Сверхтонкая пленка работает как "кондиционер" для зданий

Инженеры из Колорадского университета в Боулдере разработали тонкий, искусственно структурированный «метаматериал», который может охлаждать объекты под прямым солнечным светом без использования воды или энергии.

При нанесении на поверхность, метаматериал-пленка охлаждает объект снизу, эффективно отражая поступающую солнечную энергию обратно, одновременно позволяя поверхности излучать свое тепло в виде инфракрасного теплового излучения.

Чтобы понизить температуру поверхности под собой, пленка работает с помощью процесса, известного как «пассивное охлаждение», это означает, что она выпускает тепло объекта через тепловое излучение, не пропуская любую входящую солнечную энергию, которая может свести к нулю эту потерю тепла.

Задача для исследователей заключалась в создании материала, который мог бы обеспечить два-в-одном: отражать любые входящие солнечные лучи обратно в атмосферу, сохраняя при этом возможности выхода для инфракрасного излучения.

Чтобы решить эту проблему, исследователи встроили видимо-рассеивающие, но инфракрасные радиационные стеклянные микросферы в полимерную пленку. Затем под этот слой они добавили тонкое серебряное покрытие для достижения максимального спектрального коэффициента отражения.

«Как образование метаматериала из стекловолокна, так и серебряное покрытие производятся по типу процесса прокатки в рулон», - добавил Ронгги Янг (Ronggui Yang), профессор механической инженерии и член Американского общества инженеров-механиков. Это означает, что пленка может быть изготовлена с использованием стандартных способов производства рулонных валиков по цене около 50 центов за квадратный метр.

«Всего от 10 до 20 квадратных метров этого материала на крыше может приятно охладить дом для одной семьи летом», - говорит Ганг Тан (Gang Tan), доцент Департамента гражданской и архитектурной инженерии Университета Вайоминга и соавтор исследования.

Как было описано в журнале Science, стеклополимерный гибридный материал может обеспечить «экологически безопасные средства дополнительного охлаждения» для термоэлектрических электростанций, которые требуют колоссального количества воды и электричества, чтобы поддерживать собственные механизмы при оптимальных температурах.

Толщина пленки всего 50 микрометров, это немного больше, чем алюминиевая фольга, которую вы найдете у себя на кухне. И, как и фольгу, исследователи говорят, что ее можно легко и экономично производить рулоном для крупномасштабных жилых и коммерческих применений.

«Мы считаем, что этот недорогой производственный процесс будет трансформироваться для реальных применений технологии радиационного охлаждения», - говорится в заявлении помощника профессора Сяобо Инь (Xiaobo Yin), который руководил исследованиями.

Инь сказал, что здания и электростанции - не единственные структуры, которые могли бы принести пользу. Материал также может препятствовать перегреву солнечных панелей, что позволяет им работать не только дольше, но и более эффективно.

«Просто применяя этот материал к поверхности солнечной панели, мы можем охладить панель и восстановить еще один-два процента солнечной эффективности», - сказал Инь. «Это будет иметь большое значение в масштабе».

Инь и его группа подали заявку на патент в качестве вводной части к изучению потенциальных коммерческих приложений. Они также планируют в этом году создать прототип «охлаждающей фермы» площадью 200 квадратных метров в Боулдере.

«Ключевым преимуществом этой технологии является то, что она работает круглосуточно без использования электричества или воды», - сказал Ронгги Ян (Ronggui Yang), профессор механической инженерии и соавтор статьи. «Мы очень рады шансу изучить возможности использования технологии в энергетике, аэрокосмической промышленности, сельском хозяйстве и т. д.».

Изобретение является результатом гранта в размере 3 млн. Долл. США, переданного в 2015 году Яню, Иню и Тану Агентством по исследованиям в области перспективных исследований энергетического сектора (ARPA-E).