8 Minutės
Langai yra būtini natūraliai dienos šviesai ir vaizdams į išorę, tačiau jie taip pat yra vieni didžiausių šilumos nuostolių ir įsiskverbimo šaltinių pastatuose. Kolorado Boulderio universiteto (University of Colorado Boulder) mokslininkai sukūrė beveik skaidrų izoliacinį medžiagą, pavadintą MOCHI, kuri žada sulėtinti šilumos perdavimą per stiklą nepaisant dienos šviesos pralaidumo — tai gali pakeisti, kaip šildome, vėsiname ir projektuojame energijos efektyvius pastatus.
Kas yra MOCHI ir kodėl tai svarbu
MOCHI reiškia Mesoporous Optically Clear Heat Insulator (mesoporinė optiškai skaidri šiluminė izoliacija). Tai silikono pagrindu pagamintas gelis, suprojektuotas turėti didžiulį mikroskopinių oro kanalų tinklą, toks smulkus, kad oras sudaro daugiau nei 90 % medžiagos tūrio. Toks vidinis architektūros sprendimas leidžia MOCHI derinti dvi dažnai nesuderinamas savybes: aukštą šiluminę izoliaciją ir puikų optinį skaidrumą.
Viena iš pagrindinių privalumų yra vizualumas. Skirtingai nuo daugelio izoliacinių medžiagų, kurios sklaido šviesą ir išblukina vaizdus, MOCHI praleidžia beveik visą matomą šviesą ir atspindi tik apie 0,2 % patenkančios šviesos. Tai reiškia, kad pastatų savininkai ir projektavimo specialistai gali pridėti papildomą izoliaciją prie langų neišvengdami dienos šviesos sumažėjimo, nereikindami aukoti saulės vaizdų ar vizualinio ryšio su išore, kas svarbu ergonomikai, biuro aplinkai ir gyventojų gerovei.
Abram Fluckiger laiko pavyzdinę kvadratinę plokštelę, kuri turi penkias susluoksniuotas naujos, beveik skaidrios izoliacinės medžiagos — MOCHI — sluoksnius. Medžiagą sukūrė CU Boulder mokslininkai fizikos profesoriaus Ivano Smalyukho laboratorijoje.
Kaip medžiaga gaminama ir kaip ji blokuoja šilumą
Pagrindas MOCHI efektyvumui yra porų dydžio ir išsidėstymo kontrolė. Tyrėjų grupė naudoja paviršinio aktyvumo (surfaktanto) molekules skystame tirpale, kad susidarytų siūliškos formos šablonai. Silikono molekulės dengia šiuos siūlus, o vėliau surfaktantas pašalinamas ir pakeičiamas oru, paliekant sudėtingą silikono skeletą su itin smulkiais oro užpildytais kanalais. Profesorė Smalyukh likusį kanalų tinklą apibūdino kaip „santechniko košmarą", pabrėžiant sudėtingą vidinę morfologiją.
Tie smulkūs kanalai savo dydžiu patenka į tai, ką fizikų bendruomenė vadina mezoporinės srities režimu: poros yra palyginamos arba mažesnės už vidutinį oro molekulių laisvą kelią (mean free path). Vietoj laisvo susidūrimo ir energijos mainų tarp dujų molekulių, molekulės kiekvienoje poroje dažniau trankosi į kanalų sieneles. Toks elgesys riboja laidinį šilumos perdavimą per medžiagą panašiu principu kaip aerogeliai — tačiau su svarbiu skirtumu: MOCHI yra suprojektuota taip, kad sumažintų šviesos sklaidą ir išliktų ypatingai skaidri. Tai svarbu optinei kokybei ir dienos šviesos išsaugojimui, o kartu padeda pasiekti gerą U-vertę ir didesnį R-vertės ekvivalentą langams.
Norint iliustruoti izoliacinę galią, komanda praneša, kad 5 mm storio MOCHI lakštas gali atlaikyti ugnies liepsną priglaustą prie paviršiaus neperduodamas tiek daug šilumos, kad kitoje pusėje įvyktų nudegimas. Ši įspūdinga demonstracija pabrėžia, kiek efektyviai labai porėta ir kruopščiai sukonstruota medžiaga gali sulėtinti šilumos srautą. Tokie bandymai taip pat padeda įvertinti medžiagos termodinaminius parametrus, galimus praktinius U-vertės patobulinimus langų sistemose bei atsparumą vietiniams perkaitimo scenarijams.
