Белее белого: стены, отражающие до 98% солнечного света

Холодными зимними днями, когда муконазальный секрет превращается в сосульки, многие из нас мечтают, чтоб лето наступило быстрее. Но, когда лето неминуемо наступает, и жара раскаляет асфальт, машины и людей, наши желания меняются в противоположную сторону. Спасаться от жары можно разными методами: тень, чай, купание в водоеме, переезд на Северный полюс и т.д. Но самый распространенный и самый технологичный метод это кондиционеры. Проблема в том, что эти устройства потребляют немало энергии и сопутствуют выделению углекислого газа в атмосферу. Ученые из Калифорнийского университета (США) решили разработать новый метод охлаждения помещений, в котором нет нужды в кондиционерах, а всю работу выполняет определенная краска, нанесенная на внешние стены помещения. Какие физические законы эксплуатирует данная разработка, как именно она сопутствует охлаждению, и насколько эффективна охлаждающая краска? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

Одним из самых широко известных физических явлений является способность разных материалов по-разному взаимодействовать с электромагнитными излучениями. Все мы знаем, что в солнечный день лучше надеть белую футболку, нежели черную, ибо белые поверхности лучше отражают солнечный свет, чем черные. За этим известным фактом стоит сразу несколько физических явлений (поглощение, отражательная способность и т.д.).

Эти процессы происходят и со зданиями. Большинство современных белых красок способны отражать до 85% солнечного излучения. Однако этот показатель можно улучшить, по словам ученых, реализовав достаточно простые модификации химического состава краски.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые предложили так называемый метод пассивного дневного радиационного (излучательного) охлаждения (PDRC от passive daytime radiative cooling), который включает в себя отражение солнечного света (длина волны l = 0.3–2.5 мкм) и излучение длинноволнового инфракрасного (LWIR; l = 8–13 мкм) тепла через соответствующие окна атмосферной передачи в космическое пространство (1А).


Изображение №1

Когда поверхность под открытым небом имеет достаточно высокий коэффициент отражения солнечного света (R_solar) и коэффициент излучения LWIR (ϵ_LWIR), солнечное нагревание перевешивается радиационными потерями тепла в космическое пространство, поэтому поверхность самопроизвольно охлаждается даже при сильном солнечном освещении. Если данные принципы реализовать в виде краски, которой будут покрыты наружные стены и крыши зданий, то эффективность охлаждения будет намного лучше, чем от классических кондиционеров (не говоря уже о снижении негативного воздействия на экологию).

Использование отражения света в качестве основы для охлаждения изучается уже достаточно давно. Еще в 1960-ых годах ученые рассматривали охлаждающие свойства полимеров, диэлектриков и полимерных композитов. Позднее интерес к такого рода исследованиям снизился, однако в последние годы, когда вопросы энергоэффективности и экологической безопасности стали одними из важнейших, исследования начались заново. В новых разработках большое внимание уделялось фотонным и полимерным охладителям.

Например, фотонные многослойные пленки, которые могут обеспечивать высокий R_solar и селективный LWIR, достигают температур ниже температуры окружающей среды, что делает их полезными для систем HVAC с водяным охлаждением, холодильников и термоэлектрических устройств. Однако, несмотря на хорошие показатели, данная методика не может стать массовой, ввиду своей сложности и дороговизны. Следовательно, применение определенных покрасочных материалов для охлаждения помещений является самым перспективным направлением в этой области. Тем не менее для полноценной реализации «краски-охладителя» необходимо учитывать несколько важных факторов и переменных.

Результаты исследования

С физической точки зрения требования к ограждающим конструкциям PDRC четко определены (1B): высокий R_solar для минимизации солнечного нагрева и высокий LWIR для максимизации радиационных потерь тепла в космос.

Авторы сего труда отмечают, что в литературе по радиационному охлаждению подчеркивается необходимость селективного излучения LWIR для максимизации охлаждения, однако это необходимо только для достижения оптимальных характеристик при температурах, существенно ниже температуры окружающей среды. В реальности же экстерьер зданий имеет температуру, близкую или превышающую температуру окружающей среды, из-за их контакта с воздухом и тепловыделения внутри помещений. Следовательно, широкополосный тепловой эмиттанс* є (в диапазоне l 2.5–40 мкм), составляющий длины волн LWIR, может быть столь же эффективным при охлаждении, что и селективный эмиттанс LWIR (1A и 2B).


Изображение №2

Тепловой эмиттанс* (тепловая испускательная способность) — отношение излучаемого тепла конкретного объекта или поверхности к излучению стандартного черного тела.

Не стоит забывать и о том, что данная система охлаждения должна соответствовать определенным практическим нормам. Технология PDRC охлаждения должна быть:

• применима на поверхностях с различными формами, размерами и текстурами;
• устойчива к химическим веществам окружающей среды, солнечному излучению и погоде;
• экономична и доступна в различных социально-экономических условия.

