Созданы охлаждающие плитки для зданий, работающие, как кожа слона
В Пенсильванском университете (UPenn) разработали недорогой состав для покрытия наружных поверхностей зданий с охлаждающим эффектом. Новинка описана в журнале Advanced Materials. По своему строению и принципу действия она напоминает кожу слона, о чем прямо заявлено в заголовке статьи.
В жаркий день мы потеем. Это досадное явление — результат работы одной из самых эффективных систем охлаждения в животном мире. Но досталась она не всем. Африканский слон, например, вынужден переносить палящий зной саванны, имея темно-серую кожу толщиной в несколько сантиметров. Как же ему удается не перегреваться?
«Благодаря морщинам. На коже слонов есть сеть трещин, которые задерживают воду. Когда они обрызгивают себя, вода остается на месте и испаряется медленно, постепенно охлаждая животное», — отвечает архитектор Дорит Авив из Школы дизайна Вайцмана в UPenn, одна из авторов исследования.
Эту подсказку, которую дает сама природа, реализовали в новом покрытии, которое улавливает, удерживает и медленно испаряет воду, охлаждая поверхности без вентиляторов, компрессоров и сложных подвижных механизмов. Его испытали в виде цементных плиток.
Под воздействием инфракрасного нагрева и периодического полива температура под такими плитками оставалась стабильной на уровне 32 °C. Для сравнения: треснувшая обычная штукатурка нагревалась до 42 °C, а целая — до 52 °C.
«В США мы проводим в помещениях примерно 90% времени, а на здания приходится около 40% первичной энергии — причем почти половина этого объема уходит на отопление, вентиляцию и кондиционирование. Такой пассивный биовдохновленный фасад может снизить температуру поверхности на 6–11 °C по сравнению с традиционной штукатуркой», — говорит профессор Шу Ян с факультета машиностроения UPenn, руководившая исследованием.
Нужна только вода
В отличие от кондиционеров, которые потребляют ископаемое топливо и усугубляют перегрев снаружи, выбрасывая тепло из помещений на улицу, эта система действительно пассивна — она охлаждает саму поверхность здания.
Удерживать воду для испарения и использовать фазовый переход для отвода тепла теоретически просто. Однако на практике исследователи столкнулись с серьезной проблемой: большинство строительных материалов справляются с этой задачей из рук вон плохо. Капли воды собираются в шарики, отскакивают или просто стекают по поверхности, не успев дать полезного охлаждения. Так возникла идея искусственного растрескивания.
«Строители считают трещины недостатком — это признак слабости, начало разрушения материала. Но если управлять возникновением трещин, их можно превратить в сеть микроскопических каналов, которые действуют как капилляры: затягивают воду по поверхности и удерживают ее», — объясняет Ян.
Охлаждающие плитки делают из смеси обычного портландцемента и диатомита — пористого минерала из ископаемых остатков водорослей. Дают раствору схватиться в течение часа, а затем сушат при 60 °C. Готовые плитки получаются обильно пронизанными хаотичными трещинами. Если же их отливать в специальных рельефных формах, сеть трещин получаются более равномерной, и охлаждающий эффект от таких плиток еще на 10–20% выше.
Когда вода попадает на поверхность, она впитывается за миллисекунды, а не отскакивает. Она проникает в сеть трещин и распределяется по всей плитке — даже вверх по наклонным поверхностям, вопреки силе тяжести. Такое продолжительное удержание влаги сохраняет поверхность мокрой дольше, что позволяет испарению эффективно выполнять свою охлаждающую работу. Шестиугольная геометрия сети заставляет воду двигаться зигзагом в стороны, а не стекать вертикально вниз, обеспечивая непрерывное охлаждение в течение 20 часов.
Добавить штукатурке интеллекта
Смесь диатомита и цемента можно наносить на стены с помощью пневматических распылителей — то есть попросту штукатурить их охлаждающим раствором.
В перспективе разработчики предполагают дополнить свое покрытие интеллектуальной системой подачи воды, которая будет включаться в соответствии с текущими погодными условиями.
