Новая охлаждающая керамика повысит энергоэффективность строительного сектора

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

Однако наша охлаждающая керамика обладает передовыми оптическими свойствами и имеет надежную применимость, — говорит профессор Цо.

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.

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.

Выдающаяся 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.

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.

10.11.2023

Дом

Бетон с годами крепчает, но сдается без боя: скрытая цена прочности
Бетон с годами крепчает, но сдается без боя: скрытая цена прочности

Ученые из Московского государственного ст...

Дома как в лесу: природа в интерьере лечит нервы
Дома как в лесу: природа в интерьере лечит нервы

Научные исследования показывают, что нату...

Бетонные джунгли тоже помогают бороться с изменением климата
Бетонные джунгли тоже помогают бороться с изменением климата

Группа японских ученых выяснила, что бето...

Экологичный цемент: японцы нашли способ строить без вреда для планеты
Экологичный цемент: японцы нашли способ строить без вреда для планеты

В строительстве часто нужно укреплять грунт, ч...

В ТОГУ будут использовать лазерные сканеры для создания идеальных зданий
В ТОГУ будут использовать лазерные сканеры для создания идеальных зданий

Проект, который поможет использовать современн...

Мордовские ученые создали бетон нового поколения
Мордовские ученые создали бетон нового поколения

Новый вид бетона, который сам уплотн...

Nature Cities: Холодные крыши смягчают зной и спасают жизни
Nature Cities: Холодные крыши смягчают зной и спасают жизни

До 249 жизней можно было бы спасти в ...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Ученые нашли связь между перестройками в ДНК и маскировкой у палочников
Ученые нашли связь между перестройками в ДНК и маскировкой у палочников
ИМТ против качков: спортсменам не подходят общие нормы
ИМТ против качков: спортсменам не подходят общие нормы
Когда папе грустно: как депрессия отца меняет детей
Когда папе грустно: как депрессия отца меняет детей
24,6% КПД и 3000 сгибаний: что еще показали испытания гибких солнечных элементов
24,6% КПД и 3000 сгибаний: что еще показали испытания гибких солнечных элементов
Ученые нашли связь между океаном и экстремальными дождями в Китае
Ученые нашли связь между океаном и экстремальными дождями в Китае
Как Counterfactual SMOTE улучшает диагностику редких заболеваний
Как Counterfactual SMOTE улучшает диагностику редких заболеваний
NatComm: Электроны в антиферромагнетиках ведут себя не по правилам
NatComm: Электроны в антиферромагнетиках ведут себя не по правилам
Шоколадный тест: как социальный статус меняет наше пищевое поведение
Шоколадный тест: как социальный статус меняет наше пищевое поведение
Sensors: Радары спасают китов от столкновений с лодками
Sensors: Радары спасают китов от столкновений с лодками
Почему одни пары работают как часы, а другие — как разбитый будильник
Почему одни пары работают как часы, а другие — как разбитый будильник
Нож не нужен: простой тест спасает от инсульта без операции
Нож не нужен: простой тест спасает от инсульта без операции
Генетика против статистики: новый алгоритм спасает тех, кого пропускают врачи
Генетика против статистики: новый алгоритм спасает тех, кого пропускают врачи
Кипяток из недр: зачем химики изучают байкальские термы
Кипяток из недр: зачем химики изучают байкальские термы
Сезон отстрела: как доступность ружей повышает кривую насилия
Сезон отстрела: как доступность ружей повышает кривую насилия
Космизм в кедах: как идеи Циолковского проросли в современный дизайн
Космизм в кедах: как идеи Циолковского проросли в современный дизайн

Новости компаний, релизы

Оперировать в VR: студенты придумали симулятор для хирургов
Без готовых рецептов: эксперты — о том, как работать с молодежью
Космический рывок: что скрывает новый нацпроект
Без руля и водителя: как беспилотные фуры завоевывают дороги
От лесов до памятников: как дроны меняют жизнь края