Ученые разработали метаматериал для энергоэффективного регулирования света и температуры в зданиях

Исследовательская группа успешно протестировала материал в условиях открытого воздуха на кампусе KIT.

Использование естественного света в зданиях становится все более популярным и может снизить энергозатраты. Однако традиционные стеклянные крыши и стены также создают проблемы, такие как ослепление, недостаток приватности и перегрев. Альтернативные решения, такие как покрытия и материалы для рассеивания света, пока не предоставили комплексного решения.

Новый материал сочетает несколько функций

Исследователи из Института микроструктурных технологий (Institute for Microstructure Technology - IMT) и Института технологий света (Light Technology Institute - LTI) при KIT разработали новый полимерный метаматериал, который сочетает различные свойства и может заменить стеклянные компоненты в строительстве. Этот полимерный микрофотонический многофункциональный метаматериал (PMMM) состоит из микроскопических пирамид из силикона. Эти микропирамиды имеют размер около десяти микрометров, что примерно в десять раз меньше диаметра волоса. Такая конструкция придает пленке PMMM несколько функций: рассеивание света, самоочищение и радиационное охлаждение при сохранении высокого уровня прозрачности. «Ключевой особенностью является способность эффективно излучать тепло через длинноволновое инфракрасное окно передачи атмосферы земли, освобождая тепло в холодный космос - пассивному радиационному охлаждению без потребления электроэнергии», - объясняет Брайс С. Ричардс, профессор IMT и LTI.

Охлаждение, светопропускание и отсутствие бликов

В лаборатории и в экспериментах под открытым небом исследователи протестировали свойства материала и измерили его светопропускание, рассеивание света, отражательные свойства, способность к самоочищению и охлаждающие характеристики с использованием современной спектрофотометрии. Результаты показали: охлаждение на 6 °C по сравнению с окружающей температурой. Кроме того, материал продемонстрировал высокую спектральную пропускаемость или прозрачность на уровне 95 процентов. Для сравнения, стекло обычно имеет прозрачность 91 процент. В то же время структура микропирамид рассеивает 73 процента поступающего солнечного света, что создает эффект мутности. «Когда материал используется в крышах и стенах, он обеспечивает яркие, но не ослепляющие и защищенные от взглядов внутренние пространства для работы и жизни. В теплицах высокая светопропускаемость может увеличить урожайность, так как эффективность фотосинтеза оценивается на 9 процентов выше, чем в теплицах со стеклянными крышами», - говорит Ган Хуанг, руководитель группы в IMT. Микропирамиды также придают пленке PMMM супергидрофобные свойства, аналогичные листу лотоса: вода собирается в капли и смывает грязь и пыль с поверхности. Эта функция самоочищения делает материал легким в уходе и долговечным.

Потенциал для строительства и градостроительства

«Наш новый материал обладает потенциалом для использования в различных областях и вносит значительный вклад в устойчивую и энергоэффективную архитектуру», - объясняет Ричардс. «Материал может одновременно оптимизировать использование солнечного света в помещениях, обеспечивать пассивное охлаждение и снижать зависимость от кондиционирования воздуха». Решение масштабируемо и может быть бесшовно интегрировано в планы экологически безопасного строительства и градостроительства," - говорит Хуанг.