Новый класс гелей, накапливающих тепло, призван сократить энергию, которую здания тратят на отопление и охлаждение. Первые испытания выглядят многообещающе, поэтому исследователи уже рассматривают следующие объекты применения: крыши, стены, окна, а также модули горячего водоснабжения и кондиционирования.
Учёные Texas A&M придали салогелю форму мармеладного мишки. Фото: Texas A&M University College of Engineering
Материалы называют салогелями (salogels) — это полимерные гели, насыщенные гидратами солей, у которых вода заключена внутри кристаллов. В недавней работе исследователи из Texas A&M University рассмотрели, как развивались такие гели и как их можно использовать в строительстве.
Как гели накапливают тепло
Принцип тот же, благодаря которому кубик льда охлаждает напиток: тая, лёд поглощает тепловую энергию, но сам не нагревается. Так же работают материалы с фазовым переходом, которые меняют состояние между твёрдым и жидким: поглощают тепло при плавлении и отдают его при застывании. К ним относятся воски вроде парафина и гидраты солей, у которых вода заключена внутри кристаллов. Исследователи отдают предпочтение солям: на единицу объёма они способны накапливать более чем вдвое больше тепла, чем парафин — воск, который давно служит эталоном для хранения тепла. Кроме того, они устойчивы к горению и могут быть сравнительно недорогими. Например, гексагидрат хлорида кальция — побочный продукт производства кальцинированной соды (карбоната натрия).
Однако есть загвоздка, из-за которой такие соли до сих пор не применялись в строительстве. При плавлении они превращаются в жидкость, вытекают, а иногда и расслаиваются. Инженеры пытались удерживать их в пористых носителях или запечатывать в капсулы, но такие решения обычно ограничивают долю соли в материале менее 70%, а инкапсуляция усложняет производство.
Салогели идут другим путём: соль удерживается на месте благодаря небольшой добавке полимера. Версии с обратимыми связями, которые могут разрушаться и восстанавливаться, сохраняют от 80 до 95% способности чистой соли накапливать тепло.
Помимо зданий, салогели рассматривают для аккумуляторов, электроники и обледеневающих поверхностей. Фото: Texas A&M University College of Engineering
«Салогели — это переход от простого хранения тепла к созданию многофункциональных материалов, объединяющих накопление и преобразование тепловой энергии, — рассказал Картик Кумар Раджагопалан (Kartik Kumar Rajagopalan) из Soft Matter Facility университета, один из авторов исследования. — Понимая, как полимеры взаимодействуют с гидратами солей на молекулярном уровне, мы можем начать проектировать материалы со свойствами, подобранными под реальные энергетические задачи».
Два способа применения в зданиях
Команда предлагает два способа использовать гели в зданиях. Пассивный: материал помещают в крышу, стены или окна, где он работает на перепадах между дневной и ночной температурой. Динамический: гель загружают в модули — например, кондиционеры или водонагреватели.
Испытания пока остаются небольшими, но результаты многообещающие. В макете дома гель на основе тригидрата ацетата натрия заполнил три трубы под полом, причём выделение тепла можно было запускать в одной, двух или всех трёх. В другом случае покрытие из салогеля на стенах напечатанного на 3D-принтере дома заметно охлаждало интерьер в фазе плавления и заметно согревало в фазе кристаллизации по сравнению с таким же домом без покрытия. В окнах гель днём плавится, становится прозрачным и охлаждает, а ночью кристаллизуется, выделяет тепло и мутнеет.
Что ещё предстоит решить
Несмотря на энтузиазм, авторы признают, что препятствий остаётся несколько. Более твёрдые гели накапливают меньше энергии, а лучше всего тепло запасают более мягкие. Кроме того, гели должны отдавать тепло по команде: некоторые соли остаются жидкими, даже когда температура падает достаточно для застывания. Полимерная сеть помогает, но как именно — пока плохо изучено. Защита от влажности, крупносерийное производство и долговечность при множестве циклов нагрева и охлаждения по-прежнему неизвестны, как и то, сколько энергии реально сэкономит настоящее здание.
На следующем этапе авторы предлагают использовать моделирование и ИИ, чтобы предсказывать, какой полимер растворяется в какой соли. Они также предлагают смеси солей с регулируемой температурой плавления, полимеры, которые сами накапливают тепло, и новые методы изготовления, такие как 3D-печать и гелевые волокна. Цель, по их словам, — получить прочный, пригодный для переработки материал, который будет годами служить внутри зданий.
Материал подготовлен по данным Texas A&M University.
