Okna – a konkretnie szyby – to słaby punkt energooszczędności każdego domu. Latem pomieszczenia nagrzewa słońce. Zimą z kolei cenne ciepło ucieka przez okna. To spory problem nie tylko dla właścicieli mieszkań i domów, ale i w skali całych krajów. Na ogrzewanie i chłodzenie zużywane jest od 20 do 40 proc. energii w krajach rozwiniętych.
Wiele zespołów na świecie pracuje nad tym, by to zmienić. Jest to jednak dość skomplikowany problem. W klimacie umiarkowanym najbardziej przydałyby się szyby, które latem odbiją promieniowanie cieplne z zewnątrz. Zimą ta sama szklana płaszczyzna powinna zaś działać w odwrotnym kierunku – zatrzymać ciepło uciekające na zewnątrz.
Okna i ściany, które chłodzą? To możliwe
W grudniu 2021 roku opisywaliśmy wynalazek badaczy z Lawrence Berkeley National Laboratory oraz singapurskiego Uniwersytetu Technologicznego. To dach i okna, które chłodzą latem. Uczeni wykorzystali niezwykłe właściwości tlenku wanadu, który staje się nieprzezroczysty dla promieniowania podczerwonego powyżej pewnej temperatury.
To oznacza, że gdy pomieszczenie się nagrzeje, pokryta nim szyba zacznie odbijać ciepło. To jednak rozwiązanie, które przyda się latem. Nawet gdyby szybę pokryć taką powłoką także od wewnątrz, nie będzie zbyt skutecznie chroniła przed ucieczką ciepła zimą. Działa dopiero przy 25 stopniach, a zimą trudno osiągnąć taką temperaturę szyb nawet w ogrzewanych pomieszczeniach.
Inżynierowie z amerykańskiego Uniwersytetu w Pittsburghu i brytyjskiego Uniwersytetu w Oksfordzie znaleźli i na to rozwiązanie. To materiał, który latem odbije ciepło z zewnątrz, a zimą zatrzyma je wewnątrz domu. Wszystko zależy od tego, czy przepływa przezeń prąd.
Okna mogą zatrzymać ciepło albo je odbić. Wystarczy wcisnąć przycisk
Powłoka o tych właściwościach ma zaledwie 300 nanometrów, czyli milionowych części milimetra grubości. Dla porównania – folia spożywcza ma grubość około 10 tysięcy nanometrów. Powłoka złożona jest z siarczku cynku, srebra oraz tellurku germanu. Taki materiał ma specyficzną własność. Jego cząsteczki układają się w regularną, krystaliczną sieć, gdy przepływa przez nie prąd o niewielkim nawet natężeniu. Gdy nie płynie – cząsteczki są ułożone chaotycznie, niczym w szkle lub cieczach.
W jednym przypadku materiał ten odbija promieniowanie podczerwone, w drugim je przepuszcza. To oznacza, że taka powłoka może przepuszczać lub odbijać ciepło, w zależności od tego, czy przepływa przez nią prąd. Jest przy tym jednocześnie całkowicie przepuszczalna dla światła widzialnego. Co więcej, materiałem tym można sterować. Można na przykład sprawić, by odbijał tylko część promieniowania cieplnego – wystarczy dostosować napięcie płynące przez powłokę.
Nowy materiał to sposób, by oszczędzić nawet jedną trzecią energii
Jak dużo ciepła ucieka przez szyby zimą (i jak bardzo słońce ogrzewa latem), widać po szacunkach badaczy. Obliczają, że ich wynalazek pozwoliłby na oszczędzenie od 20 do 34 procent energii wykorzystywanej na chłodzenie latem i ogrzewanie zimą.
Prototyp takiej inteligentnej szyby został już przetestowany. Naukowcy przyznają, że zanim trafi do masowej produkcji, minie jeszcze trochę czasu. Kluczem bowiem jest grubość powłoki, której wahania nie mogą przekroczyć 200 nanometrów. Trzeba opracować metodę, która z taką precyzją pozwoli nanosić materiał w fabryce.
Jeśli uda się opracować przemysłową metodę produkcji takich szyb, będziemy mogli cieszyć się oknami, które latem odbiją ciepło z zewnątrz. Zimą zaś zatrzymają je w pomieszczeniu. Wystarczy tylko wcisnąć przełącznik albo podłączyć je do termostatu.
Źródła: University of Pittsburgh, ACS Photonics.