Nový priehľadný povlak na okná znižuje teplotu a spotrebu energie

Autor:: Roman Mališka
Zverejnené:: 10. 4. 2024
Hodnotenie:
Už ste hlasovali.

S pomocou kvantovej fyziky a strojového učenia vedci vyvinuli priehľadný povlak okien, ktorý prepúšťa viditeľné svetlo, ale blokuje UV a infračervené žiarenie, ktoré vytvára teplo. Tento film nielen znižuje teplotu v miestnosti, ale aj spotrebu energie spojenú s chladením, bez ohľadu na to, kde je slnko na oblohe.

V horúcich dňoch až 87 % tepelných ziskov v našich domácnostiach pripadá na okná. UV žiarenie zo slnečného žiarenia ľahko prechádza cez sklo, vyhrieva miestnosť a zvyšuje pravdepodobnosť, že budete musieť zapnúť klimatizáciu alebo sa vzdať akéhokoľvek svetla zatiahnutím závesov alebo stiahnutím žalúzií. Vedci z Univerzity v Notre Dame však vyvinuli povlak na okná, ktorý blokuje UV a infračervené svetlo produkujúce teplo a zároveň umožňuje preniknúť viditeľnému svetlu dovnútra, čím sa znižuje izbová teplota aj spotreba energie na chladenie.

„Rovnako ako polarizované slnečné okuliare naša povrchová úprava znižuje intenzitu prichádzajúceho svetla, ale na rozdiel od slnečných okuliarov zostáva naša povrchová úprava priehľadná a účinná, aj keď ju nakloníte v rôznych uhloch,“ povedal Tengfei Luo, korešpondujúci autor štúdie.

V roku 2022 Luo a jeho kolegovia vyrobili sklenený povlak pomocou planárnych viacvrstvových (PML) fotonických štruktúr. Tieto naskladané ultratenké vrstvy majú výrazné indexy lomu, ktoré umožňujú selektívne prenášať alebo odrážať svetlo v závislosti od jeho vlnovej dĺžky. Naskladaním oxidu kremičitého, oxidu hlinitého a oxidu titaničitého na sklenenú základňu a ich pokrytím tenkou vrstvou kremíkového polyméru na odrážanie tepelného žiarenia, elektromagnetického žiarenia vyžarovaného zahrievaným povrchom vo všetkých smeroch, sa vytvoril priehľadný povlak, ktorý údajne prekonal ostatné nátery znižujúce teplo na trhu.

Výskumníci boli odhodlaní zlepšiť svoju predchádzajúcu prácu. Pretože okná sú zvyčajne inštalované vertikálne, priame slnečné svetlo, ktoré na ne dopadá počas dňa, sa mení s pohybom slnka. Existujúce nátery okien majú tendenciu byť optimalizované pre svetlo, ktoré vstupuje pod 90-stupňovým uhlom, takže ich schopnosť blokovať svetlo závisí od tohto takzvaného uhla dopadu slnečného svetla. Na poludnie, v najteplejšej časti dňa, slnečné svetlo dopadá na okno pod šikmým uhlom, čo znamená, že väčšina náterov ho blokuje menej efektívne.

Okrem riešenia tohto problému metódou pokus-omyl použili výskumníci model strojového učenia s pomocou kvantových výpočtov. Konkrétne použili aktívne učenie, podmnožinu strojového učenia, v ktorom sa algoritmus učenia môže interaktívne pýtať používateľa na označenie údajov a kvantové temperovanie, ktoré využíva kvantovú fyziku na nájdenie optimálnych, alebo takmer optimálnych, kombinácií prvkov.

Kvantovo podporovaný prístup aktívneho učenia umožnil výskumníkom optimalizovať konfiguráciu štruktúr PML a poskytol im jednoznačnú výhodu.

„Dá sa použiť na riešenie veľmi zložitých problémov s optimalizáciou a dizajnom,“ povedal Luo. „Zložitý problém optimalizácie v tejto práci môže byť ťažké vyriešiť pomocou konvenčných algoritmov.“

Pomocou komponentov, ktoré predtým používali, vedci vyrobili priehľadný povlak, ktorý selektívne prenášal a odrážal svetlo v širokom rozsahu uhlov dopadu. Potom to otestovali. Okná s povlakom a okná s normálnym sklom boli umiestnené vertikálne v identických vonkajších komorách. Vedci merali denné teploty v každej komore. Testovali aj sklo umiestnením okna vodorovne smerom k oblohe, aby napodobňovali strešné okno motorového vozidla. Potiahnuté sklo preukázalo vynikajúci výkon v porovnaní s normálnym sklom, pričom znížilo teplotu o 5,4 °C až 7,2 °C v širokom rozsahu uhlov dopadu.

Na odhadnutie úspor energie na chladenie pomocou ich fotonickej štruktúry ako okien výskumníci použili softvér EnergyPlus na simuláciu spotreby v štandardných kanceláriách v rôznych mestách. Ukázali, že všetky mestá v USA môžu ušetriť až 97,5 MJ / m2 ročne. Tieto úspory energie sa preniesli do miest po celom svete, vrátane miest v tropickom podnebí.

Výskumníci predpokladajú mnoho použití pre ich nový povlak okien, vrátane komerčných a obytných budov a automobilov. Stále však potrebujú určiť škálovateľnosť povlaku okna.

„To ešte nie je známe,“ povedal Luo. „Nemôžem povedať, či je to lacnejšie, ale keď pracujeme na škálovaní, môže to byť lacné. Povlak môže byť vyrobený pomocou procesov nanášania v priemyselnom meradle. Materiály v nátere sú veľmi bežné materiály, žiadne exotické materiály.“

Štúdia bola nedávno publikovaná v magazíne Cell Reports Physical Science.