Умное кровельное покрытие отражает тепло летом и удерживает его зимой.

Инженеры лаборатории Беркли разработали кровельное покрытие, которое может сохранять в здании тепло или прохладу, в зависимости от погоды. Когда на улице тепло, материал будет отражать солнечный свет и тепло, но зимой это лучистое охлаждение автоматически отключается, что снижает потребление энергии как на обогрев, так и на охлаждение.

Системы радиационного охлаждения работают, вытягивая тепловое излучение (то есть тепло) из здания и затем излучая его в небо. Поскольку атмосфера прозрачна для этих длин волн, тепло уходит прямо в космос. В других версиях используются отражающие поверхности, такие как супербелые краски, которые отражают солнечный свет и тепло, сохраняя в здании прохладу.

Но хотя эти системы могут хорошо обеспечивать прохладу в доме летом, они также сохраняют прохладу зимой. Поэтому для нового исследования команда разработала покрытие, которое может автоматически переключаться на удержание тепла при падении ртути. Они называют этот материал термоадаптивным радиационным покрытием (TARC).

Ключом к технологии является странное соединение под названием диоксид ванадия (VO2). В 2017 году команда обнаружила необычное свойство VO2: когда температура достигает 67 °C (153 °F), материал проводит электричество, но не тепло, что является явным нарушением известных законов физики.

Теперь команда использовала эту причуду в работе. Идея состоит в том, что когда погода становится теплее, материал поглощает и излучает тепловой инфракрасный свет и, таким образом, удерживает его вдали от здания. Но в прохладную погоду материал прозрачен для тепла, что позволяет ему проникать от Солнца прямо к зданию.

Команда протестировала устройство, используя тонкопленочные участки TARC площадью 2 см2 (0,8 дюйма2), и сравнила их с образцами коммерческих темных и белых кровельных материалов. Беспроводные устройства измеряли изменения прямых солнечных лучей и температуры.

И действительно, TARC сработал на удивление хорошо. Согласно измерениям, TARC отражал около 75 процентов солнечного света независимо от погоды, но когда температура окружающей среды превышала 30 °C (86 °F), он излучал в небо до 90 процентов своего тепла. Когда погода опустилась ниже 15 °C (59 °F), TARC выделяла лишь 20 процентов своего тепла.

Используя собранные данные, команда смоделировала, как TARC будет работать круглый год в 15 различных климатических зонах континентальной части США, и подсчитала, что среднее домашнее хозяйство в США может сэкономить до 10 процентов своих счетов за электроэнергию, используя TARC.

Исследователи говорят, что TARC также может быть адаптирован в качестве терморегулирующего материала для автомобилей, электроники, спутников и даже тканей для палаток или одежды. Интересно, что независимая группа только что объявила о создании аналогичного покрытия для стекол и окон, в котором в качестве одного из активных ингредиентов будут использоваться наночастицы диоксида ванадия.

Далее команда планирует провести эксперименты с использованием более крупных прототипов TARC, чтобы проверить, насколько практичным будет его использование в качестве кровельного покрытия.

Исследование было опубликовано в журнале Science.

Источник: Лаборатория Беркли.