Здания учатся думать сами: стены обрели интеллект, который экономит энергию и спасает от жары

Инженеры из Принстонского и Калифорнийского университетов разработали пассивный механизм терморегуляции, который позволяет зданиям самостоятельно адаптироваться к жаре и холоду без дополнительной энергии. Новая технология использует обычные материалы, способные избирательно поглощать и излучать тепло, тем самым повышая энергоэффективность и комфорт.

Как работает система пассивной терморегуляции

Исследователи описали свою разработку в журнале Cell Reports Physical Science. Основная идея состоит в том, чтобы регулировать потоки теплового излучения между зданиями и окружающей средой.

"Здания обмениваются большей частью тепла с окружающей средой посредством излучения", — отметил доцент Принстонского университета Джиотирмой Мандал.

По его словам, управляя оптическими свойствами стен и окон, можно "настроить" их так, чтобы они охлаждали здание летом и удерживали тепло зимой. Это возможно благодаря выборочному взаимодействию материалов с различными диапазонами инфракрасного излучения.

Исторический опыт и новые принципы

Люди испокон веков пытались защитить дома от жары, используя белые стены и светоотражающие крыши. В таких городах, как Санторини в Греции или Джодхпур в Индии, отражение солнечного света помогало сохранять прохладу без кондиционеров.

"Крыши отражают солнечный свет и излучают тепло в небо, но стены и окна — гораздо более сложная задача", — пояснил доцент Калифорнийского университета Аасват Раман.

Именно стены и стекло чаще всего поглощают излучение, исходящее от нагретых улиц и соседних зданий. Поэтому разработчики сосредоточились на спектральном управлении тепловыми потоками: отделив длинноволновое излучение, уходящее в небо, от широкополосного тепла, исходящего с поверхности земли.

Уникальная идея: атмосферное окно

Учёные воспользовались природным явлением — так называемым атмосферным окном, узким диапазоном инфракрасных волн, через которые Земля отводит тепло в космос. Материалы, излучающие тепло именно в этом диапазоне, могут эффективно охлаждать здания даже под палящим солнцем.

"Покрывая стены и окна материалами, излучающими тепло только в пределах атмосферного окна, мы можем снизить приток тепла летом и потери зимой", — объяснил Мандал.

Таким образом, летом здания меньше нагреваются, а зимой — лучше удерживают внутреннее тепло.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: полагаться исключительно на кондиционеры и отопление.

• Последствие: перерасход энергии и рост выбросов CO₂.

• Альтернатива: использовать пассивные материалы, регулирующие тепло через излучение.

Материалы будущего — из сегодняшнего пластика

Наиболее впечатляющая часть исследования — то, что для создания покрытия не нужны дорогие наноматериалы. Всё работает с применением привычных веществ.

"Мы были воодушевлены, когда обнаружили, что полипропилен и поливинилиденфторид излучают тепло именно в атмосферном окне", — отметил Раман.

Эти распространённые виды пластика уже применяются в строительстве, что делает технологию дешёвой и масштабируемой.

Потенциал применения

1. Жаркие регионы. Уменьшение нагрузки на кондиционеры и снижение затрат на электроэнергию.

2. Холодный климат. Удержание тепла зимой без дополнительного отопления.

3. Глобальный Юг. Простое и доступное решение для стран, страдающих от жары и нехватки ресурсов.

"Наш механизм полностью пассивен и может стать справедливым решением для сообществ, испытывающих нехватку ресурсов", — подчеркнул Мандал.

Плюсы и минусы новой технологии

FAQ

Как покрытие охлаждает летом?
Оно излучает тепло в атмосферное окно, направляя его прямо в космос, и отражает солнечный свет.

А зимой здание не замерзнет?
Материал ограничивает излучение в другие диапазоны, удерживая внутреннее тепло.

Можно ли использовать технологию в старых зданиях?
Да, покрытия можно наносить поверх существующих стен и фасадов.

Насколько велика экономия энергии?
Эффект сопоставим с переходом на "холодные крыши" — до 30% снижения затрат на кондиционирование.

Мифы и правда

• Миф: охлаждение зданий требует активных систем.
  Правда: пассивное регулирование излучения может быть столь же эффективным.

• Миф: инновационные покрытия дороги.
  Правда: они создаются из дешёвого пластика.

• Миф: такие материалы нельзя масштабировать.
  Правда: их можно производить на существующих заводах.

Исторический контекст

Идея использовать свойства света и тепла для регулирования климата зданий существует давно, но только развитие материаловедения позволило реализовать её на практике. Сегодня исследователи объединяют физику излучения и экологический дизайн, создавая здания, которые могут "думать" о своём тепле сами.

3 интересных факта

1. Материалы, излучающие тепло в атмосферное окно, работают даже в ночное время.

2. Пассивная система не нуждается в электроэнергии — её эффективность обеспечивается оптическими свойствами.

3. Принстонская команда рассчитывает внедрить покрытия в промышленных масштабах в течение ближайших пяти лет.

Новая технология может радикально изменить подход к строительству. Вместо энергозатратных кондиционеров и отопления здания будущего смогут самостоятельно регулировать температуру, сохраняя прохладу в жару и уют зимой.