Устройство пассивно регистрирует температуру, переключается с нагрева на охлаждение

Недавние волны тепла поразили такие районы, как Северная Европа и Тихоокеанский Северо-Запад, которые традиционно обходились без особого кондиционирования воздуха. По мере того, как люди в этих регионах приспосабливаются к новой реальности, мы, вероятно, увидим изменения в потреблении электроэнергии со скачками спроса, типичными для регионов южнее. Нагрузка, которую эти изменения оказывают на сеть, может усугубить проблему быстрого отказа от ископаемого топлива.

Материалы, которые пассивно нагревают или охлаждают окружающую среду, могут сократить потребность в энергии, удовлетворяя некоторые из этих потребностей, не требуя использования энергии. Некоторые из этих материалов отражают падающий солнечный свет, чтобы он не нагревал помещение, в то время как другие активно излучают тепло в космос, что отлично, если вас беспокоит только тепло. Но во многих из этих областей бывают времена года и бывают периоды, когда избавление от рассеянного тепла также увеличивает потребление энергии.

Теперь команда исследователей из Нанкайского университета придумала, как получить все сразу: согревать на холодном воздухе и охлаждать, когда становится жарко, — и все это без затрат энергии.

Ощущение тепла

Основы пассивных материалов довольно просты. Для утепления нужен материал, который будет поглощать свет и выделять энергию в виде тепла. Охлаждение может быть таким же простым, как отражение этого света. В более сложной форме также можно включать материалы, которые излучают энергию в инфракрасном диапазоне длин волн, которые не поглощаются атмосферой, что позволяет фотонам уходить в космос.

Как правило, вы сталкиваетесь с выбором одного или другого — материалы не могут легко переключаться с поглощающего на отражающий солнечный свет. Лучшее, что вы можете сделать, это включить или выключить способность, чтобы (например) материал перестал отражать солнечный свет при некоторых условиях. Но даже некоторые из этих подходов требуют энергии для переключения между состояниями.

Для создания нового материала исследовательская группа была вдохновлена ​​складыванием и разворачиванием листьев растений мимозы, которые меняют свою форму в зависимости от условий окружающей среды. Идея заключалась в том, чтобы использовать что-то подобное для переключения между состояниями нагрева и охлаждения в зависимости от температуры окружающей среды.

Чтобы воплотить эту идею в жизнь, они использовали полимер, который менял свою форму в зависимости от температуры. Полимер состоял из трех отдельных субъединиц, которые могли принимать различные конформации при воздействии нагрузки. Когда листы полимера растягивали при высоких температурах (90°C), они расширялись и сжимались при температурах, характерных для внутренней среды. Затем этот чувствительный к температуре лист был объединен с прозрачным листом, который не реагирует на температуру. Полученный двухслойный лист будет испытывать неравные напряжения из-за изменения температуры, заставляя его сворачиваться при охлаждении и распрямляться при нагревании.

Выкатывание охлаждения

Сам по себе термочувствительный лист не был бы особенно полезен, поэтому исследователям пришлось объединить его с двумя другими материалами. Один из них был третьим слоем термочувствительного листа с двумя ключевыми свойствами: он отражал видимые длины волн и излучал фотоны в инфракрасном диапазоне, позволяя ему излучать тепло. Второй представлял собой темную подложку, поглощающую видимый свет.

Последнее устройство включало слой темной подложки, которая при воздействии солнечного света поглощала его и преобразовывала в тепло. Вдобавок к этому находится трехслойный лист, который меняет форму в зависимости от температуры и отражает солнечный свет, излучая при этом инфракрасное излучение.

При низких температурах термочувствительный лист сворачивается, обнажая темную подложку, которая поглощает солнечный свет, заставляя вещи нагреваться. Однако, как только температура поднимется, лист развернется, покрывая его. Теперь вместо впитывающей поверхности поверхность становится отражающей, что предотвращает нагревание области. Однако любое тепло в области, охватываемой этой системой, может излучаться, поскольку отражающая поверхность излучает в ИК-диапазоне.

Исследователи творчески называют эти два состояния режимами нагрева и охлаждения. Около 73 процентов входящего солнечного света поглощается, когда он находится в режиме обогрева. Напротив, переключение в режим охлаждения означает, что поглощается только 35 процентов падающего солнечного света, а излучение в среднем инфракрасном диапазоне увеличивается на 67 процентов.

Несмотря на то, что отражающий лист тонкий и выглядит хрупким, исследователи протестировали один из них на более чем 500 циклов скручивания/раскручивания, и он выдержал без каких-либо явных проблем. Единственная проблема, которую увидела команда, заключалась в том, что отражающий слой не имел плотного контакта с неотражающим, когда он был развернут, что ограничивало количество тепла, которое могло передаваться между ними. Поскольку отражающий слой отвечает за отвод этого тепла, это ограничивало общую эффективность системы.

Другим очевидным ограничением является то, что этому материалу требуется достаточно места для работы, поскольку отражающая поверхность сворачивается в трубку. Так что это нужно было бы урегулировать, прежде чем это будет включено в нечто вроде строительного материала. Тем не менее, в качестве первого шага к одному материалу, который приспосабливается к нагреву и охлаждению, концепция кажется великолепной, и, возможно, некоторые детали реализации можно будет решить в будущих итерациях.

ПНАС2022. DOI: 10.1073/pnas.2207353119 (О DOI).