Naukowcy z Uniwersytetu Duke stworzyli nowatorski materiał, który może pochłaniać energię słoneczną lub ją odbijać – w zależności od tego, czego właśnie potrzebujemy. Jak szacują, ich wynalazek pozwoli oszczędzić nawet do jednej piątej kosztów klimatyzacji tylko w Stanach Zjednoczonych. Odkrycie opisują w „American Chemical Society Energy Letters.”

Zespół z Uniwersytetu Duke wykazał, że ich materiał pochłania lub oddaje ciepło w zależności od tego, czy przepływa przezeń prąd czy nie. W „trybie ogrzewania” ciemnieje i pochłania padające nań promieniowanie (na przykład słoneczne). W „trybie chłodzenia” zamienia się w lustro – ale weneckie. Odbija promieniowanie słoneczne i równocześnie wypuszcza promieniowanie cieplne na zewnątrz. To zapobiega nagrzewaniu się i pozwala oddać ciepło do otoczenia – czyli chłodzić.

Materiał ma jedną wadę – nie jest przezroczysty jak szkło. Nie nadaje się na okna. Jednak będzie można wykorzystać go na elewacjach budynków. W chłodne poranki okryte nim ściany nagrzeją się w słońcu, w gorące popołudnia zaś odbiją jego promienie i oddadzą ciepło do otoczenia. Wieczorem znów będzie można przełączyć taką ścianę, by pochłaniała ciepło.

Grafen i złoto tworzą przezroczyste elektrody

Materiał składa się z dwóch elektrod zbudowanych z grafenu pokrytych cienką warstwą złota. Pomiędzy nimi umieszczono przezroczysty elektrolit.

Włączenie prądu płynącego w jednym kierunku sprawia, że na elektrodzie pojawiają się cząstki metalu. Jej powierzchnia zaczyna wtedy pochłaniać zarówno światło, jak i podczerwień. Gdy kierunek prądu zmienia się zaś na przeciwny, cząstki metalu wędrują z powrotem do przezroczystego elektrolitu i taka powierzchnia odbija światło. Podczerwień zaś przepuszcza tylko w jedną stronę - co pozwala na ucieczkę ciepła. Przejście ze stanu odbijającego światło (czyli chłodzącego) do pochłaniającego promieniowanie (czyli ogrzewającego) trwa minutę do dwóch.

Niestety to tylko prototyp, bowiem po kilku takich cyklach przełączeń układ zaczyna tracić swoją sprawność. Badacze są jednak pewni, że to naprawią. Sądzą też, że może im się udać inna sztuczka – osiągnięcie schłodzenia poniżej temperatury otoczenia. Tak powstałaby klimatyzacja, która zużywa ułamek energii zasilającej współczesne klimatyzatory. Jak to możliwe?

Ciepło można oddać prosto w kosmos

Sztuka polega na tym, żeby promieniowanie podczerwone trafiło prosto w kosmos. Ciepło oddawane jest zwykle w postaci promieniowania podczerwonego o bardzo szerokim zakresie fal. Większość podczerwieni pochłania powietrze (a dokładnie zawarta w nim para wodna).

Istnieje jednak wąski zakres podczerwieni, której powietrze nie zatrzymuje. Oznacza to, że fale o takiej długości trafiają prosto w kosmos. Kosmiczna przestrzeń jest niezwykle zimna, więc stanowi bardzo dobry „odbiornik ciepła”.

Chodzi o to, by emitowane promieniowanie podczerwone zamienić na takie, które trafi w kosmos.  Pierwsze materiały, które pochłaniają podczerwień w szerokim zakresie fal, a oddają tylko o długości przepuszczanej przez atmosferę, już istnieją. Pokryte nimi przedmioty tracą ciepło i stają się o kilka stopni chłodniejsze od otoczenia.

– Jestem w stanie wyobrazić sobie, że ta technologia będzie wykorzystywana na elewacjach do pasywnego ogrzewania i chłodzenia. Znacząco zmniejszy to energię, którą zużywają współczesne systemy chłodzenia. Jestem pewien, że to obiecujący kierunek – mówi Hsu.

Źródło: EurekAlert, ACS Energy Letters