Краска, охлаждающая здания. Такое возможно?

Изобретение ученых из США позволит отказаться от кондиционеров! Исследователи создали полимерное покрытие для охлаждения зданий в жаркую погоду

Охлаждение в жаркую погоду жилых и производственных зданий — существенная часть формирования комфортной среды обитания, от которой, в том числе, зависит и производительность труда. Сейчас охлаждение достигается в основном за счет систем компрессионного типа (прежде всего это привычные всем кондиционеры). Но у таких устройств есть много недостатков: большое энергопотребление, нагрев воздуха на улице, использование вредных хладагентов, разрушающих озоновый слой, и т. д. Заманчивая перспектива найти экономичный (а еще лучше — не зависящий от электропитания), безопасный и не портящий климат способ охлаждения кажется недостижимой. Однако оказывается, что современные технологии это вполне позволяют.

В основе такой альтернативы кондиционерам лежит эффект пассивного излучательного охлаждения: если поверхность хорошо отражает или рассеивает солнечный свет и лучистое тепло (длины волн в интервале 0,3–2,5 мкм) и при этом сама излучает в длинноволновой области ИК спектра — в одном из так называемых окон прозрачности атмосферы (длина волны 8–13 мкм), — то она будет самостоятельно, без каких-либо дополнительных усилий, охлаждаться, отводя тепло в виде излучения прямиком в космос. Этот эффект при определенных свойствах поверхности может наблюдаться и днем под прямыми солнечными лучами: лишь бы она хорошо отражала свет и сама излучала в нужном диапазоне. Имея такой материал, можно просто покрывать им здания, чтобы защищать их от перегрева — все будет происходить само, без расхода электроэнергии.

Исследования в этом направлении идут уже довольно давно. За последние десятилетия удалось разработать целый ряд материалов, способных к пассивному дневному излучательному охлаждению: фотонные структуры, диэлектрики, полимеры и металлические отражательные поверхности. 

Все они, хотя и способны успешно понижать температуру защищаемых ими объектов, не лишены недостатков, главными из которых являются высокая цена производства и подверженность разрушению (из-за коррозии или выветривания). Мешает применению имеющихся разработок и то, что большинство таких материалов получают в виде пленок (или композитов из нескольких слоев пленок с внедренными наночастицами), которые часто можно наносить только на специально подготовленные поверхности. В связи с этим в настоящее время наиболее перспективна разработка способных к пассивному охлаждению красок или других составов, которые можно просто наносить на защищаемые поверхности. Такие краски появились уже несколько лет назад, но у них пока еще довольно скромные характеристики. 

Исследователям из Колумбийского университета и Аргоннской национальной лаборатории, работающим под руководством Наньфана Ю (NanfangYu) удалось получить материал, в котором, судя по всему, сочетается все лучшее для эффективного пассивного охлаждения: он легко синтезируется, хорошо выдерживает воздействие среды и его можно наносить так же просто, как обычную краску.

На самом деле алгоритм подбора ингредиентов для таких материалов, по крайней мере на словах, довольно прост и прямолинеен: компоненты «холодильных красок» должны хорошо отражать свет и быть прозрачными в длинноволновом диапазоне ИК-спектра. Чаще всего для улучшения отражательных характеристик применяются введенные в полимер неорганические нано- или микрочастицы белого цвета (например, оксид цинка, диоксид кремния или диоксид титана) или неорганические кристаллы. Исследователи предположили, что поры определенного размера в полимерном материале окажутся более эффективными для отражения излучения. Заодно отсутствие необходимости в применении пигментов должно удешевить производство и обработку материала, а также исключить проблемы для окружающей среды, связанные с разрушением (пусть даже и в долгосрочной перспективе) композитов «полимер + наноматериал» и попаданием в атмосферу наночастиц, которые могут быть токсичными для растений и животных. 

Для проверки своего предположения исследователи выбрали сополимер винилфторида и гексафторпропена. Фторсодержащий полимерный материал химически устойчив благодаря связям углерод-фтор, устойчив к суточным перепадам температур и не разрушается от влажности.

Сополимер винилфторида и гексафторпропена хорошо растворим в ацетоне, но не растворим в воде, и один из способов его очистки — осаждение из ацетонового раствора водой. Нанесение полученной эмульсии на поверхность с помощью распыления или обычной кисточки приводит к тому, что легколетучий ацетон начинает испаряться. Когда испаряется значительное количество ацетона, система «полимер + ацетон + вода» теряет однородность и появляются капли воды. Поскольку полимер не растворим в воде, он начинает кристаллизоваться вокруг мелких капель воды, образуя содержащую воду пористую структуру. Затем испаряются остатки ацетона, после чего испаряется и вода. В итоге остается пористая полимерная структура с порами диаметром от 50 до 10 000 нм. Внутренняя поверхность этих пор интенсивно рассеивает свет в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Полученный материал представляет собой белую пленку, отражающую 96 % падающего солнечного излучения и успешно переизлучающую около 97 % тепла в окне прозрачности атмосферы.

Исследователи испытали полученный материал на способность к излучательному охлаждению в разных условиях. Под ясным солнечным небом Аризоны сополимер винилфторида и гексафторпропена понижал температуру поверхности, на которую он был нанесен, на 6ºC по сравнению с температурой окружающего воздуха. Во влажном воздухе Бангладеш, родине одного из соавторов работы, поверхности охлаждались всего на 2ºC, но и это можно считать достижением: из-за того, что во влажном воздухе тепловое излучение плохо рассеивается, многие ранее разработанные материалы в таких условиях просто не работали. Также было установлено, что способность к охлаждению защищаемой поверхности сохраняется в течение месяца пребывания сополимерного материала на открытом воздухе.

Дополнительным плюсом нового подхода является то, что использованный метод получения пористого сополимера можно применить и для других полимеров — в том числе биологически совместимых. В настоящее время исследователи проводят дополнительные испытания пористого сополимера винилфторида и гексафторпропена, чтобы окончательно установить возможность применения своего изобретения в обычных красках для окрашивания фасадов и кровли зданий.

Поступить в МТИ