Okna wpuszczają światło do naszych domów, ale jednocześnie także “nieproszonego” gościa: nadmiarowe ciepło. Są różne sposoby, by się bo pozbyć, ale przełomowa powłoka właśnie powstała na University of Notre Dame. Nie tylko obniża ona temperaturę w pomieszczeniu, ale także zużycie energii związanej z chłodzeniem, niezależnie od tego, jaką mamy porę dnia.
Czytaj też: Jest ciepło, będzie energia elektryczna. Oto przełomowy sposób na jej pozyskiwanie
Niezwykła folia może być nakładana na istniejące okna lub szyby samochodowe, nawet o 1/3 obniżając koszty stosowania klimatyzacji. Szczegóły opisano w czasopiśmie Cell Reports Physical Science.
Powłoka okienna jak marzenie – blokuje ciepło, przepuszcza widoki
W upalne dni nawet 87 proc. ciepła dostaje się do naszych domów przez okna. Promieniowanie UV pochodzące ze światła słonecznego łatwo przechodzi przez szkło, nagrzewając pomieszczenie i zwiększając prawdopodobieństwo konieczności włączenia klimatyzacji lub rezygnacji ze światła poprzez zaciągnięcie zasłon lub opuszczenie rolet. Ale wcale nie musi tak być – powłoka stworzona przez francuskich uczonych blokuje wytwarzające ciepło promienie UV i podczerwone, a jednocześnie przepuszcza światło widzialne.
Podobnie jak spolaryzowane okulary przeciwsłoneczne, nasza powłoka zmniejsza intensywność wpadającego światła, ale w przeciwieństwie do okularów przeciwsłonecznych pozostaje przezroczysta i skuteczna nawet przy przechylaniu jej pod różnymi kątami. Prof. Tengfei Luo z MÖNSTER Lab
W 2022 r. prof. Luo wytworzył powłokę szklaną, wykorzystując planarne wielowarstwowe (PML) struktury fotoniczne. Te ułożone w stos ultracienkie warstwy mają charakterystyczne współczynniki załamania światła, które umożliwiają selektywne przepuszczanie lub odbijanie światła w zależności od jego długości fali. Ułożenie krzemionki, tlenku glinu i tlenku tytanu na szklanej podstawie i pokrycie cienką warstwą polimeru krzemowego (PDMS) w celu odbicia promieniowania cieplnego, dało przezroczystą powłokę, która przewyższa inne powłoki redukujące ciepło dostępne na rynku.
Teraz udało się znacznie ulepszyć swoją pierwotną folię. Ponieważ okna są zazwyczaj instalowane pionowo, bezpośrednie światło słoneczne padające na nie w ciągu dnia zmienia się wraz z ruchem Słońca. Istniejące powłoki okienne są zwykle optymalizowane pod kątem światła wpadającego pod kątem 90o, więc ich zdolność do blokowania światła zależy od tzw. kąta padania światła słonecznego. W południe, w najgorętszej części dnia, światło słoneczne pada na okno pod kątem, co oznacza, że większość powłok mniej skutecznie je blokuje.
Zamiast rozwiązywać ten problem metodą prób i błędów, badacze zastosowali model uczenia maszynowego wspomaganego obliczeniami kwantowymi. W szczególności wykorzystali uczenie aktywne, podzbiór uczenia maszynowego, w którym algorytm uczenia się może interaktywnie wysyłać zapytania do użytkownika w celu oznakowania danych, oraz kwantowe wyżarzanie, które wykorzystuje fizykę kwantową do znajdowania optymalnych – lub prawie optymalnych – kombinacji pierwiastków.
Ich model wytworzył powłokę, która zarówno zachowała przezroczystość, jak i obniżyła temperaturę w pomieszczeniu modelowym o 5,4-7,2oC, nawet gdy światło przepuszczane było pod szerokim zakresem kątów.
Czytaj też: W tym polskim mieście zapłacą mniej za ciepło. Zamiast węgla przeszli na coś lepszego
Aby oszacować oszczędności energii na potrzeby chłodzenia, badacze wykorzystali oprogramowanie EnergyPlus do symulacji zużycia w standardowych biurach w różnych miastach. Wykazano, że wszystkie miasta w USA mogą zaoszczędzić aż 97,5 MJ/m2 rocznie. Oszczędności energii przeniosły się na miasta na całym świecie, w tym te w klimacie tropikalnym.
Naukowcy przewidują wiele zastosowań nowatorskiej powłoki okiennej, głównie do budynków komercyjnych i mieszkalnych, a także samochodów.
