Вдохновившись покрытой трещинами кожей слонов, удерживающей воду, исследователи из Пенсильванского университета разработали недорогую цементную плитку, которая охлаждает здания за счёт поглощения и медленного испарения воды — превращая конструктивный недостаток в решение климатической проблемы.
В солнечные и знойные летние дни большое облегчение приносит пот. Когда капли влаги испаряются с кожи, они почти незаметно отводят тепло. Это кажется неприятностью, но на самом деле это одна из самых эффективных систем охлаждения в животном мире.
Однако не все животные способны потеть. Одним из примеров является африканский слон, выдерживающий сильную жару в африканской саванне благодаря своей тёмно‑серой коже толщиной в несколько дюймов. Как ему удаётся оставаться прохладным?
«Складки», — отвечает Дорит Авив, доцент кафедры архитектуры Школы дизайна имени Вейцмана. «У слонов на коже есть сеть трещинок, в которых задерживается вода. Когда они обрызгивают себя водой, она остаётся на коже и медленно испаряется, постепенно охлаждая их».
Идея охлаждения без потоотделения впервые была предложена Авив её давним коллегой Шу Яном, учёным‑материаловедом из Инженерного факультета Пенсильванского университета. Эта идея заинтересовала Авив, чьи исследования сосредоточены на повышении термодинамической эффективности архитектурной среды в условиях глобального потепления, ведь здания не потеют.
В статье, опубликованной в журнале «Advanced Materials», Авив, Ян и Кун‑Хао Ю из Сиракузского университета воплотили эту идею в новый вид плитки на цементной основе, которая улавливает, удерживает и медленно испаряет воду, охлаждая поверхности без вентиляторов, компрессоров или сложных движущихся частей.
Повышение эффективности охлаждения без компрессоров
Под воздействием инфракрасного нагрева и периодического полива температура под этими плитками оставалась стабильной — 32 °C. Для сравнения: температура коммерческой штукатурки с трещинами поднялась до 42 °C, а без трещин — до 52 °C.
«В Соединённых Штатах мы проводим примерно 90% времени в помещениях, а здания потребляют около 40% первичной энергии — почти половину из этого объёма уходит на отопление, охлаждение и вентиляцию», — говорит Ян. «Такой пассивный охлаждающий фасад, вдохновлённый природой, может снизить температуру поверхности на 6–11 °C по сравнению с традиционной штукатуркой».
В отличие от механических систем кондиционирования, которые потребляют ископаемое топливо и способствуют накоплению тепла снаружи, выбрасывая тепло из помещения, это действительно пассивная система, которая охлаждает саму «кожу» здания, объясняет она.
Превращение трещин в водные каналы
В теории удержание воды для её испарения и использование этого фазового перехода для отвода тепла — дело простое. Однако исследователи столкнулись с серьёзными трудностями, поскольку большинство традиционных строительных материалов совершенно не справляются с этой задачей: капли воды скатываются в шарики, отскакивают или стекают прямо по поверхности, не успев обеспечить эффективное охлаждение.
Команде необходимо было разработать способ направления каждой капли для максимального использования её охлаждающего потенциала, что подтолкнуло их к использованию трещин.
Непрерывное дозирование воды на треснутых дисках (0 мас.% и 50 мас.% DE‑цемента) под углом наклона 60°. Источник: Advanced Materials (2026). DOI: 10.1002/adma.202523133
«В традиционном строительстве трещины являются признаком ослабления и началом износа материала, — говорит Ян. — Но, управляя тем, где и как они образуются, мы создали сети крошечных каналов, которые действуют как капилляры, способные переносить воду по поверхности и удерживать её на месте».
Процесс создания начинается со смешивания обычного портландцемента и пористого материала, называемого диатомовой землёй (ДЗ), изготовленного из окаменелых водорослей. После формования в виде тонких плиток и частичной гидратации материал сушат в тщательно контролируемых условиях. По мере усадки напряжение накапливается и высвобождается по заранее заданным схемам, образуя предсказуемую решётку трещин вместо хаотичных разрушений.
«Мы поняли, что хранение воды и её перемещение — это на самом деле две разные задачи», — объясняет Ю, который во время проведения этих экспериментов был постдокторантом в лаборатории Яна.
«Микроскопические поры внутри материала действуют как крошечные резервуары, которые быстро впитывают каждую каплю, а специально сформированная сеть трещин — как система каналов, перераспределяющая эту воду по поверхности. Именно сочетание этих двух свойств позволяет плитке удерживать воду, а не терять её».
Когда вода попадает на поверхность, она быстро впитывается — за миллисекунды — вместо того, чтобы отскакивать. Она проникает в сеть трещин и перераспределяется по плитке, имеющей сотовую структуру, — даже вопреки силе тяжести на наклонных поверхностях. Такой длительный контакт позволяет поверхности дольше оставаться влажной, давая возможность испарению выполнять свою работу. Шестиугольная геометрия заставляет воду двигаться зигзагообразно в поперечном направлении, а не стекать прямо вниз, что обеспечивает устойчивое охлаждение в течение до 20 часов.
Проектирование с учётом ограничений, связанных с теплом и водой
Будущее этой технологии заключается в её обманчивой простоте. Команда продемонстрировала, что смесь ДЗ‑цемента можно наносить на панели большой площади с помощью пистолетов, что открывает путь к изготовлению на месте, которое будет одновременно масштабируемым и экономически эффективным.
«Экстремальная жара уже является самой смертоносной климатической угрозой, а мы десятилетиями пытались изолировать здания от окружающей среды», — говорит Авив. «Если нам удастся разработать материалы, которые будут взаимодействовать с природными процессами, а не противостоять им, мы сможем переосмыслить, как сделать города пригодными для жизни».
Заглядывая в будущее, исследователи представляют себе интеллектуальные системы управления, в которых циклы полива автоматизированы на основе погодных данных в режиме реального времени, что гарантирует «заправку» здания водой только тогда, когда этого требует прогноз.
«Теперь, когда мы понимаем, как вода движется по этим узорчатым плиткам, мы можем начать относиться к воде как к чему‑то, чем мы управляем очень точно, а не просто распылять её в больших количествах», — говорит Ю. «Сочетая эти материалы с прогнозами погоды и автоматизированными системами подачи воды, мы сможем подавать ровно столько воды, сколько нужно, именно там и тогда, где и когда это необходимо, чтобы обеспечить максимальное охлаждение при минимальном расходе воды».
