"Умные окна" помогут экономить электроэнергию

Японским ученым удалось создать "умное окно" нового поколения. Физик Накано Масаки нашел решение для такой сложной проблемы, как потеря тепла через оконные стекла. Отметим, что источником подобных теплопотерь является инфракрасное излучение. Ученый же изобрел специальную пленку, которая сможет весьма успешно регулировать теплообмен внутри помещения.

Фото:

Многочисленные исследования показали, что главный источником энергопотерь любого дома с современными окнами является инфракрасное излучение, которое улетучивается из помещений через стекла. Конечно же, эту утечку можно перекрыть, поставив, например, ставни, однако вот беда — при нагреве обычного стекла теплоизолирующие свойства падают. Таким образом, если с помощью тех же ставень удастся на первом этапе блокировать теплопотери, то это все равно не поможет — повышение температуры внутри дома нагреет стекло, и оно станет более проницаемым для ИК-излучения. Одним словом, получается замкнутый круг.

Но есть ли выход из этой ситуации? На самом деле он есть — достаточно всего лишь покрыть стекло пленкой из прозрачного материала, который мог бы становиться теплоизолятором как раз при повышении температуры. И во время поиска кандидатов на роль такого "теплоохранника" разработчики так называемых "умных окон", стекла которых могут по желанию владельцев пропускать или не пропускать инфракрасное излучения и тем самым регулировать теплообмен внутри помещения, уже давно обратили внимание на такое вещество, как диоксид ванадия (VO₂). Этот замечательный оксид, являющийся в нормальном состоянии диэлектриком (а при низких температурах — вообще изолятором) может при повышении температуры переходить в состояние проводника.

При этом также происходит изменение его теплоизолирующих свойств — выступая в роли электропроводника, VO₂ не пропускает инфракрасное излучение и тем самым способствует сохранению тепла внутри здания. Эксперименты показали, что уже при 68 °С это в норме прозрачное вещество становится непрозрачным в ИК-диапазоне — однако что важно для нас, оно продолжает пропускать лучи света видимого спектра. Причем происходит этот фазовый переход достаточно быстро, всего за 100 фс! Оба этих превращения происходят в силу резкого изменения структуры кристаллов диоксида ванадия.

Все это, конечно же, замечательно, но есть одна проблема — затраты на нагрев стекла, покрытого пленкой из диоксида ванадия до 68 °С и его последующее охлаждение настолько велики, что выгода от теплоизолирующих свойств VO₂ становится достаточно сомнительной. Но если еще какой-нибудь способ заставить это вещество быстро перейти из состояния диэлектрика в проводящую фазу? Физик Накано Масаки из института физико-химических исследований RIKEN (Япония) уверен, что есть — для того, чтобы диоксид ванадия стал проявлять теплоизолирующие свойства, достаточно просто приложить к нему электрическое поле!

Для того чтобы проверить свою гипотезу, г-н Накано и его коллеги создали разновидность полевого транзистора (так называют полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия "перпендикулярного" его движению электрического поля, создаваемого напряжением на затворе), в котором напряжение затвора контролирует приводимость канала из диоксида ванадия, что находится между истоком и стоком устройства. В этом опытном двухслойном устройстве вывод затвора находится не сверху канала из диоксида ванадия, а прямо перед ним — такое расположение не дает этим частям транзистора блокировать свет, проходящий через термохромный материал.

Принцип работы подобного устройства достаточно прост, поскольку все его части покрыты ионной жидкостью, содержащей положительные и отрицательные молекулы, и когда к этой субстанции прикладывают напряжение, то положительно заряженные молекулы накапливаются в нанометровом слое поверх оксида ванадия, создавая сравнительно сильное локальное электрическое поле. Ну, а оно уже запускает тот самый процесс перехода диоксида из диэлектрического в металлическое состояние — причем сразу во всем 50-нанометровом слое. После чего оксид ванадия, как было сказано выше, и перестает пропускать инфракрасное излучение.

Однако все это теория, а каковы практические результаты экспериментов с данным устройством? Опыты показали, что при изменении напряжения с одного до трех вольт проводимость и светопропускающие параметры пленки из диоксида ванадия изменяются так же, как если бы материал нагревался с 30 до 77 °C. Энергопотери при этом весьма ничтожны, поэтому можно сделать вывод, что такой вариант "умного стекла" потребляет весьма мало энергии для собственных нужд. Ну, а выгода от экономии тепла в помещении посредством избирательного пропускания инфракрасного излучения становится весьма существенной. "Мы думаем, что это устройство весьма пригодится будущему обществу низкого энергопотребления", — комментирует свое открытие ведущий автор работы Накано Масаки.

По словам ученого, хотя подобное покрытие для "умных стекол" в первую очередь будет применяться для наших с вами жилищ, оно также может найти применение в автомобильной и аэрокосмической индустрии, которые также давно уже ведут борьбу с теплопотерями. По мнению многих экспертов, способность перекрыть основной канал утечек тепла из салона позволит серьезно снизить как энергетические расход на климат-контроль, так и общие требования к мощности климатической установки, что в свою очередь ведет к экономии топлива. При таком подходе к делу рентабельность электромобилей или гибридных может сильно возрасти — ведь сэкономленная электроэнергия позволит водителям этих средств куда реже заряжать аккумуляторы…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"