Учёные создали цементную плитку по принципу кожи слона которая охлаждает здания на 20 градусов без электричества

Учёные из Пенсильванского университета разработали цементную плитку, способную охлаждать поверхности зданий без электричества. В основе технологии лежит принцип, подсмотренный у кожи африканских слонов, которая покрыта сетью трещин, способных удерживать воду и помогать животным охлаждаться.

Разработанный материал собирает дождевую воду или влагу из тумана в специально сформированной системе трещин, а затем постепенно отдаёт её через испарение. В процессе испарения тепло отводится от поверхности здания, что позволяет снижать её температуру без электричества, хладагентов и движущихся механизмов.

Исследованием руководили архитектор Дорит Авив и специалист по материалам Шу Ян. Плитка изготавливается из обычного портландцемента с добавлением диатомита — пористого материала, образованного из окаменевших остатков водорослей.

Оба компонента широко доступны и относительно недороги, а сам материал можно производить с использованием технологий, применяемых в строительной промышленности.

Обычно трещины в цементе считаются дефектом, который снижает прочность материала и ухудшает его внешний вид. Однако исследователи решили превратить этот недостаток в функциональное преимущество.

При контролируемой сушке разработанный материал формирует предсказуемую сетку трещин. В отличие от случайных разрушений, возникающих в обычном цементе, эти трещины образуют заранее заданную структуру, которая помогает удерживать и перемещать воду по поверхности.

Ключевую роль играет диатомит. Его поры микро- и нанометрового размера способны поглощать воду менее чем за 50 миллисекунд — быстрее, чем капля успевает скатиться с поверхности или отскочить от неё.

Система трещин затем работает как капиллярная сеть. Она распределяет воду по поверхности плитки и удерживает её для постепенного испарения даже в том случае, если материал установлен под наклоном или на вертикальной стене.

«Мы поняли, что хранение воды и перемещение воды на самом деле являются двумя разными задачами», — рассказал постдокторант лаборатории Шу Яна, проводивший эксперименты. По словам исследователей, программируемая сеть трещин позволяет одновременно решать обе проблемы.

Чтобы проверить эффективность материала, учёные подвергали плитку инфракрасному нагреву и периодически увлажняли её, имитируя жаркий солнечный день с периодическими дождями или поливом.

Под плиткой, созданной по принципу кожи слона, температура поверхности стабилизировалась на уровне 32 градусов Цельсия. Для сравнения, температура обычной коммерческой штукатурки с трещинами достигала 42 градусов, а неповреждённая штукатурка нагревалась до 52 градусов Цельсия.

Таким образом, разница с обычной непотрескавшейся поверхностью достигала 20 градусов Цельсия. По словам исследователей, пассивный биомиметический фасад может снижать температуру поверхности на 10–20 градусов по сравнению с традиционной штукатуркой.

Материал охлаждает поверхность по тому же принципу, по которому испарение пота помогает охлаждать человеческое тело. Вода постепенно испаряется, забирая тепло с поверхности, но для этого не требуется электричество, хладагенты или механические компоненты.

Потребность в подобных технологиях связана с огромным энергопотреблением зданий. В США здания потребляют около 40 процентов всей первичной энергии страны, причём почти половина этого объёма приходится на отопление, охлаждение и вентиляцию.

Обычные системы кондиционирования решают проблему повышения температуры внутри помещений, но одновременно могут усиливать нагрев окружающей среды. Они выбрасывают отработанное тепло наружу, что особенно заметно в плотной городской застройке и способствует формированию эффекта городского острова тепла.

Пассивный фасад с испарительным охлаждением не добавляет дополнительное тепло в окружающую среду. Он лишь замедляет нагрев здания, а затем возвращает влагу в атмосферу.

Используемые материалы — портландцемент и диатомит — относятся к распространённым строительным компонентам. Поэтому после масштабирования технологии стоимость и доступность сырья, вероятно, не станут главным препятствием для её применения.

Пока разработка находится на стадии доказательства концепции и была испытана только в лабораторных условиях на небольших образцах. Следующим этапом должны стать испытания полноразмерных фасадов зданий в реальных погодных условиях, после чего можно будет оценивать перспективы коммерческого использования технологии.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.