"Потеющие" здания смогут самоохлаждаться
Раздумывая над тем, как бы лучше всего организовать охлаждение зданий, швейцарские учёные вспомнили о таком заложенном природой в биологию человека эффективном методе терморегуляции, как выделение влаги порами кожи. И в самом деле, вода - идеальный терморегулятор, понижающий температуру поверхности благодаря высокому значению энергии испарения (2 МДж/кг). Исследователи подсчитали, что для серьёзного охлаждения офисного здания в солнечный полдень хватит 5-миллиметрового слоя воды (правда, они не сообщают, о какой площади поверхности идёт речь; более того, эффективность метода будет разной для "приземистых" и высоких зданий одинакового объёма).
Поначалу для запасания воды швейцарцы решили воспользоваться традиционным гидрогелем на основе pHEMA - поли(гидроксиэтилметакрилата). Однако полевые испытания такого покрытия на модельной крыше в условиях симулирования циклических изменений погодных условий от дождливых к солнечным и обратно принесли неудовлетворительные результаты. Быстро подсыхающий верхний слой становился серьёзной преградой на пути водяных паров, снижая скорость испарения до неприемлемого уровня.
Тогда, чтобы точнее смоделировать процесс "выделения пота", авторы взялись за создание материала, способного выделять влагу со скоростью, пропорциональной нагреву. Самой перспективной основой для нового гидрогеля им показался термочувствительный полимер PNIPAM - поли(N-изопропилакриламид), который подвергается фазовому переходу уже при 32 ˚С, отдавая абсорбированную воду. К сожалению, полимер сам водорастворим. Как быть? Самый общий и простой метод, позволяющий предотвратить растворимость полимера в воде, заключается в увеличении степени сшивки полимерных цепей PNIPAM. Что, однако, не лучшим образом сказывается на термочувствительности материала.
Используя 5% сшивающего материала, учёным удалось найти золотую середину. Их итоговый полимер способен обратимо сохранять воду, вес которой достигает 90% от его веса. При этом температура поверхности такого гидрогеля, подставленная лучам искусственного солнца, не превышает 35 ˚C до тех пор, пока вся запасённая вода не испарится. Только после этого температура модельной крыши под полимером увеличивается до 60 ˚C.
Для сравнения: крыша, покрытая гидрогелем на основе pHEMA, быстро разогревалась до 45 ˚C, а затем столбик термометра медленно, но постоянно рос до 60 ˚C. Исследователям кажется вполне очевидным, что гораздо проще охладить здание, крыша которого нагрета до 30 ˚C, нежели с крышей, раскалённой до 60 ˚C (в подтверждение они приводят серьёзный расчёт разницы выбросов парникового газа электрическими кондиционерами в обоих случаях).
И всё бы хорошо, но если начать перечислять все "но", то работа из научной превращается в незнамо что. Давайте навскидку:
1. Необходимый для функционирования пассивного охлаждения погодный цикл возможен только в областях с субтропическим климатом: во всех остальных случаях баланс будет сильно смещён либо в сторону жары, либо в сторону дождей. 2. Нагрев сооружений определяется далеко не только крышей, а в случае сколько-нибудь многоэтажных зданий, к которым чаще всего относятся офисные помещения, так и вовсе не крышей. 3. Полиамиды подвержены термическому гидролизу, что резко ограничит срок их службы, а производство новой партии полимера потребует очередных энергозатрат.
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Advanced Materials.