Из-за изменения климата миллионы людей все более подвержены экстремальным погодным условиям, поскольку колебания температур происходят всё чаще. Системы охлаждения и отопления, для которых необходима электроэнергия, нуждаются в более инновационной энергоэффективной альтернативе, чтобы снизить нагрузку на перегруженную энергосистему.
В новом исследовании ученые из Техасского университета A&M описывают инновационные композитные материалы с изменяемым фазовым состоянием (PCM), которые способны регулировать температуру воздуха внутри зданий. Их можно распечатать на 3D-принтере, а сам процесс создания подобных материалов более простой и дешевый, сообщает Science Daily.
Композитные материалы можно добавлять в строительные материалы, такие как краска или напечатанные на 3D-принтере декоративные элементы интерьера.
“Интегрирование материалов с изменяемым фазовым состоянием в строительные материалы открывает новые возможности, позволяя более пассивно регулировать температуры как в новых зданиях, так и в тех, что уже существуют”, — говорит доктор Эмили Пенцер.
Для регулирования температуры в жилых и коммерческих помещениях сейчас чаще всего используются системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Однако эти системы потребляют много энергии. Кроме того, они используют парниковые материалы, называемые хладагентами, для выработки холодного, сухого воздуха. Из-за этих проблем ученые и занялись поиском альтернативных решений и технологий, которые требуют меньше энергии и могут регулировать температуру так же эффективно, как привычные системы.
Особый интерес у них вызвали материалы с изменяемым фазовым состоянием. Как можно понять из названия, они способны изменять свое физическое состояние в зависимости от температуры окружающей среды.
Когда материалы с изменяемым фазовым состоянием накапливают тепло, они постепенно переходят из твердого состояния в жидкое, и наоборот, когда они тепло отдают.
Таким образом, в отличие от традиционных систем, которым нужна внешняя энергия для нагрева и охлаждения, материалы с изменяемым фазовым состоянием являются пассивными. Они не требуют выработки электричества для регулирования температуры.
При традиционном подходе вокруг каждой частицы материала с изменяемым фазовым состоянием создается отдельная оболочка, подобно чаше, которая удерживает воду. Затем эти материалы добавляются в обычные строительные материалы. Однако перед учеными стояла непростая задача: нужно было найти строительные материалы, совместимые как с материалами с изменяемым фазовым состоянием, так и с их оболочкой. Более того, традиционный метод производства сокращает количество частиц материалов с изменяемым фазовым состоянием, которые могут быть встроены в строительные материалы.
“Представьте, что вы наполняете кастрюлю яйцами и водой, — говорит Сиера Чиприани, научный сотрудник Департамента материаловедения и инженерии НАСА. — Если каждое яйцо необходимо поместить в отдельный контейнер, чтобы они сварились вкрутую, в кастрюлю помещается меньше яиц. Убрав пластиковые контейнеры — в нашем исследовании это оболочка — больше яиц или материалов можно поместить, укладывая их ближе друг к другу в воде или смоле”.
Для решения этой проблемы были проведены исследования и выяснилось, что если использовать парафин с изменяемым фазовым состоянием, смешанный с жидкой смолой, смола одновременно выполняет функцию оболочки и строительного материала. Этот метод запирает частицы материала внутри образованных ячеек, позволяя им безопасно проходить изменение фазы и регулировать тепловую энергию без потерь.
Аналогичным образом Эмили Пенцер и ее команда впервые объединили светочувствительные жидкие смолы с порошком парафинового воска с изменяемым фазовым состоянием. Это помогло создать новый композитный материал, который можно распечатать на 3D-принтере.
Смесь смолы/материалов с изменяемым фазовым состояние достаточно мягкая и пластичная, что делает ее идеальной для 3D-печати, но не для строительных конструкций. Поэтому, используя светочувствительную смолу, ученые изменили ее свойства при помощи ультрафиолетового света, чтобы сделать пасту для 3D-печати более плотной. Таким образом она стала подходящей для строительства.
Более того, они обнаружили, что воск с изменяемым фазовым состоянием, встроенный в смолу, не подвергается воздействию ультрафиолетового излучения и составляет 70% от напечатанной структуры. Это более высокий процент по сравнению с тем, который возможен в большинстве доступных в настоящее время материалов, используемых в промышленности.
Затем ученые протестировали терморегулирование своих композитных материалов с изменяемым фазовым состоянием, напечатав на 3D-принтере небольшую модель в форме дома. Они поместили ее в печь и провели замеры температур внутри модели. Анализ показал, что температура модели на 40% отличалась от наружной температуры как для циклов нагрева, так для циклов охлаждения по сравнению с моделями изготовленными из традиционных материалов.
В будущем исследователи планируют проводить эксперименты с различными материалами с изменением фазового состояния помимо парафина.
“Мы в восторге от результатов, которые продемонстрировал материал, который позволяет сохранять комфортную температуру в зданиях, сокращая при этом потребление энергии, — говорит доктор Пейран Вей. — Мы можем совмещать несколько материалов с изменяемым фазовым состоянием с различными температурами плавления и точно распределять их в различных областях одного напечатанного объекта. Такой материал сможет работать на протяжении всех четырех сезонов и по всему миру”.