Учитывая нынешнюю гонку за энергосбережением, использование пассивного метода охлаждения, не требующего затрат электроэнергии и встроенного прямо в здание, позволило бы сэкономить немалые денежные средства даже в холодных районах США. В настоящее время исследователи из Университета Мэриленда и Университета Колорадо используют природные нанотехнологии для решения проблемы по поиску пассивного, эффективного и устойчивого способа отведения тепла в сооружениях.
Древесина является ключом к решению этой проблемы. Она уже используется в качестве строительного материала и является возобновляемым и устойчивым ресурсом. Используя крошечные структуры, найденные в древесине – целлюлозные нановолокна и естественные камеры, которые изменяются в размерах внутри живого дерева, чтобы пропускать воду и питательные вещества – этот материал получает оптические свойства, которые излучают тепло. Результаты этого исследования были опубликованы 9 мая в журнале Science.
«Эта работа значительно расширила возможности использования древесины в качестве высокоэффективных энергоэффективных систем и позволила найти устойчивый путь для борьбы с энергетическим кризисом», – сообщил профессор Северо-Восточного университета лесного хозяйства Цзянь Ли, член Китайской инженерной академии, который не связан с исследованием.
В Университете Мэриленда Лянбин Ху, а также соавторы работы Тян Ли, Шуаймин Хе и другие специалисты из кафедры материаловедения, работают с древесиной уже много лет. Команда Ху изобрела ряд новых древесных нанотехнологий, в том числе прозрачную древесину, недорогие деревянные батареи, сверхпрочную древесину, супер теплоизоляционную древесину и водоочиститель на основе древесины.
«Это еще одно важное достижение в области древесных нанотехнологий, которого достигла группа Ху в Университете Мэриленда: древесное охлаждение, изготовленное исключительно из дерева, то есть ваш дом сможет охладить по-настоящему “зеленый” строительный материал», –отметил доктор Ху.
Команда в Боулдере, возглавляемая профессором Сяобо Инь и включающая в себя со-ведущего автора исследования Яо Чжая из факультета машиностроения и материаловедения Университета Колорадо, работала над материалами для радиационного охлаждения, в том числе тонких пленок и красок.
«В случае со строительством этот уникальный конструкционный материал охлаждается без использования электричества или воды», – ответил доктор Чжай.
Удалив лигнин – часть древесины, которая делает ее коричневой и прочной – исследователи UMD создали очень бледную древесину из целлюлозных нановолокон. Затем они сжали дерево, чтобы восстановить его прочность. Чтобы сделать его водоотталкивающим, они добавили супергидрофобное соединение. В результате они получили ярко-белый строительный материал, который можно использовать для создания крыш, способных отводить тепло изнутри здания.
Они протестировали охлаждающую древесину на ферме в Аризоне, где большую часть времени погода остается теплой и солнечной без сильных ветров. Во время испытания они обнаружили, что их материал в среднем оказывался на 5-6 градусов холоднее окружающего воздуха, причем даже в самую жаркую часть дня. К тому же он оставался в среднем на 12 градусов холоднее, чем натуральное дерево, которое сильнее нагревалось при солнечном свете.
«Обработанная древесина использует холодное окружение в качестве теплоотвода и выделяет в него тепловую энергию через окно прозрачности атмосферы. Это устойчивый материал для борьбы с глобальным потеплением», – заявил доктор Ли.
Механическая прочность этой древесины выше, чем у стали, что делает ее отличным выбором для строительства зданий. Она в десять раз прочнее натурального дерева и превосходит по прочности сталь. Плюс, она более устойчива к сколам и царапинам, а также может выдержать больший вес (испытание на сжатие), чем обычное дерево.
Чтобы узнать, какое количество энергии экономит древесина, они подсчитали, сколько тепла используется обычными жилыми домами в городах по всей территории США во всех климатических зонах. В жарких городах, таких как Феникс и Гонолулу, местные жители могли бы сэкономить немало энергии, особенно если в старых зданиях сайдинг и крыши заменить на охлаждающую древесину. Здания в США, которые были построены после 2004 года или сейчас, сэкономили бы в среднем 20 процентов на охлаждении.
«Профессор Ху и его коллеги показали нам еще одно эффективное использование древесины, которая не только имеет высокую прочность, но и полезна в качестве активного компонента для управления затратами электроэнергии. Забавно осознавать, что тот же материал, который выделяет тепло при сгорании, можно использовать для охлаждения», – отметил Орландо Рохас, профессор кафедры биопродуктов и биосистем в университете Аалто, Финляндия.