Maksymalizacja naturalnego światła w budynkach jest popularna i pozwala zaoszczędzić na kosztach energii. Jednak tradycyjne szklane dachy i ściany stwarzają również problemy, takie jak odblaski, brak prywatności i przegrzanie. Alternatywne rozwiązania, takie jak powłoki i materiały rozpraszające światło, nie zapewniły jeszcze kompleksowego rozwiązania.
Nowy materiał łączy w sobie wiele funkcji
Naukowcy z Instytutu Technologii Mikrostruktur (IMT) i Instytutu Technologii Światła (LTI) w KIT opracowali obecnie nowatorski metamateriał na bazie polimerów, który łączy w sobie różne właściwości i może w przyszłości zastąpić elementy szklane w budownictwie. Ten wielofunkcyjny metamateriał mikrofotoniczny na bazie polimerów (PMMM) składa się z mikroskopijnych piramid wykonanych z silikonu. Te mikropiramidy mierzą około dziesięciu mikrometrów, co stanowi około jednej dziesiątej średnicy włosa. Taka konstrukcja nadaje folii PMMM kilka funkcji: rozpraszanie światła, samooczyszczanie i chłodzenie radiacyjne przy jednoczesnym zachowaniu wysokiego poziomu przezroczystości. „Kluczową cechą jest zdolność do wydajnego emitowania ciepła przez długofalowe okno transmisji podczerwieni w atmosferze ziemskiej, uwalniając ciepło do zimnej przestrzeni Wszechświata. Pozwala to na pasywne chłodzenie radiacyjne bez zużycia energii elektrycznej” – wyjaśnia Bryce S. Richards, profesor w IMT i LTI.
Chłodzenie, przepuszczanie światła i brak odblasków
W laboratorium i podczas eksperymentów pod gołym niebem w rzeczywistych warunkach zewnętrznych naukowcy przetestowali właściwości materiału i zmierzyli jego przepuszczalność światła, rozpraszanie światła, właściwości odbicia, zdolność samooczyszczania i wydajność chłodzenia przy użyciu nowoczesnej spektrofotometrii. Wyniki: W testach uzyskano ochłodzenie o 6°C w porównaniu do temperatury otoczenia. Ponadto materiał wykazywał wysoką przepuszczalność widmową, czyli przezroczystość, wynoszącą 95 procent. Dla porównania, szkło ma zazwyczaj przezroczystość na poziomie 91 procent. Jednocześnie struktura mikropiramidy rozprasza 73 procent wpadającego światła słonecznego, co powoduje rozmycie obrazu. „Kiedy materiał jest stosowany na dachy i ściany, pozwala uzyskać jasne, ale nieoślepiające i chronione przed prywatnością przestrzenie wewnętrzne do pracy i życia. W szklarniach wysoka przepuszczalność światła może zwiększyć plony, ponieważ skuteczność fotosyntezy szacuje się na dziewięć procent wyższa niż w szklarniach ze szklanymi dachami” – mówi RichardsGan Huang, lider grupy w IMT. Mikropiramidy nadają również folii PMMM właściwości superhydrofobowe, podobne do liści lotosu: woda gromadzi się w kropelkach i usuwa brud i kurz z powierzchni. Funkcja samooczyszczania sprawia, że materiał jest łatwy w utrzymaniu i trwały.
Potencjał dla budownictwa i rozwoju miast
„Nasz nowo opracowany materiał ma potencjał do wykorzystania w różnych obszarach i wnosi znaczący wkład w zrównoważoną i energooszczędną architekturę” – wyjaśnia Richards. „Materiał może jednocześnie zoptymalizować wykorzystanie światła słonecznego w pomieszczeniach, zapewnić pasywne chłodzenie i zmniejszyć zależność od klimatyzacji. Rozwiązanie jest skalowalne i można je bezproblemowo zintegrować z planami przyjaznego dla środowiska budownictwa i rozwoju obszarów miejskich.” mówi Huang.