Выходит, что технология PDRC должна быть универсальной, недорогой, долговечной, масштабируемой и, естественно, эффективной. Комбинация таких эпитетов желательна для любой технологии или устройства, вопрос — можно ли этого достичь на практике. Ученые считают, что именно белая краска соответствует всем вышеперечисленным параметрам.

Морфологически краски представляют собой композиты, содержащие оптические рассеиватели, обычно диэлектрические пигменты, встроенные в полимер. Типичная белая краска содержит пигменты TiO₂, диспергированные в акриле или силиконе в массовом соотношении 1: 1, с дополнительными компонентами, такими как SiO₂ и CaCO₃. Эти изначально излучающие материалы придают краскам почти единичный, широкополосный є 0.95.

Однако R_solar красок ниже, чем у конструкций PDRC на основе серебра (0.92–0.97), так как промышленность предпочла использовать именно рутиловый TiO₂ в качестве белого пигмента. Высокий показатель преломления наночастиц TiO₂ (n > 2.5) относительно показателя полимерных связующих (n = 1.5) позволяет им рассеивать солнечный свет более эффективно, чем такое же количество других белых пигментов, что делает TiO₂ экономически эффективным.

Тем не менее, благодаря ширине запрещенной зоны 3.0 эВ (l = 0.413 мкм), TiO₂ по своей природе поглощает ультрафиолетовый (0.3–0.4 мкм) и фиолетовый* (0.4–0.41 мкм) свет, которые несут 7% солнечной энергии (2А).

Фиолетовый свет* находится на верхнем конце видимого спектра, с длиной волны ~ 380-450 нм. Свет с более короткой длиной волны, чем фиолетовый, но длиннее, чем рентгеновские и гамма-лучи, называется ультрафиолетовым.

Это ограничивает R_solar до < 0.95 (2B). Ранее проведенные исследования позволили оптимизировать размер частиц TiO₂ для улучшения рассеяния и приближения к этому пределу. Однако поглощение солнечного света в ближней инфракрасной области (NIR, l 0.7–2.5 мкм) полимерными связующими (2А) и неоднородность отражения на других длинах волн означают, что даже при оптимизации R_solar имеет реалистичный предел в 0.92 и составляет < 0.86 для лучших на рынке красок на основе TiO₂ (2В).

Эти показатели описывают мировой стандарт «охлаждающего покрытия» для экстерьера зданий, и позволяют крышам и стенам с таким покрытием быть значительно холоднее, чем без покрытия. Но они не могут обеспечить охлаждение в условиях окружающей среды при сильном солнечном освещении (1С).

Повышение R_solar, однако, может превратить краски в радиационные охладители, которые непрерывно отдают тепло в атмосферу независимо от времени суток, и, следовательно, снижают охлаждающую нагрузку на здания (1C).

Повысить R_solar белых красок вполне реально за счет материальных изменений. Поскольку краски являются оптически неоднородными рассеивающими средами, удаление любых источников поглощения усиливает R_solar. Есть два способа достичь этого:

• заменить TiO₂ на УФ-неабсорбирующие пигменты;
• использовать полимерные связующие с низким показателем преломления с низкой УФ- и ИК-абсорбцией.

Первый способ может быть также реализован по-разному. Одной из возможностей является использование пигментов с большими оптическими запрещенными зонами, таких как Al₂O₃ (7.0 эВ, 0.177 мкм) и BaSO₄ (6.0 эВ, 0.208 мкм). Либо использовать полимерные пигменты, такие как частицы политетрафторэтена (ПТФЭ), которые имеют минимальное поглощение на длинах волн Солнца. В частности, пигменты Al₂O₃, BaSO₄ и PTFE имеют собственные оптические фононные резонансы или колебательные моды в инфракрасном диапазоне длин волн, что делает их пригодными для излучения тепла.

Более новым, недавно исследованным вариантом является использование микроскопических воздушных пустот в качестве «пигментов» для рассеивания солнечного света. В этом случае эмиттанс є возникает исключительно от самого пористого полимера.

Второй способ может быть достигнут за счет использования фторполимеров, таких как P(VdF-HFP) или коммерчески доступных водных P(VdF) вариантов. По сравнению с акриловым или силиконовым, фторполимеры имеют меньше связей C-H или O-H, которые поглощают солнечный свет при l = 1.2, 1.4, 1.7 и 2.3 мкм, и больше связей C-F, которые слабо поглощают свет при 2.1 мкм. Кроме того, фторполимеры поглощают меньше ультрафиолета, чем акрил, еще больше усиливая R_solar.

Поглощающая способность может быть дополнительно снижена путем уменьшения количества полимера в краске. Наконец, поскольку фторполимеры имеют более низкие показатели преломления (1.38–1.43), чем акрилы (1.495), они усиливают рассеяние на пигментах и, следовательно, показатель R_solar.