Shakshi Bhardwaj laiko skirtingų dydžių MOCHI blokus — tai nauja beveik skaidri izoliacinė medžiaga, sukurta CU Boulder tyrėjų Ivano Smalyukho laboratorijoje. Tokie pavyzdžiai padeda tirti mechaninį elgesį, optinius parametrus ir galimybes pritaikyti gamybos proceso mastą.
Langai, pastatai ir problemos mastas
Pastatai sunaudoja maždaug 40 % pasaulinės energijos gamybos, o reikšminga šios energijos dalis pereina per langus. Žiemą šiltas vidaus oras išgaruoja per stiklą ir langų rėmus; vasarą pro stiklą patenka saulės šviesa ir išorinė šiluma. Tradicinės strategijos, skirtos sumažinti šią energijos apykaitą, apima dvigubo arba trigubo stiklo paketus (double/triple glazing), žemos emisijos (low-E) dangas ir izoliuotus langų rėmus — visi šie sprendimai yra veiksmingi skirtingu mastu, bet kartais ribojami kaštų, svorio ar sumažėjusios dienos šviesos.
MOCHI taikosi užpildyti spragą: tai viduje pridedamas panelės tipo arba plonas lakštas, kurį galima pritvirtinti prie esamų langų siekiant pagerinti terminę varžą išlaikant skaidrumą. Tokia interjero pritaikymo galimybė (retrofit) leistų greitai pagerinti esamų pastatų energinį efektyvumą be brangių langų keitimų. Jeigu MOCHI bus pritaikoma dideliu mastu, toks sprendimas galėtų reikšmingai sumažinti šildymo ir vėsinimo poreikį gyvenamuosiuose ir komerciniuose pastatuose, tuo pačiu mažinant energijos sąskaitas ir anglies dvideginio emisijas, neaukojant natūralios šviesos ar vaizdų.
Kalbant apie energetinį poveikį, pramoniniai modeliavimai rodo, kad pažangios langų izoliacijos priemonės gali sumažinti šildymo poreikį regionuose su dideliais temperatūros svyravimais. MOCHI, turėdama itin mažą šilumos laidumą ir aukštą šviesos pralaidumą, gali būti vertingas komponentas šių modelių optimizavimui – ypač kai svarbu išlaikyti dienos apšvietimą, pavyzdžiui, biurų patalpose, mokyklose ir sveikatos priežiūros įstaigose.
Eldho Abraham (kairėje) ir Taewoo Lee (dešinėje) laiko MOCHI pritvirtintą prie plono plastiko lakšto. Šį langų izoliacijos pavyzdį sukūrė CU Boulder tyrėjai profesoriaus Ivano Smalyukho laboratorijoje. Tokie prototipai yra svarbūs testuojant montavimą, klijavimo ir vizualinį suderinamumą su langų sistemomis.
MOCHI prieš aerogelius ir kitą izoliaciją
Aerogeliai yra žinomi kaip ypač lengvos ir efektyvios izoliacinės medžiagos, naudojamos specializuotose sritis, įskaitant NASA kosminių laivų komponentus. Tačiau aerogeliai dažnai atrodo drumzliniai, nes jų poros sklaido matomą šviesą. CU Boulder komanda sąmoningai suformavo MOCHI poras taip, kad sumažintų sklaidą, pasiekdama aiškumą arčiau tradicinio stiklo, tuo pačiu išlaikant terminį našumą arčiau pažangių porėtų izoliatorių. Tai leidžia MOCHI užpildyti tarpinę poziciją tarp skaidrumo ir izoliacijos efektyvumo.
MOCHI medžiagų chemija — silikono gelių karkasas — taip pat suteikia praktinių privalumų: žaliavos yra palyginti nebrangios, o produktas gali būti formuojamas kaip ploni lakštai arba storesnės plokštės, pritaikomos skirtingoms panaudojimo sritims. Tai svarbu gamybai, kad būtų galima pasiūlyti tiek ekonomiškus, tiek aukštesnės pridėtinės vertės variantus. Tačiau dabartinis gamybos procesas reikalauja lėto, kruopštaus laboratorinio darbo ir ypač griežtos kontrolės siekiant išlaikyti porų dydžio pasiskirstymą ir optines savybes. Science žurnale paskelbtos studijos autoriai pabrėžia, kad mastelio didinimas ir gamybos supaprastinimas bus esminiai žingsniai prieš MOCHI pasiekdama rinką.
