Новая полимерная краска эффективно охлаждает здания даже под прямыми солнечными лучами

Рис. 1. Принцип работы пассивного охлаждения. Поверхность должна отражать солнечный свет и излучать в тепловом (длинноволновом инфракрасном) диапазоне электромагнитного спектра. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Поддержание в зданиях не слишком высокой температуры — важный элемент комфорта. Сейчас эта задача в основном решается при помощи кондиционеров, минусы которых хорошо известны: зависимость от электричества, применение вредных хладагентов и т. д. Американские ученые разработали простое полимерное покрытие, которое, если его нанести на здание, будет охлаждать его даже под прямыми солнечными лучами без каких-либо затрат энергии. Такой эффект достигается за счет того, что это покрытие хорошо отражает солнечный свет, а накопленное тепло переизлучает в инфракрасном окне прозрачности атмосферы.

Охлаждение в жаркую погоду жилых и производственных зданий — существенная часть формирования комфортной среды обитания, от которой, в том числе, зависит и производительность труда (M. Burke et al., 2015. Global non-linear effect of temperature on economic production). Сейчас охлаждение достигается в основном за счет систем компрессионного типа (прежде всего это привычные всем кондиционеры). Но у таких устройств есть много недостатков: большое энергопотребление, нагрев воздуха на улице, использование вредных хладагентов, разрушающих озоновый слой, и т. д. Заманчивая перспектива найти экономичный (а еще лучше — не зависящий от электропитания), безопасный и не портящий климат способ охлаждения кажется недостижимой. Однако оказывается, что современные технологии это вполне позволяют.

В основе такой альтернативы кондиционерам лежит эффект пассивного излучательного охлаждения: если поверхность хорошо отражает или рассеивает солнечный свет и лучистое тепло (длины волн в интервале 0,3–2,5 мкм) и при этом сама излучает в длинноволновой области ИК спектра — в одном из так называемых окон прозрачности атмосферы (длина волны 8–13 мкм), — то она будет самостоятельно, без каких-либо дополнительных усилий, охлаждаться, отводя тепло в виде излучения прямиком в космос (физика явления подробно обсуждается в задаче Сам себе холодильник). Этот эффект при определенных свойствах поверхности может наблюдаться и днем под прямыми солнечными лучами: лишь бы она хорошо отражала свет и сама излучала в нужном диапазоне. Имея такой материал, можно просто покрывать им здания, чтобы защищать их от перегрева — все будет происходить само, без расхода электроэнергии.

Исследования в этом направлении идут уже довольно давно. За последние десятилетия удалось разработать целый ряд материалов, способных к пассивному дневному излучательному охлаждению: фотонные структуры (A. R. Gentle, G. B. Smith, 2010. Radiative heat pumping from the Earth using surface phonon resonant nanoparticles), диэлектрики (T. S. Eriksson et al., 1985. Surface coatings for radiative cooling applications: Silicon dioxide and silicon nitride made by reactive rf-sputtering), полимеры (Y. Zhai et al., 2017. Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling) и металлические отражательные поверхности (A. P. Raman et al., 2014. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight).

Все они, хотя и способны успешно понижать температуру защищаемых ими объектов, не лишены недостатков, главными из которых являются высокая цена производства и подверженность разрушению (из-за коррозии или выветривания). Мешает применению имеющихся разработок и то, что большинство таких материалов получают в виде пленок (или композитов из нескольких слоев пленок с внедренными наночастицами), которые часто можно наносить только на специально подготовленные поверхности. В связи с этим в настоящее время наиболее перспективна разработка способных к пассивному охлаждению красок или других составов, которые можно просто наносить на защищаемые поверхности. Такие краски появились уже несколько лет назад, но у них пока еще довольно скромные характеристики (J. Song et al., 2014. The effects of particle size distribution on the optical properties of titanium dioxide rutile pigments and their applications in cool non-white coatings).