На 2А и 2В показаны результаты, касающиеся коэффициентов отражения белых красок на основе TiO₂, стандарта отражения на основе сверхбелого ПТФЭ (Spectralon SRM-99) и посеребренных излучателей.

В отсутствие собственного поглощения УФ-излучения рассеяние на пигментах приводит к высокой отражательной способности УФ-синего. Снижение содержания полимера приводит к аналогичным результатам для длин волн NIR (в ближней инфракрасной области).

Для BaSO₄ и P(VdF-HFP) лакокрасочных покрытий R_solar достигает 0.98, а для покрытий на основе Al₂O₃ и PTFE — более 0.94 (2C).

Как показали вышеописанные расчеты, слегка измененные краски действительно обладают большим потенциалом в области радиационного охлаждения экстерьера зданий, однако существует ряд проблем и сложностей.


Изображение №3

Ученые выделяют пять основных проблем, которые могут возникнуть в ходе полноценной разработки PDRC, а также предлагают методы их решения.

Проблема I: максимизация R_solar и WLWIR с минимальным использованием материала. Затраты остаются главной проблемой для любой технологии радиационного охлаждения, включая краски, где более высокие материальные затраты могут стать препятствием.

Решение проблемы достижения высоких значений LWIR кроется в использовании собственных эмиссионных пигментов с определенными размерами в микромасштабе или нанесения красок на излучающие субстраты. А вот высокий R_solar может быть достигнут путем включения воздушных пустот в краски для увеличения оптического рассеяния. Другой возможностью являются двухслойные системы, в которых реализуется более мелкое проникновение солнечных лучей при более коротких длинах волн. Тонкий слой УФ-отражающей краски (2А) может быть нанесен на пленку TiO₂ краски, обеспечивая высокую эффективность рассеяния пигментов TiO₂ при отражении ультрафиолетового света.

Проблема II: долговечность и устойчивость к загрязнению. Многие белые краски со временем испытывают падение отражательной способности солнечных лучей. Такие материалы, как фторполимерные связующие, могут увеличить срок службы отражательной способности и, следовательно, снизить среднегодовые затраты. Загрязнение также представляет собой проблему для всех технологий PDRC, так как снижает солнечную отражательную способность. Следовательно, системы, устойчивые к загрязнению, такие как гидрофобные, стойкие к биологическому обрастанию покрытия, которые могут выдерживать физическую очистку, могут поддерживать эффективность охлаждения и увеличивать срок службы.

Проблема III: блики. Хотя отражение от белых красок рассеянное и менее интенсивное, чем от серебристых, оно может негативно влиять на зрение и нагревать темные объекты, расположенные в области отражения света от белой краски. Решить эту проблему можно посредством ретрорефлекторных* сфер, однако предстоит изучить их влияние на показатели R_solar и ϵ_LWIR.

Ретрорефлектор* — устройство для отражения лучей света обратно в сторону источника с минимальным рассеиванием.

Проблема IV: эстетика. Белые краски это хорошо, но вряд ли будет эстетично, если все здания в городе будут одного цвета. Чтобы сохранить необходимый уровень R_solar и ϵ_LWIR, при этом разнообразив палитру цветов, можно использовать флуоресцентные пигменты, которые преобразуют поглощенный свет в видимом диапазоне в излучение в ближней инфракрасной области.

Проблема V: экология. Полноценная PDRC система может снизить негативное воздействие на окружающую среду, однако использованные в системе краски должны быть экологически чистыми, что не всегда истинно. Следовательно, необходимо заменить те опасные составляющие на экологически безопасные (например, варианты на базе фторполимера на водной основе), что может дополнительно повысить долговечность краски.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Человеческая натура такова, что мы всегда рады сэкономить. Однако экономия порой приводит к определенным печальным последствиям, о которых мы часто и не задумываемся в нужный момент. С одной стороны — использование кондиционеров это просто, быстро, эффективно и не так уж и дорого. С другой стороны — это влияет на экологию, что в долгосрочной перспективе выльется в дополнительные расходы на «разгребание» последствий.

Предложенная в данном труде технология охлаждения учитывает как наше желание сэкономить, так и экологические ограничения. Реализация незначительных изменений состава лакокрасочных материалов позволяет увеличить их отражательную способность с 0.85 до 0.98. Поскольку солнечный свет не будет поглощаться поверхностью экстерьера зданий, они не будут так нагреваться, следовательно, использование кондиционеров (и других классических методов охлаждения) можно будет сократить. Во-первых, это выгодно, а во-вторых, это не так влияет на окружающую среду.

Конечно, остается ряд проблем, которые нуждаются в решении, о чем честно признаются сами авторы сего труда. Экономическая, экологическая и даже эстетическая составляющие будут рассматриваться более детально в последующих исследованиях. В данном же ученые высказали теорию и описали концепцию, которая, к слову, выглядит крайне привлекательно и перспективно, несмотря на ранний этап разработки.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?