Skóra kameleona zamiast klimatyzacji. Nowe odkrycie zmieni miasta

Ogrzewanie i chłodzenie budynków jest jednym z najistotniejszych elementów składających się na emisje gazów cieplarnianych. Już dziś pochłania ono 15 proc. światowych dostaw energii, a zużycie to w nadchodzących dziesięcioleciach ma znacznie wzrosnąć. Międzynarodowa Agencja Energetyczna przewiduje, że zapotrzebowanie na energię do celów chłodniczych wzrośnie ponad trzykrotnie do roku 2050, jeśli nie zostaną podjęte działania mające na celu poprawę efektywności energetycznej.

To problem tym bardziej palący, że międzynarodowe agencje przewidują, że ekstremalne anomalie pogodowe, takie jak fale upałów, będą w najbliższych dekadach uderzać coraz częściej. Według niektórych szacunków, jeśli emisje gazów cieplarnianych nie zostaną istotnie ograniczone, znaczna część Europy będzie doświadczać ekstremalnych, długotrwałych upałów niemal każdego roku. Oznacza to drastyczny wzrost zapotrzebowania na klimatyzację, a co za tym idzie zwiększenie zużycia energii. 

Aby zmniejszyć skalę problemu, dwa zespoły badawcze sięgnęły do rozwiązań inspirowanych przyrodą. Wzorując się na zmieniającej kolory skórze kameleona, inżynierowie stworzyli dynamiczne, zmieniające kolor materiały do elewacji budynków, które mogą znacznie zmniejszyć ślad energetyczny klimatyzacji i ogrzewania.

Jednym z pomysłów inżynierów Uniwersytetu w Chicago jest urządzenie, które za naciśnięciem przełącznika zmienia ilość emitowanego ciepła podczerwonego, pomagając w utrzymaniu komfortu w pomieszczeniach przez cały rok bez zużywania dużej ilości energii. Drugie urządzenie, opracowane przez zespół z Uniwersytetu w Toronto, kontroluje ilość, rodzaj i kierunek światła podczerwonego i widzialnego wpadającego do budynków. Obie technologie same wykorzystują energię elektryczną, ale osiągnięte przez nie znaczne ograniczenie zużycia energii z nawiązką rekompensuje to zużycie.

Stosowane dziś technologie zmniejszające obciążenie klimatyzacji obejmują okna elektrochromowe, które przyciemniają się pod wpływem prądu lub ciepła słonecznego, aby zmniejszyć ilość światła słonecznego wpadającego do biur, oraz systemy pasywnego chłodzenia, które odbijają przenoszące ciepło promieniowanie podczerwone w przestrzeń kosmiczną. 

Inżynier molekularny Po-Chun Hsu i współpracownicy z Uniwersytetu w Chicago chcieli stworzyć urządzenie pracujące w dwóch trybach, które mogłoby być kontrolowane dynamicznie, a nie wyzwalane temperaturą. "Zamiast pompować energię do ogrzewania lub chłodzenia, modulujemy izolację budynków, dodając lub usuwając jej warstwy, tak jak robią to ludzie zakładając czy zdejmując warstwy ubrań" - mówi Hsu.

Ich cienkie, przypominające baterię urządzenie składa się z niepalnego, zawierającego miedź, wodnego elektrolitu umieszczonego pomiędzy dwiema elektrodami. Elektroda skierowana na zewnątrz budynku to folia z tworzywa sztucznego pokryta siatką złotych nanodrutów, pojedynczą warstwą grafenu i odrobiną platyny. Drugą elektrodą jest folia miedziana.

W trybie ogrzewania przyłożone napięcie wypycha nanocząsteczki miedzi z elektrolitu na warstwę platynowo-grafenową. Tworzą grubą warstwę metalu, która odbija promieniowanie podczerwone, "jak metaliczne koce termiczne, które ograniczają utratę ciepła ludzkiego ciała"  mówi Hsu.

Po odwróceniu napięcia metal rozpuszcza się z powrotem w elektrolicie, który emituje ciepło podczerwone przez przezroczystą elektrodę z tworzywa sztucznego, powodując chłodzenie. W trybie chłodzenia materiał może odbijać do 92 procent promieniowania podczerwonego. W trybie ogrzewania, pochłania 93 proc. docierającego do niego ciepła. 

Naukowcy wykorzystali EnergyPlus, oprogramowanie do symulacji energii typu open source, do obliczenia zużycia energii przez budynek w 15 różnych miastach w USA, przy założeniu, że fasada konstrukcji zostałaby pokryta ich nowym materiałem. Według opublikowanego w czasopiśmie Nature Sustainability badania, urządzenie zużywa średnio mniej niż 0,2 procent całkowitego zużycia energii elektrycznej w budynku, ale pozwala zaoszczędzić 8,4 procent rocznego zużycia energii przez system chłodzenia i ogrzewania. 

Hsu przyznaje, że zastosowanie grafenu i miedzi sprawia, że urządzenie jest obecnie drogie, ale zespół pracuje już nad wykorzystaniem alternatywnych materiałów w celu obniżenia kosztów.

Tańszym rozwiązaniem ma być urządzenie "optofluidyczne" stworzone przez profesora nauk o materiałach i inżynierii Benjamina Hattona i jego współpracowników z Uniwersytetu w Toronto. Naukowcy złożyli ze sobą trzy cienkie arkusze pleksiglasu. Każda warstwa jest pokryta kanalikami o wysokości od 2 do 3 milimetrów, przez które pompowane są różne płyny: barwiona zawiesina na bazie wody lub alkoholu, która może absorbować zarówno fale widzialne, jak i bliską podczerwień; zawiesina sadzy zapewniająca cień; albo zawiesina nanocząstek tytanu, która rozprasza i kieruje przechodzące przez nią światło.

Połączenie tych trzech efektów umożliwia "jednoczesne dostosowywanie intensywności, widma i rozproszenia przepuszczanego światła słonecznego w budynkach" mówi Hatton. Panele wypełnione cieczą można zastosować w nowych oknach lub zamontować na starych szybach. System miałby wpływ na wygląd budynków i wymagałby ostrożnego zarządzania objętością płynów i wyciekami. Ponieważ jednak kontroluje światło słoneczne zarówno w zakresie widzialnym, jak i podczerwonym, może mieć większy wpływ na zużycie energii w porównaniu z podejściem polegającym wyłącznie na zarządzaniu ciepłem.

Hatton i współpracownicy także przeprowadzili symulację EnergyPlus. Oszacowali, że wykorzystanie ich rozwiązania zmniejsza zużycie energii o 43 procent w porównaniu z oknami elektrochromowymi. "W porównaniu z oknem statycznym ta oszczędność energii jest jeszcze większa" mówi badacz. "Wydaje nam się interesujące, że tak cienkie warstwy płynów mogą mieć tak duży wpływ na zapotrzebowanie energetyczne całego budynku".