Главная дыра в теплоизоляции домов оказалась решаемой — и это не стены

Даже самые современные энергоэффективные здания остаются уязвимыми в одном месте — в окнах. Стены можно заполнить изоляцией, но стекло должно пропускать свет, а материалы, хорошо удерживающие тепло, обычно портят прозрачность. Учёные предложили решение, которое нарушает этот компромисс и позволяет сохранять тепло без потери обзора. Об этом сообщает научное издание со ссылкой на исследование Университета Колорадо в Боулдере.

Почему окна остаются слабым звеном

На здания приходится около 40 процентов мирового энергопотребления, и значительная часть этих потерь связана именно с остеклением. Зимой тепло уходит через стекло наружу, а летом, наоборот, солнечное излучение перегревает помещения, увеличивая нагрузку на кондиционирование.

Проблема упирается в физику. Материалы, которые хорошо удерживают тепло, как правило, рассеивают свет и делают стекло мутным. Поэтому архитекторы и инженеры десятилетиями балансировали между прозрачностью, эстетикой и энергоэффективностью, так и не находя универсального решения.

Что такое MOCHI и как он работает

Команда физиков и материаловедов из Университета Колорадо представила новый материал под названием MOCHI — Mesoporous Optically Clear Heat Insulator. По сути, это силиконовый гель, который можно формировать в виде тонких плёнок или плит и наносить на внутреннюю поверхность уже установленных окон.

В лабораторных экспериментах слой MOCHI толщиной всего около 5 миллиметров позволял удерживать открытое пламя прямо над ладонью без ощущения ожога. При этом материал оставался почти полностью прозрачным, отражая лишь примерно 0,2 процента падающего света.

Старший автор исследования, физик Иван Смалюх, подчёркивает, что главная сложность заключалась именно в сочетании этих свойств.

"Чтобы блокировать теплообмен, можно просто усилить изоляцию стен, но окна должны оставаться прозрачными. Найти действительно прозрачный теплоизолятор — это чрезвычайно сложная задача", — отметил Иван Смалюх.

Контролируемая структура вместо "замороженного дыма"

По своей идее MOCHI напоминает аэрогели — сверхлёгкие материалы, которые иногда называют "замороженным дымом" и которые используются, в том числе, в космической технике. Однако классические аэрогели страдают от сильного рассеяния света из-за хаотичной структуры пор, поэтому выглядят мутными.

В случае MOCHI исследователи пошли другим путём и буквально "спроектировали" внутреннюю структуру материала. Процесс начинается с добавления поверхностно-активных веществ — молекул, похожих на те, что используются в моющих средствах. В растворе они самоорганизуются в тонкие нитевидные структуры.

Молекулы силикона осаждаются вокруг этих нитей, а затем поверхностно-активные вещества аккуратно удаляются и заменяются воздухом. В результате формируется сеть наноразмерных каналов, выстланных силиконом. Сам Смалюх с иронией называет эту архитектуру "кошмаром водопроводчика" из-за её сложной и запутанной формы.

Как микропоры останавливают тепло

Передача тепла в газах происходит за счёт столкновений молекул, которые передают энергию друг другу. В MOCHI этот механизм практически блокируется.

Поры материала настолько малы, что молекулы воздуха сталкиваются со стенками каналов гораздо чаще, чем друг с другом. Это резко снижает их способность переносить тепловую энергию через слой материала.

"Молекулы просто не успевают свободно сталкиваться между собой и обмениваться энергией", — объяснил Смалюх.

"Вместо этого они постоянно ударяются о стенки пор, что резко замедляет теплопередачу", — добавил он.

Ключевой момент в том, что размеры пор и толщина силиконовых стенок подобраны так, чтобы минимизировать рассеяние света. Благодаря этому материал остаётся оптически чистым даже при высокой теплоизоляционной эффективности.

Возможности применения за пределами окон

Самое очевидное применение MOCHI — модернизация окон в жилых и офисных зданиях. Тонкая плёнка может устанавливаться без массивных рам, штор или дополнительных конструкций, сохраняя внешний вид и естественное освещение.

Однако разработчики видят и более широкий потенциал. Материал может использоваться в пассивных солнечных системах, где солнечное тепло накапливается и используется для нагрева воды или внутренних помещений даже в пасмурные дни.

"Даже когда небо затянуто облаками, солнечного излучения всё равно достаточно, чтобы собрать энергию и использовать её для обогрева интерьера", — отметил Иван Смалюх.

Стоимость, долговечность и масштабирование

Пока MOCHI остаётся лабораторной разработкой. Процесс производства достаточно сложен и требует точного контроля, поэтому говорить о массовом выпуске преждевременно.

При этом сами ингредиенты доступны и относительно недороги. Основа материала — силиконовая сеть, которая отличается химической стабильностью, устойчивостью к старению и не склонна к пожелтению, в отличие от некоторых пластиков.

Исследователи уверены, что технологию можно адаптировать под непрерывное промышленное производство, создавая крупные и однородные листы для нового строительства и реконструкции зданий.

Энергетический эффект в долгосрочной перспективе

Если представить себе города, где большинство окон покрыты почти невидимой, но эффективной теплоизоляционной плёнкой, энергетический баланс заметно изменится. Зимой снизятся теплопотери, летом уменьшится перегрев, а пиковые нагрузки на энергосистемы станут более сглаженными.

Поскольку эффективность MOCHI основана на физических свойствах, а не на движущихся механизмах, эффект будет накапливаться годами без необходимости сложного обслуживания.

Сравнение MOCHI и традиционного остекления

Обычные энергоэффективные стеклопакеты улучшают теплоизоляцию за счёт многослойности и инертных газов, но часто увеличивают толщину окон и стоимость установки. MOCHI, напротив, работает как дополнительный тонкий слой, который можно интегрировать в существующие конструкции.

Традиционные решения снижают теплопотери, но редко достигают такой прозрачности при минимальной толщине. MOCHI предлагает иной подход, где изоляция достигается за счёт микроструктуры, а не массивности.

Плюсы и минусы технологии MOCHI

Появление такого материала открывает новые возможности, но имеет и ограничения.

К основным преимуществам относятся:

• высокая прозрачность при эффективной теплоизоляции;
• возможность модернизации уже установленных окон;
• долговечность и химическая стабильность силиконовой основы.

Среди потенциальных недостатков:

• сложность и стоимость начального производства;
• необходимость масштабирования технологии;
• потребность в адаптации под разные климатические условия.

Советы шаг за шагом: где технология будет наиболее полезна

1. В зданиях с большой площадью остекления, где теплопотери особенно заметны.

2. В регионах с резкими сезонными перепадами температур.

3. При реконструкции старых домов без замены оконных рам.

4. В пассивных солнечных системах для накопления тепла.

Популярные вопросы о прозрачной теплоизоляции

Чем MOCHI отличается от обычных плёнок для окон?

Он не просто отражает тепло, а физически блокирует его передачу через микропористую структуру.

Насколько долговечен такой материал?

Силиконовая основа устойчива к старению и не теряет прозрачность со временем.

Когда технология может появиться на рынке?

Для этого необходимы дополнительные испытания и оптимизация производства, но исследователи считают путь к масштабированию реалистичным.