Nature: защитить города от опасной жары помогут новые технологии

Прошлый год был самым жарким за всю историю наблюдений. Нынешний обещает быть еще более экстремальным. Июнь стал 13-м месяцем подряд с рекордными температурами по всему миру. А четыре последовательных дня в июле оказались самыми жаркими за всю историю наблюдений на всей планете. Поэтому ученые усердно работают над разработкой инновационных способов охлаждения городов и сокращения потребления электроэнергии в теплеющем мире. Достижения варьируются от высокоэффективных кондиционеров до специальных материалов, поверхность которых холоднее, чем окружающая среда, рассказывает Nature.

Исследование охлаждения

В большинстве кондиционеров и холодильников жидкость сжимается для передачи тепла из помещения или прибора наружу. Но этот процесс выделяет парниковые газы и поглощает энергию. Согласно данным Международного энергетического агентства (МЭА), в глобальном масштабе кондиционеры и электрические вентиляторы потребляют около 20% электроэнергии, используемой в зданиях. И агентство прогнозирует, что к 2050 г. объем энергии, необходимой для кондиционирования воздуха по всему миру, увеличится в три раза. Как писали «Ведомости. Устойчивое развитие», в докладе ООН, представленном в конце 2023 г. на переговорах по климату COP28 в Дубае (ОАЭ), говорится, что к 2050 г. потребление электроэнергии для охлаждения может удвоиться.

Многие исследователи работают над сокращением количества энергии, потребляемой кондиционерами. Одно из потенциальных решений появилось в прошлом году, когда группа ученых разработала технологию, которая может заставить приборы работать эффективнее и без использования жидких хладагентов. Исследователь из Люксембургского института науки и технологий в Бельво (Люксембург) Эммануэль Дефей и его коллеги создали устройство, работающее на основе электрокалорического охлаждения. В этом процессе электрическое поле применяется для изменения положения атомов в изолирующей керамике. Поскольку поле ограничивает движения атомов, их вибрации усиливаются и преобразуются в тепло, повышая температуру материала. Жидкость уносит это тепло наружу, и атомы в керамике могут двигаться более свободно. Это приводит к уменьшению их вибраций и падению температуры керамики, что можно использовать для охлаждения. Устройство было разработано в сотрудничестве с японской производственной компанией Murata в Нагаокакио, которая уже производит подобные виды керамики для мобильных телефонов, компьютеров и другого оборудования. Это поможет сделать технологию масштабируемой, считает Дефей.

Материалы, меняющие правила игры

Существуют материалы, способные понижать температуру ниже температуры окружающей среды без использования энергии. Они отражают большую часть падающего на них солнечного излучения и излучают большую часть своего теплового излучения. Это делает их холоднее, чем окружающая их температура.

«Эти материалы потенциально могут изменить правила игры, – прокомментировал Дэвид Сейлор, директор Школы географических наук и городского планирования в Университете штата Аризона в Темпе (США). – Они не только могут помочь охладить здание, снижая потребность в кондиционировании воздуха, но и охлаждать наружный воздух».

Первый сверххолодный материал был разработан в 2014 г., когда Аасват Раман, ученый-материаловед, который сейчас работает в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (США), проводил исследования в Стэнфордском университете. Установленное на крыше оборудование, состоящее из семи чередующихся слоев диоксида кремния и диоксида гафния, оставалось на 5 градусов по Цельсию холоднее температуры окружающего воздуха. С тех пор в лаборатории были созданы суперхолодные материалы в виде пластика, металлов, красок и даже дерева.

Многие пассивные охлаждающие стратегии основаны на полимерах, которые не разлагаются и могут быть неперерабатываемыми. Однако в июле 2024 г. исследователи из Сычуаньского университета в Чэнду (Китай) сообщили, что им удалось создать суперхолодный аэрогель на основе желатина и ДНК спермы лосося. При размещении снаружи он охлаждал поверхности до температуры на 16 градусов ниже температуры окружающего воздуха.

Прохладные поверхности

В своих исследованиях Раман перешел от сверххолодных материалов к категории так называемых холодных материалов, которые обычно проектируются так, чтобы отражать большую часть падающего на них солнечного излучения, но не обязательно предназначены для испускания большей части своего теплового излучения. Ученый работал над созданием материалов для вертикальных поверхностей, таких как фасады зданий.

В июне 2024 г. исследователи сообщили о технологии, которая использует специальный материал для охлаждения или нагрева стен в зависимости от сезона. Покрытие избирательно теряет тепло в сторону неба и получает гораздо меньше тепла от земли летом, чем традиционные строительные материалы. А зимой оно теряет меньше тепла в землю, чем обычная стена. Команда обнаружила, что этим свойством обладают многие недорогие материалы. Например, полипропиленовые пакеты, используемые для упаковки чипсов. Это открытие может стать благом для мест, где нет кондиционеров, считает Раман.

Другие ученые также работают над этой проблемой. В отчете ученого-материаловеда из Колумбийского университета в Нью-Йорке (США) Юань Яна описывается исследование, в котором суперхолодная краска наносилась на гофрированную стену – но только на те стороны волнообразного рисунка, которые обращены к небу. Затем команда нанесла металл с низким поглощением тепла на сторону, обращенную к земле, гарантируя, что эта сторона не будет поглощать избыточное тепло. Температура поверхности стены оставалась на 2–3 градуса ниже температуры окружающего воздуха.

Умные чернила

Инженер из Мельбурнского университета (Австралия) Мохаммад Таха и его команда используют другой подход к охлаждению домов и зданий. В начале 2023 г. команда описала «чернила с изменением фазы», ​​состоящие из взвешенных наночастиц, которые меняют фазу в зависимости от температуры, переходя от сверхпроводника при низких температурах к металлу при более высоких температурах. Этот трюк позволяет материалу оставаться холодным или теплым в зависимости от внешней температуры. Когда материал нагревается и становится металлом, он принимает линейную структуру, которая может отражать дополнительное тепло. Когда он остывает и становится сверхпроводником, материал принимает изолирующую зигзагообразную структуру, которая пропускает тепло.

В будущем Таха надеется использовать эти чернила в качестве покрытия для окон. «Если вы посмотрите на самое слабое звено в здании с точки зрения потери тепла, то это окна, – пояснил ученый. – Здание, полностью сделанное из стекла, может на самом деле ощущаться как теплица в жаркий день».