Новый керамический материал охлаждает здание: как это работает

О значительном прорыве в разработке материала для пассивного радиационного охлаждения, PRC, объявили исследователи из Городского университета Гонконга, CityU. Результаты работы опубликованы в престижном научном журнале Science.

Материал, известный как охлаждающая керамика, обладает высокоэффективными оптическими свойствами для создания охлаждения без использования энергии и хладагента. Экономичность, долговечность и универсальность материала делают его пригодным для коммерческого использования в различных областях, в частности, в строительстве.

Снижая тепловую нагрузку зданий и обеспечивая стабильное охлаждение даже при различных погодных условиях в любом климате, охлаждающая керамика повышает энергоэффективность и позволяет бороться с глобальным потеплением.

По словам профессора Эдвина Цо Чи-яна, доцента Школы энергетики и окружающей среды (SEE) CityU, одного из авторов-корреспондентов статьи, PRC считается одной из наиболее перспективных технологий «зеленого» охлаждения, позволяющих снизить растущий спрос на охлаждение помещений, уменьшить загрязнение окружающей среды и бороться с глобальным потеплением.

Однако существующие в настоящее время КНР с использованием нанофотонных структур ограничены их высокой стоимостью и плохой совместимостью с существующими конечными применениями, а полимерные фотонные альтернативы не обладают погодоустойчивостью и эффективным отражением солнечных лучей.

Улучшенные оптические свойства и применимость

«Наша охлаждающая керамика обладает передовыми оптическими свойствами и имеет надежную применимость. Цвет, атмосферостойкость, механическая прочность и способность подавлять эффект Лейденфроста — явление, препятствующее теплопередаче и делающее охлаждение жидкости на горячей поверхности неэффективным, — вот ключевые характеристики, обеспечивающие долговечность и универсальность охлаждающей керамики»,

— говорит профессор Цо.

Уникальность охлаждающей керамики заключается в ее иерархически пористой структуре, представляющей собой объемный керамический материал, который легко изготавливается из доступных неорганических материалов, таких как глинозем, с помощью простого двухстадийного процесса, включающего инверсию фаз и спекание. При этом не требуется сложного оборудования и дорогостоящих материалов, что делает масштабируемое производство охлаждающей керамики вполне осуществимым.

Оптические свойства определяют эффективность охлаждения материалов PRC в двух диапазонах длин волн: солнечном (0,25-2,5 мкм) и среднем инфракрасном (8-13 мкм). Для эффективного охлаждения требуется высокая отражательная способность в первом диапазоне, чтобы минимизировать приток солнечного тепла, и высокая излучательная способность во втором диапазоне, чтобы максимизировать радиационный теплоотвод. Благодаря высокому коэффициенту пропускания глинозема охлаждающая керамика сводит поглощение солнечного излучения к минимуму.

Кроме того, благодаря имитации биологической белизны жука Cyphochilus и оптимизации пористой структуры на основе рассеяния Ми, охлаждающая керамика эффективно рассеивает практически все длины волн солнечного света, в результате чего достигается практически идеальная солнечная отражательная способность 99,6% (рекордная высокая солнечная отражательная способность) и высокая средняя инфракрасная тепловая эмиссия 96,5%. Эти улучшенные оптические свойства превосходят аналогичные показатели современных материалов.

«Охлаждающая керамика изготовлена из глинозема, что обеспечивает необходимую устойчивость к ультрафиолетовому излучению, характерную для большинства конструкций PRC на основе полимеров. Кроме того, она обладает исключительной огнестойкостью, выдерживая температуру свыше 1 000 °C, что превосходит возможности большинства материалов PRC на основе полимеров или металлов»,

— утверждает профессор Цо.

Уникальная атмосферостойкость

Помимо исключительных оптических характеристик, охлаждающая керамика обладает отличной погодоустойчивостью, химической стабильностью и механической прочностью, что делает ее идеальным материалом для длительного применения вне помещений. При экстремально высоких температурах охлаждающая керамика проявляет супергидрофильность, обеспечивая мгновенное растекание капель и способствуя их быстрой пропитке благодаря взаимосвязанной пористой структуре. Эта супергидрофильность препятствует возникновению эффекта Лейденфроста, затрудняющего испарение, характерного для традиционных ограждающих материалов, и обеспечивает эффективное испарительное охлаждение.

Эффект Лейденфроста — это явление, возникающее при контакте жидкости с поверхностью, температура которой значительно превышает температуру ее кипения. Вместо того чтобы мгновенно выкипеть, жидкость образует паровой слой, который изолирует ее от прямого контакта с поверхностью. Этот паровой слой снижает скорость теплопередачи и делает охлаждение жидкости на горячей поверхности неэффективным, вызывая ее левитацию и скольжение по поверхности.

Прелесть охлаждающей керамики в том, что она отвечает требованиям как высокопроизводительных PRC, так и применения в реальных условиях, — сказал профессор Цо, добавив, что охлаждающая керамика может быть окрашена в двухслойный цвет, что отвечает и эстетическим требованиям.

«Наш эксперимент показал, что применение охлаждающей керамики на крыше дома позволяет получить более 20% электроэнергии для охлаждения помещений, что подтверждает большой потенциал охлаждающей керамики в снижении зависимости людей от традиционных стратегий активного охлаждения и обеспечивает устойчивое решение для предотвращения перегрузки электросетей, выбросов парниковых газов и городских тепловых островов»,

— отметил профессор Цо.

Основываясь на полученных результатах, профессор Цо заявил, что исследовательская группа намерена и дальше развивать стратегии пассивного терморегулирования. Они намерены изучить возможности применения этих стратегий для повышения энергоэффективности, обеспечения устойчивости и расширения доступности и применимости технологий КНР в различных отраслях, включая текстильную промышленность, энергетические системы и транспорт.