На иллюстрации: Узор из краски с CaCO3-наполнителем на фоне обычной краски в оптическом и инфракрасном диапазонах. Li et al. / Cell Reports Physical Science. Ученые разработали экспериментальную белую краску, содержащую множество микроскопических частицы карбоната кальция. В ходе данных исследований было установлено, что данное покрытие способно отражать приблизительно 95,5% солнечного излучения. В дневное время поверхность, покрытая данной краской, становится на 1,7 градуса Цельсия холоднее окружающего воздуха, а ночью — до 10 градусов. Авторы исследования полагают, что при подтверждении долговечности и устойчивости материала к различным погодным условиям, данная краска может быть использована для пассивного охлаждения зданий и наружных электрических систем. Результаты исследования опубликованы в журнале Cell Reports Physical Science. Белый цвет предметов обусловлен их способностью равномерно и практически без потерь отражать солнечное излучение всех длин волн видимого спектра.
Результаты испытаний краски с CaCO3-наполнителем. Сверху — график зависимости температуры окружающей среды и образца от времени (на фоне показан уровень солнечной интенсивности). Снизу — сравнение с краской массового производства в видимом и инфракрасном диапазоне. Li et al. / Cell Reports Physical Science
Такое свойство белого цвета делает его полезным для систем пассивного охлаждения: чтобы сократить энергопотребление кондиционеров, поверхности зданий окрашивают в светлые тона — в результате часть энергии света отражается в виде теплового излучения, и нагрев ослабевает.
Кроме того, кондиционеры просто отводят тепло из здания и, таким образом, повышают температуру окружающей среды, в то время как тепловое излучение ведет себя иначе. Длина волны тепловых фотонов, несущих основную часть всей испускаемой энергии, лежит вблизи определенного значения, которое задается температурой излучающего тела. Для типичных температур в условиях Земли это значение длины волны, как правило, лежит в инфракрасной области и попадает в окно прозрачности атмосферы (8–13 мкм) — диапазон длин волн, в котором фотоны распространяются в атмосфере практически без поглощения, а значит почти не нагревают воздух вокруг излучающего тела.
Ученые из Китая и США под руководством Сюлинь Жуань (Xiulin Ruan) из Университета Пёрдью изготовили и протестировали белую акриловую краску, 60 процентов объема которой было заполнено частицами карбоната кальция (CaCO3) со средней длиной около 1,7 микрометра и средним диаметром примерно 0,5 микрометра. При этом разброс размеров частиц составил около 20 процентов — согласно предсказаниям симуляций, такая неоднородность вещества позволяет эффективно рассеивать излучение различных длин волн солнечного спектра и за счет этого повышать долю отраженной энергии.
Чтобы изучить свойства вещества, авторы изготовили высушенный слой краски сантиметровой площади и толщиной около 0,4 миллиметра и поместили его в теплоизолирующую оболочку с прозрачным покрытием. Готовый образец исследователи расположили на открытом пространстве и на протяжении двух дней одновременно измеряли интенсивность падающего на тело излучения пиранометром, а также температуру образца и окружающей среды при помощи термопар.
Даже при максимальном достигнутом уровне интенсивности освещения (около 963 ватт на квадратный метр) поверхность краски была холоднее окружающей среды примерно на 1,7 градуса Цельсия, а в ночное время этот показатель достигал отметки в 10 градусов Цельсия. При этом образец отражал примерно 95,5 процента падающей на него солнечной энергии — это не рекордный показатель, однако существенно превосходит типичные значения для белых красок массового производства (80–90 процентов).
Авторы подчеркивают, что несмотря на простоту изготовления и эффективные оптические свойства, перед практическим внедрением краски необходимо дальнейшее исследование ее свойств. На результаты измерений могут критически повлиять погодные условия, а с точки зрения применения материала важна его долговечность — и то, и другое еще предстоит проверить.
Ранее мы рассказывали о том, как британская компания разработала краску для волос, способную менять цвет в зависимости от температуры, и о том, как американский химик изобрел стеклянную краску для металлических поверхностей, которая предохраняет их от перегрева и коррозии.
Краска, охлаждающая дома летом и согревающая зимой
Американские ученые изобрели инновационную краску. По расчетам, она поможет экономить на счетах и снизить выбросы парниковых газов.
На отопление и охлаждение помещений приходится примерно 13% мирового энергопотребления и около 11% выбросов парниковых газов. Исследование Стэнфордского университета (США), опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показало, что в экспериментах с искусственно охлажденной средой новая краска приблизительно на 36% снизила расход энергии на обогрев. В теплых условиях потребление энергии на охлаждение упало почти на 21%.
