Белее белого: стены, отражающие до 98% солнечного света
В холодные зимние дни, когда слизистые выделения превращаются в сосульки, многим из нас хочется, чтобы скорее наступило лето. Но когда неизбежно наступает лето и жара раскаляет тротуары, машины и людей, наши желания меняются на противоположные. Мы можем спастись от жары различными способами: тень, чай, купание в водоеме, переезд на Северный полюс и т.д. Однако наиболее распространенным и технологически продвинутым методом является кондиционирование воздуха. Проблема в том, что эти устройства потребляют много энергии и способствуют выбросу углекислого газа в атмосферу. Исследователи из Калифорнийского университета (США) решили разработать новый метод охлаждения помещения, при котором нет необходимости в кондиционерах, а всю работу выполняет краска, нанесенная на внешние стены помещения. Какие физические законы используются в этой разработке, как именно она способствует охлаждению и насколько эффективна охлаждающая краска? Об этом мы узнаем из отчета исследователей. Поехали.
Основа исследования
Одним из наиболее широко известных физических явлений является способность различных материалов по-разному взаимодействовать с электромагнитным излучением. Все мы знаем, что в солнечный день лучше надеть белую футболку, чем черную, потому что белые поверхности лучше отражают солнечные лучи, чем черные. За этим известным фактом стоит несколько физических явлений (поглощение, отражение и т.д.).
Эти процессы происходят и в зданиях. Большинство современных белых красок могут отражать до 85% солнечного излучения. Однако, по мнению исследователей, это можно улучшить, внеся довольно простые изменения в химический состав краски.
В рассматриваемом сегодня исследовании ученые предложили так называемый метод пассивного дневного радиационного охлаждения (PDRC), который предполагает отражение солнечного света (длина волны l = 0,3-2,5 мкм) и излучение длинноволнового инфракрасного (LWIR; l = 8-13 мкм) тепла через подходящие атмосферные светопропускающие окна в космос (1A).
Изображение №1.
Когда поверхность в открытом космосе имеет достаточно высокую солнечную отражательную способность (Rsolar) и излучательную способность LWIR (ϵLWIR), солнечный нагрев перевешивается радиационными потерями тепла в космос, поэтому поверхность самопроизвольно охлаждается даже при сильной солнечной радиации. Если бы эти принципы были реализованы в виде краски, которой покрывались бы внешние стены и крыши зданий, эффективность охлаждения была бы намного выше, чем от классических кондиционеров (не говоря уже о снижении воздействия на окружающую среду).
Использование отражения света в качестве основы для охлаждения изучается уже давно. Уже в 1960-х годах ученые изучали охлаждающие свойства полимеров, диэлектриков и полимерных композитов. Позже интерес к этому виду исследований снизился, но в последние годы, когда энергоэффективность и экологичность стали одними из самых важных вопросов, исследования начались заново. Новые разработки сосредоточены на фотонных и полимерных охлаждающих жидкостях.
Например, фотонные многослойные пленки, которые могут обеспечивать высокую Rsolar и селективный LWIR, достигают температуры ниже температуры окружающей среды, что делает их полезными в системах водяного охлаждения HVAC, чиллерах и термоэлектрических устройствах. Однако, несмотря на хорошие результаты, эта технология не может стать массовой из-за своей сложности и высокой стоимости. Поэтому использование некоторых лакокрасочных материалов для охлаждения пространства является наиболее перспективным направлением в этой области. Тем не менее, для полной реализации "охлаждения краски" необходимо учитывать несколько важных факторов и переменных.
Результаты исследования
С физической точки зрения, требования к оболочкам PDRC четко определены (1B): высокий уровень Rsolar для минимизации солнечного нагрева и высокий уровень LWIR для максимизации радиационных потерь тепла в пространство.
Вокруг света за 80 дней
Авторы статьи отмечают, что в литературе по радиационному охлаждению подчеркивается необходимость использования селективного LWIR для максимального охлаждения, но это необходимо только для достижения оптимальной производительности при температурах значительно ниже температуры окружающей среды. Однако в действительности внешние части зданий имеют температуру, близкую или превышающую температуру окружающей среды, вследствие контакта с воздухом и выделения тепла внутри помещений. Поэтому широкополосная тепловая излучательная способность* є (в диапазоне длин волн l 2,5-40 мкм) LWIR может быть столь же эффективной для охлаждения, как и селективная излучательная способность LWIR (1A и 2B).
Изображение №2
Важно также отметить, что эта система охлаждения должна соответствовать определенным практическим нормам. Технология охлаждения PDRC должна:
- Может использоваться на поверхностях различных форм, размеров и текстур;
- Устойчивость к воздействию химических веществ окружающей среды, солнечной радиации и атмосферных условий;
- Экономически эффективны и доступны в различных социально-экономических условиях.
Из этого следует, что технология PDRC должна быть универсальной, доступной, долговечной, масштабируемой и, конечно же, эффективной. Сочетание этих эпитетов желательно для любой технологии или устройства, вопрос в том, можно ли этого достичь на практике. Исследователи считают, что именно белая краска отвечает всем вышеперечисленным параметрам.
Ledwindow светильник окно солнечного света
Морфологически краски представляют собой композиты, содержащие оптические рассеиватели, обычно диэлектрические пигменты, внедренные в полимер. Типичная белая краска содержит пигменты TiO2, диспергированные в акриле или силиконе в массовом соотношении 1: 1, с дополнительными компонентами, такими как SiO2 и CaCO3. Эти изначально излучающие материалы придают краскам почти равномерную широкополосную полосу пропускания є 0,95.
Однако показатели красок Rsolar ниже, чем у красок PDRC на основе серебра (0,92-0,97), поскольку промышленность решила использовать рутил TiO2 в качестве белого пигмента. Высокий коэффициент преломления наночастиц TiO2 (n > 2,5) по сравнению с полимерными связующими (n = 1,5) позволяет им рассеивать солнечный свет более эффективно, чем такое же количество других белых пигментов, что делает TiO2 экономически эффективным.
Однако из-за ширины полосовой щели 3,0 эВ (l = 0,413 мкм) TiO2 поглощает ультрафиолетовый (0,3-0,4 мкм) и фиолетовый* (0,4-0,41 мкм) свет, который несет 7% солнечной энергии (2A).
380-450 нм. Свет с более короткой длиной волны, чем фиолетовый, но более длинной, чем рентгеновские и гамма-лучи, называется ультрафиолетовым.
