Софья Шехова Леонардо да Винчи, рисуя чертежи для летательных аппаратов, вдохновлялся крыльями птиц и насекомых. Сегодняшние инженеры ищут подсказки для создания новых технологий в наноузорах на крыльях бабочек и структуре лепестков. Какие секреты насекомых и цветов помогают совершать открытия современным учёным?
Секрет 34 градусов
Солнечные панели появились благодаря изучению фотогальванического эффекта, который открыл французский физик Беккерель в 1839 году и математически объяснил Альберт Эйнштейн в 1905 году. Первые практические фотоэлементы создали на основе кремниевых полупроводников. Драйвером развития этих технологий альтернативной энергетики в середине XX века стали космические программы — например, солнечные панели использовали для питания спутников. Позже, в XXI веке, структура фасеточных глаз насекомых, обладающих антибликовыми свойствами, подтолкнула учёных к созданию улучшенных покрытий для солнечных элементов.
Сегодня солнечную энергетику продолжают развивать с помощью технологий, позаимствованных у природы, и одними из самых увлекательных находок в её коллекции стали… бабочки.
В 2015 году учёные исследовали поведение белянок и капустниц во время принятия солнечных ванн. Выяснилось, что насекомые складывают крылья под углом в 34 градуса: в таком положении их чешуйчатая структура отражает свет прямо на мышцы. Таким образом бабочка быстрее разогревается перед полетом. Угол в 34 градуса начали закладывать в прототипы тонкоплёночных солнечных концентраторов. Эти устройства преобразуют энергию фотонов в тепло, а затем при помощи генератора — в электричество. Наблюдение за бабочками помогло создать прототип солнечных панелей, КПД которых вырос в полтора раза, а масса уменьшилась в 17 раз.
Крыло против кремния
«Кто был тот ювелир, что, бровь не хмуря, нанес в миниатюре на них тот мир, что сводит нас с ума?» Так писал о бабочках Иосиф Бродский - и действительно, на поверхности их крыльев есть наноузоры. Эти структуры меньше длины волны света, способны по-особому преломлять, рассеивать и фокусировать фотоны. На основе строения этих наноузоров учёные создают гибкие и лёгкие фотоэлементы. Они уменьшают перегрев солнечной панели, подстраиваются под угол падения лучей и меняют цвет в зависимости от освещения.
Природа создаёт разнообразные узоры на крыльях бабочек с помощью разнообразных пигментов в их чешуйках. Яркая окраска чешуекрылых может быть предупреждающей, потому что некоторые тропические мотыльки ядовиты. Иногда с помощью своих узоров неядовитые виды имитируют опасные. Чешуйки гасят вибрацию при полёте насекомого, что делает его почти беззвучным.
Крылья бабочек Papilio ulysses содержат множество наноотверстий, которые работают как естественный солнечный коллектор. Созданная по их образцу матрица улавливает почти весь свет в диапазоне тёплого жёлто-оранжевого спектра — около 600 нанометров. Это экономит до 84% материала по сравнению с современными батареями. Коммерческие солнечные панели сделаны из слоёв кристаллического кремния толщиной 200–300 микрометров. Новые наноинженерные структуры позволяют сократить этот показатель в сотни раз и повысить эффективность батарей.
Умное охлаждение
Чешуекрылые не только греются — они умеют охлаждаться. На их крыльях распределены микроскопические «радиаторы». Окрашивая нервные клетки, учёные обнаружили, что у мотыльков есть целая сеть механических и температурных датчиков. Они помогают регулировать нагрев жилок через кровеносную и дыхательную системы. В результате тепло отводится от наиболее чувствительных участков тела — и насекомое не перегревается даже под палящим солнцем.
В 2023 году китайские учёные воспроизвели принцип строения крыла Morpho menelaus в охлаждающих покрытиях. Одно из них — тонкая полимерная плёнка, которая под прямыми солнечными лучами остаётся на два градуса холоднее окружающего воздуха. Такой материал может использоваться на окнах или крышах зданий либо автомобилей, чтобы снизить затраты на кондиционирование воздуха.
От бабочек к стрекозам и «солнечным листьям»
У стрекоз подсмотрели форму крыльев, чтобы улучшить аэродинамику лопастей ветряных турбин, которые после доработки начали захватывать воздух плавнее и эффективнее. Растения вдохновили специалистов на создание «солнечных листьев» — гибких фотоэлементов из полимеров, которые буквально тянутся к свету, как подсолнух за солнцем.
Благодаря аналогичному подходу появилась солнечная панель, имитирующая строение листка растения. В ней предусмотрена система отвода избыточного тепла: испарение воды охлаждает фотогальванический элемент, что помогает избежать перегрева и увеличивает общую производительность батареи.
Бабочки и цветы — часть соавторов технологий.
Полную версию читайте в журнале HeatClub#9/2025
Больше нужной информации https://heatclub.ru