Как сделать окна умнее: новый материал позволяет регулировать свет и тепло с помощью электричества

Всем нам знакомо ощущение, когда солнечный свет проникает в комнату через окно и создает уютную атмосферу. Но иногда солнце может быть слишком ярким или жарким, и тогда мы закрываем окна шторами или жалюзи, чтобы защититься от излишнего света и тепла. А что, если бы мы могли регулировать пропускание света и тепла через окна с помощью электричества, не прибегая к механическим устройствам? Такие окна будущего уже не фантастика, а реальность.

Исследователи из Северо-Каролинского университета и Техасского университета в Остине продемонстрировали материал для нового поколения динамических окон, которые позволяют переключать свои режимы между тремя состояниями: прозрачными или «обычными» окнами; окнами, которые блокируют инфракрасный свет, помогая охлаждать здание; и затемненными окнами, которые контролируют яркость, сохраняя вид наружу.

Динамические окна основаны на электрохромизме — изменении прозрачности в ответ на электрический стимул. Такие окна не являются новым понятием. Но до сих пор большинство динамических окон были либо прозрачными, либо темными. «Наша работа демонстрирует, что есть больше вариантов», говит Вероника Августин, соавтор статьи об исследовании и профессор материаловедения в Северо-Каролинском университете. «В частности, мы показали, что можно пропускать свет через окна, при этом помогая охлаждать здания и делая их более энергоэффективными».

Ключом к более динамичным материалам для окон является вода. Именно она придает им необычные свойства. Исследователи обнаружили, что когда вода связана внутри кристаллической структуры оксида вольфрама — образуя гидрат оксида вольфрама — материал проявляет ранее неизвестное поведение.

Оксиды вольфрама давно используются в динамических окнах. Это потому, что оксид вольфрама обычно прозрачен. Но когда вы подаете электрический сигнал и вводите литиевые ионы и электроны в материал, он становится темным и блокирует свет. Исследователи теперь показали, что можно эффективно настраивать длины волн света, которые блокируются, когда вы вводите литиевые ионы и электроны в связанный материал, называемый гидратом оксида вольфрама.

Когда литиевые ионы и электроны вводятся в гидратный материал, он сначала переходит в фазу «блокировки тепла», пропуская видимые длины волн света, но блокируя инфракрасный свет. Если ввести больше литиевых ионов и электронов, материал затем переходит в темную фазу, блокируя как видимые, так и инфракрасные длины волн света.

«Наличие воды в кристаллической структуре делает структуру менее плотной, поэтому она более устойчива к деформации, когда литиевые ионы и электроны вводятся в материал», говит Дженелл Фортунато, первый автор статьи и постдок в Северо-Каролинском университете. «Наша гипотеза заключается в том, что поскольку гидрат оксида вольфрама может вместить больше литиевых ионов, чем обычный оксид вольфрама, прежде чем произойдет деформация, вы получаете два режима. Есть режим «охлаждения» — когда введение литиевых ионов и электронов влияет на оптические свойства, но структурное изменение еще не произошло — который поглощает инфракрасный свет».

Таким образом, окна из гидрата оксида вольфрама могут быть настроены на разные режимы в зависимости от потребностей пользователей. Например, если вы хотите охладить комнату, но не терять естественного освещения, вы можете переключить окна в режим блокировки тепла. Если же вы хотите уменьшить яркость солнца или создать уединенную обстановку, вы можете переключить окна в темный режим. А если вы хотите насладиться прозрачностью и видом на улицу, вы можете вернуть окна в нормальный режим.

Такие окна не только улучшат комфорт и эстетику проживания, но и снизят энергопотребление зданий. По данным Международного агентства по энергии (МАЭ), здания потребляют около 40% всей первичной энергии и являются одним из основных источников выбросов парниковых газов. Одним из способов сократить энергозатраты зданий является использование интеллектуальных окон, которые могут адаптироваться к изменяющимся условиям освещения и температуры.

Однако существующие интеллектуальные окна имеют свои недостатки. Например, они могут быть дорогими, сложными в установке и обслуживании, или иметь ограниченный диапазон регулировки. Поэтому разработка новых материалов для динамических окон является актуальной задачей для науки и индустрии. Исследователи утверждают, что их материал имеет ряд преимуществ перед другими. Во-первых, он дешевле и проще в производстве, так как не требует дополнительных слоев или покрытий. Во-вторых, он быстрее и эффективнее переключается между режимами, так как использует меньше электричества. В-третьих, он более долговечен и стабилен, так как не подвержен деградации от воздействия воды или кислорода.

Конечно, у материала есть и свои недостатки. Например, он не может полностью блокировать видимый свет, а только затемнять его. Кроме того, он не может регулировать другие длины волн света, такие как ультрафиолетовый или синий свет, которые также могут влиять на температуру и здоровье человека. Поэтому исследователи планируют продолжать работу над улучшением своего материала и расширением его функциональности.

В целом, новый материал для динамических окон является перспективным направлением для развития современной архитектуры и технологии. Он может помочь создать более комфортные, эстетичные и энергоэффективные здания, которые будут адаптироваться к потребностям и предпочтениям пользователей. Он также может способствовать снижению выбросов парниковых газов и борьбе с глобальным потеплением. Окна будущего уже не за горами.