Смоделировав типичный многоквартирный дом в разных климатических зонах США, специалисты выяснили, что покрытие новой краской наружных стен и крыши позволит снизить общий расход энергии на отопление, вентиляцию и кондиционирование в течение года на 7,4%.
Применяемые сегодня краски с низким коэффициентом излучения (то есть снижающие энергопотери домов) обычно серебристо-серого или стального оттенка. Но такие цвета подходят не всем потребителям, что ограничивает их использование на практике.
У изобретенной в Стэнфорде краски два слоя, которые наносятся отдельно: нижний, отражающий инфракрасное излучение за счет содержания алюминиевого порошка, и верхний, пропускающий ИК-лучи ультратонкий слой с неорганическими наночастицами разных цветов.
Инфракрасная часть солнечного излучения поглощается поверхностями и обеспечивает почти 50% естественного нагрева Земли. Для защиты дома от жары новая краска наносится на наружные стены и крышу. Большая часть ИК-излучения, пройдя через верхний, цветной слой краски, отразится от нижнего и не будет поглощена материалами строения. Для сохранения тепла в доме покрытие используется уже на внутренних стенах. Нижний слой краски, опять же, отразит невидимые глазу инфракрасные волны, которые передают тепло в пространстве.
Исследователи протестировали новую краску восьми цветов: белого, синего, красного, желтого, зеленого, оранжевого, фиолетового и темно-серого. По сравнению с традиционными красками таких же оттенков все они в 10 раз лучше отражали ИК-лучи.
Стэнфордская разработка пригодится не только для покраски зданий. Например, если нанести ее на грузовики и вагоны-рефрижераторы, это позволит сократить затраты на охлаждение при перевозке, а значит, и стоимость транспортировки.
Вдобавок новая краска отличается практичностью. Оба ее слоя имеют водоотталкивающие свойства, что повышает ее устойчивость во влажной среде. По словам исследователей, окрашенные поверхности можно легко очистить влажной тканью или мыть водой. Тесты показали, что эстетические и эксплуатационные качества краски не ухудшились после недельного воздействия высоких и низких температур (плюс 80 и минус 196 градусов Цельсия), а также после пребывания в среде с низкой и высокой кислотностью.
Ученые продолжают дорабатывать краску, совершенствуя состав. Так, планируется более экологичный вариант на водной основе вместо органических растворителей, которые применяют сейчас. Поскольку цвет внешнего слоя может быть самым разным, он подойдет широким кругам потребителей.
Отечественные исследования
Химики Томского государственного университета создали керамическое покрытие, которое делает объект невидимым в ИК-спектре. Кроме того, оно помогает охладить его и защитить от электромагнитного воздействия.
Как уточняют в пресс-службе вуза, в мире уже существуют такие покрытия, но в основном они представляют собой полимеры, то есть недолговечные пленки, не стойкие к низким и высоким температурам и которые со временем могут отслаиваться. Преимущество томской разработки в том, что ученые ТГУ используют собственную технологию плазменного нанесения, которая буквально делает из поверхности и покрытия одно целое.
За счет подачи тока на объект, находящийся в растворе оксида, температура на поверхности возрастает за очень короткое время, жидкость становится газом — и давление резко поднимается. На поверхности металлического образца происходят электродные реакции. Оба процесса приводят к образованию низкотемпературной плазмы — ионы металла и оксидов «отрываются», а поверхность становится с покрытием одним целым.
Технология нанесения, разработанная химиками ТГУ, позволяет обрабатывать поверхности большой площади и детали сложной формы. Ее применяли для более 40 различных производств покрытий, в том числе на ОАО «ИСС» им. М.Ф. Решетнева, «ТОМЗЭЛ», предприятиях текстильной промышленности и других.
В пресс-службе уточняют, что эффект защиты от электромагнитного воздействия достигается тем, что покрытие подавляет ИК-спектр и создает своего рода панцирь, защищающий электронику. Если техника работает в среде, где на нее потенциально может влиять излучение, достаточно поместить оборудование в «коробку» с таким нанесением— и оно будет работать без помех
Покрытие также можно использовать для охлаждения антенн и другой электроники в космосе, в отсутствии воздуха и конвекции. При попадании на такое покрытие электромагнитной волны она преобразуется в ток, энергия электромагнитной волны поглощается и переходит в тепло.
Образцы покрытий прошли лабораторные тесты. Поисковые исследования подтверждают, что покрытие перспективное. Следующий этап — поиск заказчика, переход к испытаниям в реальных условиях и запуск производства. Отметим, что у исследователей есть опыт запуска производства, выпускающего покрытия объемом до 20 000 квадратных метров в год. При аналогичном запросе от заказчика производство может быть запущено очень быстро, отмечают химики ТГУ.
Источники: https://nplus1.ru/, https://naked-science.ru/, https://obzor.city/
