Pingvinai įkvėpė proveržį energetikoje: mokslininkai sukurė medžiagą, kuri pati šildo ir vėsina pastatus

Dauguma pasyvių šiluminių dangų atlieka vieną aiškią funkciją: arba sugeria šilumą, arba ją atspindi. Tai veikia stabiliose sąlygose, tačiau mūsų klimato juostoje pastatas vasarą perkaista, o žiemą praranda šilumą, todėl vienakryptės dangos tampa kompromisu.

Tyrėjai, įkvėpti pingvinų plunksnų sandaros, pasiūlė kitą logiką: medžiagą, kuri gali persijungti tarp šildymo ir vėsinimo režimų be variklių, jutiklių ar elektros. Idėja paremta daugiasluoksne biologija, kuri pingvinams padeda išgyventi ir šaltyje, ir intensyvioje saulėje.

Medžiaga su dviem pusėmis

Sukurta vadinamoji Januso plėvelė turi du skirtingai suprojektuotus paviršius. Viena pusė pritaikyta maksimaliai sugerti saulės energiją ir kelti paviršiaus temperatūrą, o kita skirta atspindėti saulės spinduliuotę ir efektyviai išspinduliuoti šilumą į dangų, taip vėsinant.

Abu paviršiai padaryti superhidrofobiniai, todėl vanduo neužsilaiko, o susidarančio ledo procesas sulėtėja. Bandymuose fiksuota, kad ledo formavimasis gali vėluoti iki 812 sekundžių, o esant maždaug minus 6 laipsniams ir silpnai saulei ledas ištirpo per maždaug 17 minučių be papildomos energijos.

Kaip veikia vanadžio dioksido jungiklis

Pagrindinė technologijos dalis yra vanadžio dioksidas VO2, kuris ties maždaug 68 laipsnių riba staigiai pakeičia savybes. Žemesnėje temperatūroje jis labiau panašus į izoliatorių, tačiau įkaitęs pereina į metalui artimą laidžią būseną, o elektrinė varža sumažėja apie 10 000 kartų.

VO2 integruotas į mikroskopines pluoštines struktūras polimero sluoksnyje. Temperatūrai pakilus, susidaro laidūs takai, kurie pakeičia medžiagos sąveiką su elektromagnetinėmis bangomis, todėl plėvelė gali tapti gerokai mažiau pralaidi mikrobangų ruožui.

Ką rodo bandymai ir kur tai praverstų

Šildančioji plėvelės pusė laboratorijoje sugerdavo apie 94,5 proc. į ją krentančios saulės energijos ir pakeldavo paviršiaus temperatūrą iki maždaug 73 laipsnių, tai yra apie 52 laipsniais virš aplinkos. Lauko bandymuose fiksuotas dar didesnis skirtumas, kai paviršius įkaito iki maždaug 87 laipsnių virš aplinkos.

Vėsinanti pusė, turinti porėtą struktūrą su silicio dioksido dalelėmis, atspindėjo daugiau kaip 90 proc. saulės spinduliuotės ir išlaikė paviršių maždaug 4–12 laipsnių vėsesnį nei aplinka. Tai svarbu pastatams, nes mažina kondicionavimo poreikį karščio bangų metu.

Tyrėjų vertinimu, pritaikius tokią dangą ant pastato atitvarų ir sezoniškai parenkant, kuri pusė atsukta į išorę, būtų galima sutaupyti apie 11 kilovatvalandžių vienam kvadratiniam metrui per metus. Praktikoje tai reikštų apčiuopiamą efektą dideliems fasadams ir stogams, ypač ten, kur šildymo ir vėsinimo sezonai ryškiai skiriasi.

Vis dėlto technologija dar yra laboratorinės brandos stadijoje. Tolimesni žingsniai siejami su ilgaamžiškumo patikra realiomis oro sąlygomis, atsparumu ultravioletui, mechaniniam dėvėjimuisi ir gamybos mastelio didinimu, nes būtent tai dažniausiai lemia, ar inovacija iš prototipo tampa masiniu sprendimu.