· Перевод статьи с сайта ScienceNewsExplores.
В жарких регионах мира это потенциально может значительно сократить потребление энергии
Для поддержания комфортной температуры воздуха в зданиях в жарких регионах мира требуется много энергии. Исследователи надеются сократить потребление энергии с помощью нового покрытия для окон. В отличие от кондиционеров и вентиляторов, для его работы не требуется электроэнергия.
Солнечный свет, проникая через окна, является большим источником тепла в зданиях, объясняет Тэнфэй Ло. Он надеется изменить эту ситуацию. Ло - инженер в Университете Нотр-Дам, штат Индиана. Его команда только что разработала новое покрытие, они описали его в журнале ACS Energy Letters 9 декабря 2022 года.
Солнечный свет содержит как видимый свет, который мы можем видеть, так и свет, который невидим для наших глаз. Эти невидимые оттенки относятся к ультрафиолетовому и ближнему инфракрасному диапазонам волн. Все три типа волн могут проходить через стекло. Окна должны пропускать видимый свет, но не два других, объясняет Ло. "Кроме нагрева помещения, они ничего не дают", - говорит он.
Ло и его команда задались целью разработать прозрачное покрытие, блокирующее нагревающие волны. Но они не просто хотели предотвратить проникновение излучения в здания, а чтобы оно не способствовало изменению климата. Эти длины волн света не могут покинуть атмосферу Земли, поэтому они, так или иначе, нагревают Землю. (Другие длины волн могут уходить в космос).
Идеальное покрытие должно выполнять три функции: во-первых, оно должно пропускать как можно больше видимого света. В то же время оно должно блокировать весь ультрафиолетовый и ближний инфракрасный свет, какой только может. Наконец, оно должно излучать тепловую энергию на длинах волн, способных вернуться обратно в космос.
Ультратонкие слои таких материалов, как диоксид кремния и диоксид титана, могут взаимодействовать со светом таким образом, что это помогает, говорит Ло. Но ни один из них не может сделать все это. Поэтому его команда решила укладывать такие материалы слоями, как стопку блинов. Но сколько должно быть слоев и в какой последовательности? Такое наслоение изменяет то, как структура взаимодействует с различными длинами волн света, объясняет Ло.
Его группа предположила, что большое количество слоев повышает шансы на оптимизацию яркости поступающего света. Это должно препятствовать выделению тепла. Но знание того, как оптимизировать слой и упорядочить слои, может стать действительно сложным по мере увеличения количества слоев. Если, конечно, у вас нет квантового компьютера.
Квантовые компьютеры работают с информацией так, как не могут работать традиционные компьютеры. Это позволяет им решать некоторые типы задач - например, эту - довольно быстро.
Рассмотрев миллиарды вариантов…
Команда выбрала четыре перспективных материала, затем они поставили задачу следующим образом: Уложить эти материалы очень тонкими слоями в любом порядке. Всего может быть до 24 слоев. Подсчитайте, какой из всех возможных вариантов укладки лучше всего удерживает тепло, но пропускает видимый свет?
Оказалось, что существует сотни миллиардов возможных вариантов, говорит Ло. Традиционному компьютеру потребовались бы миллионы лет, чтобы оценить их. А квантовый компьютер: Он может оценить их "всего за долю секунды", - говорит Ло.
Но одного раза рассмотреть все возможные варианты расположения было недостаточно. "Поиск наилучшего решения похож на поиск самой маленькой песчинки на пляже", - говорит Ло.
"По мере того, как вы находите все более мелкий песок, вам нужны все более точные линейки".
В данном случае "линейка" - это компьютерная модель, которая становится более точной при большем количестве циклов измерений. Чтобы получить ответ, могут потребоваться тысячи циклов измерений и доработки программы, объясняет Ло. Примерно через два дня вычислений у команды был готов чертеж покрытия.
Они наносили это покрытие слой за слоем на стеклянную поверхность. В самом верху они добавили последний материал, называемый PDMS. Этот слой излучает тепловую энергию на длинах волн, которые могут проходить через атмосферу Земли. Некоторое количество этого света может быть поглощено объектами на Земле, однако большая часть достигнет космоса, говорит Ло.
В результате его команда обнаружила удивительно прозрачное покрытие. Несмотря на мягкий оранжевый оттенок, оно было очень прозрачным для видимого света.
Новое покрытие не требует применения изощренных приемов
В покрытии используются обычные, недорогие материалы. Оно не требует экзотических способов. Поэтому его можно наносить на новые окна по мере их изготовления или, возможно, добавлять к уже существующим.
Команда Ло отправила образец окна в Phoenix, штат Аризона, для проведения испытаний. После полутора дней пребывания в жарком климате в испытательной камере было на 6 градусов Цельсия прохладнее, чем в необработанном окне. Моделирование показало, что в жарком климате это новое покрытие может сократить потребление энергии для охлаждения зданий почти на треть. (Они не проверяли, как покрытие повлияет на дома во время холодной зимы).
Ло видит потенциал для широкого применения этого стеклянного покрытия в странах с жарким климатом.
Для серьезного решения проблемы изменения климата необходимы энергоэффективные здания.
Окна могут быть частью этого решения, считает Томас Калп. Он не принимал участия в этом исследовании, но он работает как независимый инженер, консультирующий Национальную ассоциацию производителей стекла. Он отмечает, что для поддержания комфортной температуры в зданиях с окнами требуется больше энергии. В настоящее время, отмечает он, "на окна приходится 25 процентов энергии, используемой для обогрева и охлаждения зданий".
Калп призывает исследователей решать эту проблему с помощью новых технологий, как это сделала группа Ло. Их работа является примером "использования современных компьютерных инструментов для разработки передовых материалов, которые могут помочь снизить энергопотребление в зданиях", - говорит он. По его словам, это может привести к сокращению выбросов углекислого газа, которые способствуют изменению климата.