5 Minuty
Przełom w pasywnym chłodzeniu
Klimatyzacja jest skuteczna, lecz bardzo energochłonna. Inżynierowie i naukowcy z zakresu materiałoznawstwa z Uniwersytetu Południowo-Wschodniego w Chinach opracowali nowatorską formułę cementu, która może znacząco ograniczyć konieczność korzystania z klimatyzacji, utrzymując powierzchnie budynków w niższych temperaturach za pomocą pasywnego chłodzenia. Opublikowany w Science Advances „superchłodny” cement łączy w sobie zdolność odbijania światła oraz emisji cieplnej, przeciwdziałając nagrzewaniu się budynków zanim promieniowanie słoneczne przekształci się w ciepło wewnętrzne.
Jak działa superchłodny cement
Tradycyjny beton i cement pochłaniają dużą część promieniowania podczerwonego, zatrzymując tę energię w postaci ciepła, co prowadzi do wzrostu temperatury wewnątrz i zwiększonego zapotrzebowania na chłodzenie. Zespół badawczy pod kierunkiem Wei She przeprojektował cement na poziomie chemicznym i mikrostrukturalnym, zmieniając te właściwości. Otrzymany materiał odbija promienie słoneczne i jednocześnie emituje energię cieplną z powrotem do atmosfery – działa więc zarówno jak lustro, jak i radiator.
Kryształy ettryngitu i inżynieria powierzchni
Najważniejszą innowacją jest warstwa powierzchniowa wzbogacona mikroskopijnymi, refleksyjnymi kryształami ettryngitu. Naukowcy rozdrobnili na drobne proszki granulki wykonane ze zwykłych minerałów, takich jak wapień i gips, zmieszali je z wodą i zalali formę silikonową z mikroskopijnymi otworami. Tak przygotowane mikro-wgłębienia umożliwiały wzrost kryształów ettryngitu, co zwiększało refleksyjność światła słonecznego oraz emisję w podczerwieni średniej długości fal – kluczowe właściwości dla wysokosprawnego chłodzenia radiacyjnego.
Testowanie i efektywność
Pole badawcze zrealizowano na dachu Uniwersytetu Purdue. W szczytowym południowym nasłonecznieniu powierzchnia cementu była o około 5,4°C chłodniejsza niż otaczające powietrze – to znaczący rezultat dla materiałów do pasywnego chłodzenia. Oprócz testów temperaturowych, materiał przeszedł próby wytrzymałości mechanicznej, środowiskowej i optycznej, potwierdzając swoja odporność w warunkach rzeczywistego użytkowania.
Bezpośredni test czasu utwardzania wykazał szybkie wiązanie superchłodnego cementu, co nie jest możliwe do oceny standardową metodą Vicata. Już po 6 minutach od nawodnienia superchłodny cement zyskał wystarczającą twardość, by wytrzymać upadek żelaznej kulki o masie 200g, pozostawiając jedynie niewielkie wgłębienie.
.avif)
Cechy produktu
- Wysoka refleksyjność promieniowania słonecznego oraz silna emisja w zakresie średniej podczerwieni, kluczowe dla chłodzenia radiacyjnego.
- Mikrostrukturalna powierzchnia z kryształami ettryngitu podnoszącymi właściwości optyczne.
- Szybkie wiązanie potwierdzone odpornością materiału już kilka minut po nawodnieniu.
- Odporność mechaniczna, środowiskowa i optyczna zapewniająca trwałość podczas użytkowania na zewnątrz.
- Wytwarzany ze źródeł mineralnych o szerokiej dostępności – kompatybilny z istniejącym przemysłem cementowym.
Porównanie z tradycyjnymi materiałami
W porównaniu ze zwykłym betonem oraz wieloma białymi powłokami refleksyjnymi, superchłodny cement oferuje zintegrowaną strategię: odbija promienie słoneczne, a jednocześnie aktywnie wypromieniowuje ciepło podczerwone. W przeciwieństwie do „chłodnych dachów” pokrywanych farbami opartymi głównie na refleksyjności, ten cement wzmacnia emisję średniofalowej podczerwieni dzięki zaprojektowanym kryształom mineralnym. Natomiast w zestawieniu z zaawansowanymi foliami polimerowymi czy drogimi powłokami chłodzącymi, superchłodny cement wykorzystuje dobrze znane surowce i procesy przemysłowe, co ułatwia jego szerokie wdrażanie i integrację z istniejącą infrastrukturą budowlaną.
Zalety i wpływ na środowisko
Poza obniżeniem temperatur powierzchni i redukcją zapotrzebowania na HVAC, zespół badawczy wykorzystał analizę cyklu życia opartą na uczeniu maszynowym, wykazując, że w wybranych scenariuszach wdrożenia technologia może zapewnić nawet ujemny bilans emisji CO2 na przestrzeni 70 lat. Efekt oszczędności energii oraz potencjalny wpływ na klimat pozycjonują superchłodny cement jako energooszczędny i niskoemisyjny materiał budowlany o dużym znaczeniu dla miejskiej infrastruktury odpornej na zmiany klimatyczne.
Zastosowania i znaczenie rynkowe
Pole zastosowań obejmuje panele dachowe, okładziny elewacyjne, parkingi oraz łagodzenie efektu miejskiej wyspy ciepła w gorącym klimacie. W miastach, gdzie budynki odpowiadają za około 40% zużycia energii i prawie 36% emisji, skalowalne chłodzenie pasywne może szybko przynieść oszczędności i poprawę komfortu cieplnego na zewnątrz. Ta technologia jest istotna dla architektów, inżynierów budownictwa, właścicieli nieruchomości i specjalistów ds. zrównoważonego rozwoju, poszukujących nowoczesnych rozwiązań efektywności energetycznej.
Wyzwania i perspektywy komercjalizacji
Chociaż rezultaty badań laboratoryjnych i próbnych na dachach są bardzo obiecujące, komercjalizacja wymaga demonstracji na większą skalę, adaptacji łańcucha dostaw, analizy kosztów i korzyści oraz potwierdzenia efektywności w różnych warunkach klimatycznych. Wdrożenie do obecnych procesów produkcji cementu i budownictwa będzie kluczowe dla tempa adaptacji rynkowej. Niemniej, badania te stanowią ważny krok w kierunku materiałów budowlanych przyjaznych klimatowi i pokazują, jak nauka o materiałach, projektowanie przemysłowe oraz uczenie maszynowe mogą wspólnie obniżać zapotrzebowanie energetyczne budynków.
Podsumowanie
Superchłodny cement – tworzony z powszechnych minerałów i mikrostrukturalnie przygotowany do odbijania światła i emisji ciepła – jest realną szansą na wdrożenie pasywnego chłodzenia, które może ograniczyć potrzebę klimatyzowania, zmniejszyć emisje CO2 i poprawić komfort w miastach. Jeśli nowa technologia zostanie szeroko wdrożona, może stać się ważnym narzędziem w budownictwie energooszczędnym i niskoemisyjnym.
Źródło: techxplore
Komentarze