Choć dysponujemy już nowoczesnymi farbami do ścian i dachów, odbijającymi podczerwień i umożliwiającymi oszczędne gospodarowanie energią, „słabym punktem” budownictwa pozostają okna. Dostępne dziś efektywne energetycznie powłoki na okna są niestety drogie i wymagają montażu w wykonaniu profesjonalistów, dlatego też naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory pracują nad specjalną farbą, którą każdy będzie mógł nanieść na okno samodzielnie.
Fot. jesuscm / Foter.com / CC BY-NC-ND
10% całej energii zużywanej przez budynek ma związek z oknami, co w samych Stanach Zjednoczonych oznacza koszt 50 mld $ rocznie. Jednak wydatki związane z montażem specjalistycznych powłok na okna również odstraszają inwestorów. Stąd pomysł rozwijany na podlegającym amerykańskiemu Departamentowi Energii Berkeley Lab – by rozwiązać ten problem przy pomocy kreatywnej chemii.
Farba odbija promieniowanie podczerwone, przepuszcza zaś światło. Fot. Garret Miyake / University of Colorado
Dostępna w lokalnym sklepie
Propozycja naukowców to odbijający ciepło polimer, który może być nanoszony na szklaną powierzchnię jak farba, a przy tym kosztuje dziesięć razy mniej niż dostępne obecnie rozwiązania. Jak wyjaśnia Raymond Weitekamp z Berkeley Lab, idea jest taka, aby każdy mógł pójść do lokalnego sklepu, kupić ten preparat i samodzielnie pomalować nim okno. Powłoka selektywnie odbija promieniowanie podczerwone, przepuszczając zarazem światło widzialne, a tym samym zmniejsza koszty chłodzenia budynku w ciepłym klimacie.
Na rozwój swojej technologii zespół naukowców z Berkeley otrzymał od Departamentu Energii część nagrody w wysokości 3,95 mln $. Na czele grupy badawczej, w której znajdują się również naukowcy z Caltechu oraz Materia Inc., stoi Garret Miyake z University of Colorado Boulder.
Na rynku są już obecnie dostępne specjalne warstwy na okna, które w sposób selektywny przepuszczają promieniowanie słoneczne, muszą być one jednak montowane przez wyszkolonych fachowców. Powłoka nanoszona samodzielnie w formie farby zmniejszyłaby koszt całej operacji, a przy tym zredukowałaby roczne zużycie energii o 35 mld kilowatogodzin i zmniejszyłaby emisję dwutlenku węgla o 24 mld kilogramów – czyli efekt podobny do tego uzyskanego przez usunięcie ze światowych dróg 5 mln samochodów.
Kryształy fotoniczne umożliwiają selektywne odbijanie promieniowania słonecznego. Fot. arch. Garret Miyake / University of Colorado
Cząsteczki jak żelki-robaki
Opracowany przez naukowców polimer przypomina szczotkę do czyszczenia butelek – posiada jeden długi, sztywny łańcuch cząsteczek, z którego wyrastają drobne „kolce”. Ta nietypowa architektura nadaje mu kilka cennych właściwości, m.in. tę, że cząsteczka łatwo się nie zapętla. Weitekamp używa tu obrazowego porównania – polimer ten jest jak żelki-robaki przy nitkach spaghetti. Te drugie po ugotowaniu trudno rozwikłać, żelki są jednak w porównaniu z makaronem bardziej sztywne, nie sprawia to więc aż takiego problemu.
Weitekamp jeszcze na swoich studiach badał zjawisko samoorganizowania się tego typu cząsteczek w nanostruktury zachowujące się jak kryształy fotoniczne – czyli struktur, które mogą odbijać światło w sposób selektywny, w zależności od długości fali. Wniósł swoje badania do Berkeley Lab w ramach programu Cyclotron Road, aby rozwinąć i skomercjalizować tę technologię.
W Berkeley współpracuje przede wszystkim ze Stevem Selkowitzem, wybitnym specjalistą od inżynierii budowlanej i technologii okien, oraz Armanem Shehabim, ekspertem od analizy zużycia energii w budynkach. Ich cel jest jasny – koszt pokrycia powłoką jednej stopy kwadratowej (co odpowiada 929 cm²) nie przekraczający 1,50 $. Jest to kwota dziesięciokrotnie niższa niż ta, którą obecnie trzeba przeznaczyć na pokrycie tej samej powierzchni.
Od lewej: Raymond Weitekamp, Arman Shehabi i Stephen Selkowitz. Fot. Roy Kaltschmidt / Berkeley Lab
Podstawa – oszczędność i komfort
To, co naukowcy muszą jeszcze dopracować, to selektywność i niezawodność powłoki, tak aby silnie odbijała ona promieniowanie podczerwone, a równocześnie pozostała w pełni przepuszczalna dla światła widzialnego, gwarantując odpowiednią jasność w pomieszczeniu.
Obecnie badania nad powłokami prowadzone są w doskonale wyposażonych laboratoriach optycznych Berkeley Lab, gdzie na podstawie ich właściwości optycznych i spektralnych ustala się szczegóły dotyczące syntezy chemicznej. Selkowitz dodaje, że poza tym on i reszta zespołu sprawdzają również i modelują komfort termiczny, ponieważ oprócz oszczędności komfort to druga rzecz, która skłania ludzi do zakupu.
Shehabi zajmuje się natomiast modelami symulacyjnymi, które pomogą zrozumieć, w jaki sposób powłoka wpłynie na zużycie energii w budynku i jak można zmaksymalizować oszczędności. Przygotuje również modele technoekonomiczne, ponieważ, jak zaznacza Weitekamp, o ile w laboratorium nie ma specjalnej potrzeby używać tanich materiałów i surowców, w masowej produkcji – do której oczywiście dążą – koszty muszą być minimalne.
Źródło: pcimag.com
