Современное строительство и эксплуатация зданий требует значительных энергетических ресурсов, большая часть которых тратится на отопление и охлаждение помещений. По данным исследований, около 40% мировой энергии уходит на поддержание комфортного микроклимата внутри зданий. В связи с глобальным изменением климата и растущими затратами на энергию ученые и инженеры стремятся находить новые решения, снижая воздействие на окружающую среду и повышая энергоэффективность строений. Одной из самых перспективных разработок в этой сфере стала технология, вдохновленная природными механизмами теплообмена, наблюдаемыми в организме животных, таких как слоны и зайцы. Исследователи из Университета Дрекселя разработали уникальные строительные материалы, которые могут помочь зданиям пассивно регулировать температуру благодаря встроенной в структуру конструкции сосудистой сети.
Эта инновационная система напоминает сложную венозную сеть ушей слонов и зайцев, которая способствует эффективному отводу тепла у этих животных. Аналогично этому принципу в бетонные панели и другие цементные материалы встроены каналы, заполненные парафиноподобным веществом с фазовым переходом. Такое вещество способно поглощать и высвобождать тепловую энергию во время изменения своего агрегатного состояния – от твердого к жидкому и обратно. Принцип работы нового материала основан на реакции на колебания температуры окружающей среды. При повышении температуры парафин в каналах начинает плавиться и впитывать излишки тепла, охлаждая поверхность стены или потолка.
Когда температура падает, парафин твердеет, выделяя накопленную тепловую энергию и таким образом предупреждая резкое переохлаждение поверхности. Благодаря этому эффекту теплообмен с окружающей средой становится более стабильным и смягченным, что снижает нагрузку на системы отопления и кондиционирования зданий. Данная технология особенно актуальна ввиду того, что около 63% тепловых потерь зданий приходится именно на окна, стены и потолки, несмотря на уже существующие инновации в области утепления и энергоэффективных оконных систем. Хотя расширение площади остекления улучшает естественное освещение и эстетический облик зданий, оно также ухудшает их изоляционные свойства. Новая разработка предлагает решение данной проблемы путем превращения этих уязвимых частей фасада в активные элементы терморегуляции.
Вдохновение для создания таких материалов исследователи почерпнули из необычного природного явления. Уши слонов и зайцев имеют плотную сеть кровеносных сосудов, которая помогает животным эффективно рассевать и захватывать тепло, регулируя внутреннюю температуру тела. Аналогичный принцип был воплощен учеными в виде микроскопических каналов с фазопереходным веществом, интегрированным в бетон. Использование парафина, известного своей стабильностью и экологической безопасностью, позволило разработать материал с простым, но эффективным механизмом терморегуляции. Создание таких материалов осложняется необходимостью сохранить механическую прочность конструкции, несмотря на наличие пустот каналов внутри.
Для этого ученые экспериментировали с формами и конфигурациями встроенных сосудистых сетей. В результате серии испытаний оптимальным решением стала решетка из каналов ромбовидной формы, которая обеспечивала равномерное распределение нагрузки и при этом сохраняла способность регулировать температуру поверхности. Кроме того, в цементную смесь добавлялись мелкие заполнители, придавая структуре дополнительную прочность без ущерба для функционала сосудистой системы. Научная команда планирует дальнейшее изучение технологии, включая тестирование новых материалов с различными точками плавления и оптимизацию схем каналов для работы в разных климатических условиях. Это позволит адаптировать решение к специфическим требованиям регионов с теплым и холодным климатом, расширив сферу применения инновационной разработки.
Преимущества использования стен с встроенной vascular системой очевидны. Они способны значительно снижать расходы на отопление и кондиционирование за счет пассивного контроля температуры, что ведет к уменьшению выбросов парниковых газов и экономии ресурсов. Кроме того, такие материалы отлично впишутся в концепции устойчивого строительства и «зелёного» дизайна, поддерживая идею экологичной архитектуры и вклада в борьбу с глобальным потеплением. Уже сегодня можно представить множество перспективных применений. Кабинеты, жилые дома, офисные здания и даже производственные комплексы смогут превосходно работать с такими инновационными материалами, снижая зависимости от энергозатратных систем.
