С увеличением продолжительности светового дня и повышением дневной температуры, многие из нас ищут прохлады возле вентиляторов и кондиционеров, но если дома или в офисе нету охлаждающих устройств, то приходится закрывать на окнах шторы или жалюзи, чтобы солнечные лучи не нагревали помещение. Несмотря на то, что каждый из этих способов охлаждения дает короткую передышку от жары, они также имеют свои недостатки. Вентиляторы и кондиционеры не могут работать без потребления дорогостоящей энергии, если не подключены к солнечным панелям, а при закрытых жалюзи или занавесках мы будем вынуждены сидеть в темноте.
Для решения этой проблемы инженеры-механики из Университета Нотр-Дам разработали пленку, которую можно наклеить на окна, чтобы она пропускала видимый свет и одновременно блокировала ультрафиолетовое (УФ) и инфракрасное излучение, вызывающее нагрев помещения. Новая технология предлагает удобный компромисс между солнечным светом, который необходим всем людям для выполнения повседневных задач, а также для нашего психологического здоровья - и снижением энергопотребления в жилых или коммерческих помещениях, которое в некоторых регионах резко возрастает летом.
Большинство пленок, блокирующих УФ-излучение, работают лучше всего, когда свет падает на пленку под углом 90 градусов. Но это непрактично для оконных пленок, которые в течение дня получают солнечный свет под разными углами. Для решения этой проблемы ученые из Лаборатории молекулярного и наномасштабного транспорта и энергетики (MONSTER) Университета Нотр-Дам использовали модель машинного обучения с использованием квантовых вычислений. ИИ-модель позволила определить элементы и соединения, необходимые для блокировки только ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Искусственный интеллект предоставил команде ученых возможность поэкспериментировать с различными перспективными материалами в рамках волновой оптической симуляции.
После того, как комбинация из диоксида кремния, оксида алюминия и титана показала хорошие результаты, команда перешла от теории к практике. Они уложили ультратонкие слои всех трех компонентов поверх листа стекла, а затем добавили кремниевый полимер микрометровой толщины, который отражал тепловое излучение, вместо того, чтобы пропускать его. Установив пленку на окно жилой комнаты, исследователи обнаружили, что она снижает температуру окружающей среды на 5,4–7,2 градуса Цельсия при сохранении прозрачности. Эффективность охлаждения пленки оказалась эффективной независимо от угла падения света снаружи.
В статье, опубликованной в журнале Physical Science, команда утверждает, что их пленка может способствовать ежегодной экономии энергии в размере 97,5 мегаджоулей на квадратный метр, или около 9 мегаджоулей на квадратный фут (0,3 метра). Для дома площадью 1500 квадратных футов (140 квадратных метров) это может означать ежегодное сокращение энергопотребления на 13 500 мегаджоулей – примерно треть от общего энергопотребления среднестатистического дома за год.
На данный момент нет информации о масштабируемости или коммерциализации пленки, но ученые считают, что их творение может быть полезно также для автомобильных окон, люков и других стеклянных изделий, в которых видимость является главным приоритетом.