Исследователи из Университета Дрекселя подсмотрели у природы оригинальный способ, как заставить стены, полы и потолки сами регулировать температуру в помещении.

Они вдохновились тем, как устроены уши зайцев и слонов — густая сеть кровеносных сосудов в них помогает животным не перегреваться.

Ученые решили повторить этот принцип в строительных материалах.

Подробности опубликованы в издании Journal of Building Engineering.

Суть идеи в том, чтобы создать внутри цемента сеть тонких каналов и заполнить их специальным парафиновым составом. Этот материал, переходя из твердого состояния в жидкое и обратно, поглощает или отдает тепло. Когда в комнате жарко, парафин плавится и охлаждает поверхность. Когда холодно — он застывает и подогревает ее. Таким образом, сами строительные конструкции начинают работать как часть системы климат-контроля, а не как ее слабое звено.

Проблема, которую решают ученые, огромна. На здания приходится почти 40% всего мирового энергопотребления, и примерно половина этой энергии уходит на отопление и кондиционирование. Даже современные материалы не спасают от потерь — через стены, окна и крыши утекает около 63% тепла.

Архитекторы любят большие панорамные окна, это красиво, но с точки зрения теплоизоляции — катастрофа, — говорит соавтор исследования, студент Ритм Осан. — В идеале здание вообще не должно терять тепло, но на практике всегда есть мостики холода, щели и неидеальные материалы.

Лаборатория, в которой работают ученые, уже не первый год экспериментирует с «умными» материалами. Они создавали бетон, который сам растапливает лед, и самозалечивающиеся трещины с помощью бактерий. Для нового проекта они использовали полимерную матрицу — напечатанную на 3D-принтере сетку, которую помещают в цемент, а потом растворяют, оставляя внутри идеальные каналы. Эти каналы и заполняют парафином.

Команда испытала несколько вариантов сетки: параллельные каналы, диагональные, в виде ромбов. Лучше всего себя показала ромбовидная структура — она и прочность материала не сильно снижает, и отлично справляется с терморегуляцией. Такой бетон нагревался и остывал на 1–1,25 градуса в час, что значительно медленнее обычного.

Чем больше площадь сети каналов, тем лучше работает терморегуляция. Это прямо как в ушах слонов или кроликов — густая сеть сосудов помогает им охлаждаться, — объясняет ученый Робин Деб. — Наши материалы могут делать то же самое для зданий.

Чтобы сделать конструкцию прочнее, в цемент добавили мелкий заполнитель, и это не помешало работе системы. Исследование пока на стадии концепта, но результаты обнадеживают. В планах — испытать материалы в реальном масштабе, с разными типами парафина и в разных климатических условиях.

Реальная польза от этой разработки может быть колоссальной в контексте декарбонизации и энергетического перехода. Города — главные потребители энергии, и значительная ее часть тратится на компенсацию теплопотерь через ограждающие конструкции. Если стены сами начнут активно участвовать в терморегуляции, это позволит:

• Кардинально снизить нагрузку на системы HVAC (отопления, вентиляции и кондиционирования), особенно в межсезонье, когда перепад температур между днем и ночью значителен.
• Сократить пиковую нагрузку на энергосети, что критически важно для стабильности их работы при массовом переходе на электроотопление и электромобили.
• Повысить устойчивость зданий — их способность сохранять температуру при кратковременных отключениях энергии, что важно для безопасности людей.
• Упростить и удешевить строительство в будущем, возможно, уменьшив требуемую мощность устанавливаемого климатического оборудования.

Польза будет не только экономической, но и экологической — прямое сокращение выбросов CO₂ от сжигания топлива для обогрева и охлаждения.

Стоит помнить, что парафины, как органические материалы, могут быть подвержены деградации при длительном циклировании (тысячи циклов затвердевания/плавления). Возможны явления расслоения компонентов, изменение фазового перехода или банальная утечка материала из каналов при микротрещинах в бетоне. Вопрос ремонтопригодности такой стены также остается открытым: как восполнить парафин в замкнутой системе через 10-20 лет эксплуатации? Лабораторные испытания на небольших образцах не могут дать ответа на эти практические вопросы, которые станут ключевыми при попытке масштабирования технологии.

Ранее ученые разработали пленку, которая регулирует температуру в зданиях.