Iš techninės perspektyvos svarbu pabrėžti keletą parametrų, kuriuos inžinieriai ir gamintojai vertins: MOCHI šiluminis laidumas (lambda), matomas šviesos pralaidumas, dispersijos rodikliai, mechaninis atsparumas, drėgmės įgeriamumas ir UV stabilumas. Visi šie veiksniai lems produkto tinkamumą pastatų langų sistemoms, stoglangiams ir kitiems architektūriniams sprendimams.
Galimos taikymo sritys už langų ribų
Nors langai yra akivaizdus MOCHI taikinys, šios medžiagos derinys — skaidrumas ir terminė varža — atveria platesnes galimybes. Komanda siūlo taikymus, susijusius su saulės šilumos kaupimu arba valdymu: skaidrūs šiluminiai kolektoriai, izoliuoti stoglangiai (skylights), arba langams montuojamos sistemos, kurios kaupina saulės energiją ir dalį jos paverčia šiluma karštam vandeniui ar patalpų šildymui. Net debesuotomis sąlygomis dalinis saulės sulaikymas kartu su pagerinta izoliacija gali suteikti matomą energijos sutaupymą.
Tyrėjai taip pat pastebi galimybes elektronikos korpusams, optiniams prietaisams ir bet kurioje srityje, kur reikalinga skaidri terminė barjera. Kadangi MOCHI atspindi tik nedidelę dalį matomos šviesos, ją galima integruoti fasadų sistemose ir retrofit produktuose nekeičiant pastato išvaizdos radikaliai. Tokios savybės yra ypač vertingos istorinių pastatų renovacijoje, kai pageidaujama išlaikyti autentišką išorinį vaizdą, bet pagerinti energetinį našumą.
Iššūkiai komercializacijos kelyje
Nors laboratoriniai rezultatai žada daug, egzistuoja reikšmingų iššūkių. Dabartinė sintetinė schema yra laiko imli ir optimizuota mažiems mėginiams; ilgalaikis patvarumas ir UV stabilumas realiomis oro sąlygomis turi būti patvirtinti; ir gamybos procesai reikalaus pritaikymo didelio ploto, ekonomiško masto gamybai. Be to, reikės spręsti klijavimo, montavimo ir atnaujinimo (retrofit) būdus, užtikrinant sandarumą, optinį suderinamumą bei pastato energinį sandarumą.
Vis dėlto komanda yra optimistiška, kad proceso supaprastinimai ir tokios gamybos technologijos kaip roll-to-roll arba liejamosios (castable) sistemos gali galiausiai paversti MOCHI praktišku tiek montuojamu po vietos, tiek fabrike įrengiamu sprendimu. Tolimesni žingsniai apims ilgaamžiškumo testus, klimato bandymus, medžiagų suderinamumo tyrimus, saugos standartų atitikimą ir išlaidų analizę visam tiekimo grandinės ciklui.
Ekspertų įžvalgos
„MOCHI demonstruoja, kaip mikrostruktūros projektavimas gali suderinti dvi konkuruojančias reikalaves — optinį skaidrumą ir terminę varžą“, sako dr. Maya Ortega, medžiagų mokslininkė, tyrinėjanti porėtas izoliacines medžiagas (fiktyvus ekspertas). „Jei komanda sugebės perkelti laboratorinius metodus į nuolatinę gamybą, tai gali pakeisti retrofit strategijas tiek esamiems pastatams, tiek naujai statybai. Pagrindiniai veiksniai bus patvarumas ir kaštai masto atžvilgiu."
Ivan Smalyukh, vyresnysis autorius ir fizikos profesorius CU Boulder, paprastai suformulavo tikslą: „Nesvarbu, kokios temperatūros lauke, mes norime, kad žmonės galėtų turėti patogias temperatūras viduje neiššvaistant energijos." Straipsnis apie MOCHI buvo paskelbtas Science žurnale gruodžio 11 d., kas suteikė recenzuotą pagrindinių koncepcijų patvirtinimą, tačiau inžineriniai ir komercializacijos darbai dar laukia savo laiko.
Tyrėjai, architektai ir pastatų energetikos specialistai stebės, kaip MOCHI pereis nuo įspūdingos laboratorinės demonstracijos iki praktiško produkto. Jei medžiaga sėkmingai pereis šį išbandymą, ji galėtų leisti kurti aiškesnius, energetiškai efektyvesnius langus, kurie išlaikytų vaizdus ir dienos šviesą — ir ženkliai sumažintų energijos poreikį šildymui bei vėsinimui.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą