешней температуры может менять свой инфракрасный цвет – цвет, который он проявляется при тепловизионном изображении.

В то же время он также меняет количество инфракрасного тепла, которое оно поглощает или излучает зданием. В жаркие дни на тепловизионных изображениях материал кажется желтым, что указывает на то, что он излучает больше тепла, а в холодные дни он кажется фиолетовым, потому что сохраняет это тепло.

При использовании на фасаде – например, в виде черепицы – материал потенциально может снизить потребность в отоплении, вентиляции и кондиционировании воздуха (HVAC), а также снизить общее энергопотребление здания.

«Мы, по сути, нашли низкоэнергетический способ обращаться со зданием как с человеком: вы добавляете слой, когда вам холодно, и снимаете слой, когда вам жарко», — сказал инженер по материалам По-Чун Сюй из Притцкеровская школа молекулярной инженерии, которая руководила исследованием.

«Такой умный материал позволяет нам поддерживать температуру в здании без огромного количества энергии».

Облицовка реагирует на температуру как хамелеон

Чикагский университет описывает этот материал как «подобный хамелеону», поскольку он может менять свой цвет в зависимости от внешней температуры.

При выбранной температуре срабатывания материал использует небольшое количество электричества, чтобы либо нанести медь на тонкую пленку, либо удалить ее.

Эта химическая реакция эффективно преобразует центральный слой материала – раствор электролита на водной основе – в твердую медь. Медь с низким уровнем выбросов помогает сохранять тепло и согревать внутренние помещения здания, а водный слой с высоким уровнем выбросов сохраняет прохладу в здании.

Слой электролитов на водной основе также помогает сделать материал негорючим, а процесс переключения из металла в жидкость и обратно исследователи описывают как «стабильный, энергонезависимый, эффективный и механически гибкий».

«Как только вы переключаетесь между состояниями, вам больше не нужно прилагать энергию, чтобы оставаться в любом из состояний», — сказал Сюй. «Таким образом, для зданий, где вам не нужно очень часто переключаться между этими состояниями, на самом деле используется очень незначительное количество электроэнергии».

Материал может снизить потребление энергии на восемь процентов

В рамках своего исследования, опубликованного в журнале Nature Sustainability, исследователи также создали модели для проверки экономии энергии, которой можно достичь, применяя их материал к зданиям в 15 городах США, представляющих 15 климатических зон.

Они обнаружили, что в районах, где погодные условия сильно варьируются, этот материал может сэкономить в среднем 8,4 процента годового потребления энергии для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в здании. В то же время для работы этого материала требовалось всего 0,2 процента от общего объема электроэнергии, потребляемой зданием.

В настоящее время на строительство и эксплуатацию зданий приходится почти 37 процентов глобальных выбросов углекислого газа, большая часть которых приходится на строительные операции, включая освещение, отопление и охлаждение.

Чтобы сократить эти выбросы, этот материал можно было бы использовать для модернизации плохо изолированных или исторических зданий и повышения их энергоэффективности, поскольку исследователи предполагают, что его будет удобнее устанавливать, чем изоляцию.

Однако некоторые из его компонентов, в том числе монослой графена и золотая микросетка, используемые в качестве прозрачных проводящих слоев, в настоящее время все еще дороги и сложны в производстве.

На данный момент исследователям удалось создать только участки материала шириной шесть сантиметров, но представить, что они собираются, как черепица, в более крупные листы.

При активном водянистом слое материал имеет темно-белый цвет, который становится медно-коричневым, когда активен медный слой.

Но материал также можно настроить, чтобы он отображал разные цвета, добавив слой пигментов за прозрачным водянистым слоем.