Умные окна: зимой согреют, летом - охладят

Американским ученым удалось разработать стеклопакет, который при низких температурах не выпускает тепло из помещения, а при высоких - поглощает его. Использованное "умное" стекло содержит покрытие из вольфрама с оксидом ванадия. Не исключено, что уже в этом году научному сообществу будет представлен первый образец подобного энергоэффективного окна.

Фото: Фото: AP

В настоящий момент проблема сохранения тепла в помещении в странах с умеренным и арктическим климатом является одной из самых актуальных. Быстрое истощение природных ресурсов, которые как топливо используют тепловые станции, уже в обозримом будущем может привести к тому, что дома в городах, расположенных в регионах с суровыми зимами, будет нечем отапливать. Поэтому сейчас ученые пытаются разработать технологии, которые позволят сохранять тепло внутри помещений достаточно долгое время.

Не секрет, что основные потери домашнего тепла происходят через окна. Поэтому основное внимание исследователей направлено именно на них. Уже существует несколько вариантов оконных стеклопакетов, позволяющих значительно снизить теплопотери, однако каждый из них имеет свои недостатки. В частности, в помещениях, оборудованных такими "ноу-хау" за достаточно короткий срок становиться очень жарко (и, соответственно, душно). А это приводит как к дискомфорту жильцов, так и к развитию грибковых и бактериальных инфекций внутри помещений.

Более перспективными выглядят разработки стеклопакетов, способных самостоятельно регулировать температуру внутри помещения, "решая", сколько тепла им нужно выпускать из здания наружу в зависимости от ситуации внутри. Однако большинство из них неудобны в использовании, так как подразумевают наличие сложных электронных систем, которые необходимо особым образом настраивать. А с этим справится, как вы понимаете, далеко не каждая домохозяйка. Кроме того, эти системы контроля сами по себе потребляют очень много энергии. То есть, учитывая возможность грядущего энергетического кризиса, они - совсем не выход из ситуации.

И вот недавно ученые из США разработали принципиально новый тип окон, которые могут регулировать температуру в помещении, не пользуясь при этом никакой электроникой. Исследователь из Университета Буффало Сарбаджит Банерджи предложил покрывать стекла таких окон специальным покрытием, состоящим из вольфрама, легированного оксидом ванадия IV (V₂O₅). По его мнению, сможет регулировать количество тепла, уходящего из помещения. А также в жаркие дни не пропускать инфракрасное тепловое излучение с улицы внутрь.

Фото: AP

Напомню, что ванадий является химическим элементом побочной подгруппы пятой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 23. Сам по себе он представляет металл, входящийвсостав свинцовых руд. В природе ванадий чаще всего встречается в магматических породах (габбро и базальтах). Этот достаточно инертный в химическом плане элемент, тем не менее, может образовывать несколько соединений с кислородом (оксидов), самым интересным из которых является тот самый V₂O₅, представляющий собой порошок буровато-зеленого цвета. Данное вещество может изменять структуру своей кристаллической решетки в зависимости от температуры.

Этот процесс, который происходит с оксидом ванадия (IV), физики называют металл-изолятор фазовым переходом (ПМИ). Суть его состоит в том, что при температуре ниже 32° C он является полупроводником, который не пропускает инфракрасное излучение, однако и не поглощает его. Однако при более высоких температурах его кристаллическая решетка изменяется, оксид становиться проводником и начинает поглощать инфракрасное излучение. Поэтому при сильном нагреве стекла с подобным покрытием оно может работать как охладитель, поглощая избыточное количество тепла.

Однако согласитесь, постоянная температура в квартире в 32° C - это тоже перебор. Поэтому-то к V₂O₅ и нужно добавлять вольфрамовую подложку. Когда оксид ванадия начинает взаимодействовать с вольфрамом, точка, в которой происходит фазовый переход, снижается до 29° C. Конечно, это тоже достаточно жарко. Однако г-н Банерджи считает, что дальнейшие эксперименты с ванадиево-вольфрамовым составом смогут понизить температуру точки фазового перехода веществ, входящих в состав покрытия, до близкой к комнатной (в США таковой являются 70° по шкале Фаренгейта, что соответствует нашим 22° C).

Г-н Банерджи также установил, что аналогичные свойства демонстрируют ещё два синтетических вещества - ванадаты (соли ванадиевых кислот) меди и калия. Причем у них точка фазового перехода еще более низкая, чем у V₂O₅. Однако данные вещества получать сложнее, чем оксид ванадия, поэтому окна с покрытием из ванадатов могут обойтись в несколько раз дороже.

Правда, у данной разработки есть один серьезный недостаток. Из-за того, что оксид ванадия не бесцветен, покрытие окрашено в желто-зеленый цвет. Поэтому стекла с ним не очень-то хорошо пропускают внутрь помещения солнечный свет. Впрочем, разработчики уверены, что в ближайшем будущем им удастся изготовить и полностью прозрачный бесцветный вариант данного покрытия.

Читайте также: Батарейка из фруктов и змеемобиль

Теоретическими разработками Сарбаджита Банерджи заинтересовалась Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL) при американском Минэнерго. Не исключено, что уже в этом году научному сообществу будет представлен первый образец подобного "умного" окна. А через год стеклопакеты с данным покрытием уже появятся в широкой продаже...

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"