Рис. 2. Схема образования пористого покрытия из сополимера винилфторида и гексафторпропена. Сополимер хорошо растворяется в ацетоне и очень плохо — в воде. Благодаря этому в процессе испарения ацетона из однородного раствора выделяются капли воды, которые придают осаждающемуся полимеру пористую структуру. Затем испаряется и вода, а остается только пористая полимерная пленка. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Исследователям из Колумбийского университета и Аргоннской национальной лаборатории, работающим под руководством Наньфана Ю (Nanfang Yu) удалось получить материал, в котором, судя по всему, сочетается всё лучшее для эффективного пассивного охлаждение: он легко синтезируется, хорошо выдерживает воздействие среды и его можно наносить так же просто, как обычную краску.

На самом деле алгоритм подбора ингредиентов для таких материалов, по крайней мере на словах, довольно прост и прямолинеен: компоненты «холодильных красок» должны хорошо отражать свет и быть прозрачными в длинноволновом диапазоне ИК-спектра. Чаще всего для улучшения отражательных характеристик применяются введенные в полимер неорганические нано- или микрочастицы белого цвета (например, оксид цинка, диоксид кремния или диоксид титана) или неорганические кристаллы. Исследователи предположили, что поры определенного размера в полимерном материале окажутся более эффективными для отражения излучения. Заодно отсутствие необходимости в применении пигментов должно удешевить производство и обработку материала, а также исключить проблемы для окружающей среды, связанные с разрушением (пусть даже и в долгосрочной перспективе) композитов «полимер + наноматериал» и попаданием в атмосферу наночастиц, которые могут быть токсичными для растений и животных (P. S. Tourinho et al., 2012. Metal‐based nanoparticles in soil: Fate, behavior, and effects on soil invertebrates).

Для проверки своего предположения исследователи выбрали сополимер винилфторида и гексафторпропена. Фторсодержащий полимерный материал химически устойчив благодаря связям углерод-фтор, устойчив к суточным перепадам температур и не разрушается от влажности.

Сополимер винилфторида и гексафторпропена хорошо растворим в ацетоне, но не растворим в воде, и один из способов его очистки — осаждение из ацетонового раствора водой. Нанесение полученной эмульсии на поверхность с помощью распыления или обычной кисточки приводит к тому, что легколетучий ацетон начинает испаряться. Когда испаряется значительное количество ацетона, система «полимер + ацетон + вода» теряет однородность и появляются капли воды. Поскольку полимер не растворим в воде, он начинает кристаллизоваться вокруг мелких капель воды, образуя содержащую воду пористую структуру. Затем испаряются остатки ацетона, после чего испаряется и вода. В итоге остается пористая полимерная структура с порами диаметром от 50 до 10 000 нм. Внутренняя поверхность этих пор интенсивно рассеивает свет в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Полученный материал представляет собой белую пленку, отражающую 96% падающего солнечного излучения и успешно переизлучающую около 97% тепла в окне прозрачности атмосферы.

Рис. 3. СЭМ-изображение поперечного сечения сополимера винилфторида и гексафторпропена, на котором видны поры с диаметром около пяти микрометров. На врезке строение пористого полимера показано с большим увеличением, и можно увидеть наноразмерные поры в стенках, ограничивающих основные поры микрометрового размера. Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Исследователи испытали полученный материал на способность к излучательному охлаждению в разных условиях. Под ясным солнечным небом Аризоны сополимер винилфторида и гексафторпропена понижал температуру поверхности, на которую он был нанесен, на 6ºC по сравнению с температурой окружающего воздуха. Во влажном воздухе Бангладеш, родине одного из соавторов работы, поверхности охлаждались всего на 2ºC, но и это можно считать достижением: из-за того, что во влажном воздухе тепловое излучение плохо рассеивается, многие ранее разработанные материалы в таких условиях просто не работали. Также было установлено, что способность к охлаждению защищаемой поверхности сохраняется в течение месяца пребывания сополимерного материала на открытом воздухе.

Дополнительным плюсом нового подхода является то, что использованный метод получения пористого сополимера можно применить и для других полимеров — в том числе биологически совместимых. В настоящее время исследователи проводят дополнительные испытания пористого сополимера винилфторида и гексафторпропена, чтобы окончательно установить возможность применения своего изобретения в обычных красках для окрашивания фасадов и кровли зданий.

Источник: J. Mandal, Y. Fu, A. Overvig, M. Jia, K. Sun, N. Shi, H. Zhou, X. Xiao, N. Yu, Y. Yang. Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling // Science. 2018. DOI: 10.1126/science.aat9513.

Аркадий Курамшин