Hiszpańscy naukowcy opracowali innowacyjną nanostrukturę wykonaną z polimeru, która skutecznie odbija światło słoneczne i wypromieniowuje ciepło w kierunku kosmosu. Testy przeprowadzone na dachu budynku wykazały spadek temperatury o 12,9 st. C. Naukowcy jednak nie zamierzają spoczywać na laurach i mają ambitne plany na przyszłość.
Badacze z Instytutu Mikro- i Nanotechnologii w CSIC stworzyli materiał przeznaczony do pasywnego chłodzenia powierzchni w ciągu dnia. Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Nanophotonics. W testach terenowych zoptymalizowana próbka utrzymywała temperaturę o niemal 13 st. C niższą niż pusta próbka referencyjna użyta w pomiarach. Warto zaznaczyć, że wynik nie oznacza natychmiastowego spadku temperatury o 12,9 st. C w porównaniu do otoczenia na dachu, ale odnosi się do różnicy w odniesieniu do materiału, który stanowił próbkę porównawczą. Jest to jednak znaczący osiągnięcie, które zasługuje na uznanie.
Jak materiał oddaje ciepło w stronę… kosmosu?
Każda podgrzana powierzchnia emituje promieniowanie cieplne, co stanowi problem dla mieszkańców bloków, którzy nie mają klimatyzacji. Budynki pochłaniają światło (nawet jasne kolory nie odbijają go w pełni), nagrzewają się i emitują je zarówno na zewnątrz, jak i do wewnątrz. W zakresie długości fal od 8 do 13 mikrometrów znajduje się tzw. okno atmosferyczne, przez które podczerwień może stosunkowo swobodnie wydostać się w przestrzeń kosmiczną. Pasywne chłodzenie radiacyjne wykorzystuje właśnie ten mechanizm do „oddania” ciepła. Aby działało ono także w ciągu dnia, powierzchnia musi skutecznie emitować podczerwień i odbijać większość promieniowania słonecznego. W przeciwnym razie, energia pochłonięta z naszej centralnej gwiazdy szybko zniwelowałaby efekty chłodzenia.
Zespół badawczy zastosował polifluorek winylidenu (PVDF), który dobrze emituje podczerwień, jest hydrofobowy i odporny na promieniowanie ultrafioletowe. Kluczem do sukcesu była jednak forma tego materiału. Naukowcy umieścili polimer w nanoporowatych matrycach z anodowanego tlenku aluminium, nadając mu trójwymiarową strukturę. Zastosowanie nanoskali wpływa na sposób, w jaki powierzchnia odbija światło i emituje ciepło. Połączenie odpowiedniego materiału z tak przemyślaną architekturą pozwoliło poprawić obie te kwestie jednocześnie.
82,4 proc. odbitego światła i 182,3 watów na metr kwadratowy w wydajności chłodzenia
Najlepsze wyniki uzyskano dzięki samonośnej nanostrukturze PVDF, poddanej ultraszybkiemu chłodzeniu w trakcie produkcji. Odbijała ona średnio 82,4 proc. promieniowania słonecznego w zakresie od 0,32 do 2,5 mikrometra. W oknie atmosferycznym od 8 do 13 mikrometrów jej emisyjność wyniosła niesamowite 96,7 proc., co oznacza, że materiał niezwykle skutecznie oddawał energię cieplną w zakresie, który daje nam największe nadzieje. Autorzy obliczyli teoretyczną gęstość mocy chłodniczej na poziomie 182,3 W/m² przy nasłonecznieniu wynoszącym 1000 W/m². To naprawdę imponujące osiągnięcie.
Próbę terenową przeprowadzono latem 2025 roku na dachu ośrodka w Tres Cantos pod Madrytem. W warunkach maksymalnego nasłonecznienia wynoszącego 962 W/m² materiał wykazał różnicę 12,9 st. C względem pustego układu pomiarowego. Chłodzony wariant osiągnął temperaturę 11,1 st. C, podczas gdy wersja stygnąca uzyskała 7,2 st. C, co potwierdziło wpływ procesu produkcyjnego na właściwości optyczne. Obróbka promieniowaniem ultrafioletowym wybieliła powierzchnię i zwiększyła jej zdolność odbijania światła. Najlepsze wyniki odnotowano w gorących, suchych i słonecznych warunkach, które sprzyjają ucieczce podczerwieni przez atmosferę.
Prototyp z dużym potencjałem, ale nie zastąpi klimatyzacji
Materiał ten ma potencjał, aby zrewolucjonizować zastosowania na dachach i elewacjach budynków, obudowach sprzętów elektronicznych, pojazdach oraz wielu innych zastosowaniach. PVDF dobrze znosi warunki atmosferyczne, a jego hydrofobowość minimalizuje osadzanie się wody i zanieczyszczeń, które mogą uszkadzać elewacje (zapewne znacie to z własnych domów, gdzie na jasnych powierzchniach pojawiają się nieestetyczne zacieki). Autorzy podkreślają także, że materiał ten jest stosunkowo tani i kompatybilny z istniejącymi procesami przemysłowymi, choć tę tezę należałoby jeszcze potwierdzić w kontekście masowej produkcji. Porowate matryce w nanoskali i pomysłowe metody produkcji stworzyły rozwiązanie, które może wspierać utrzymanie komfortowej temperatury w budynkach. Mimo że trudno wyobrazić sobie, aby ten materiał zastąpił wysoko efektywną, ale energochłonną klimatyzację, należy mieć nadzieję, że jego zastosowanie pozwoli na znaczące zredukowanie konieczności korzystania z chłodzenia.
Czytaj również: Klimatyzacja w domu. Sprawdź, jak skutecznie pokonać upały!
Chłodzenie odpowiada za około 10 proc. światowego zużycia energii elektrycznej, według Międzynarodowej Agencji Energetycznej. Powłoki radiacyjne mogą znacznie zmniejszyć ilość ciepła, które musi usunąć energożerny system. Teraz czas na kolejne testy, które potwierdzą długoterminową trwałość, zastosowanie na dużą skalę oraz przyniosą pomiary zużycia energii w rzeczywistych warunkach. Zespół zaprezentował już efektywny mechanizm oraz obiecujące wyniki testów terenowych, ale nie jest to jeszcze gotowe rozwiązanie na rosnące zapotrzebowanie na chłodzenie.