Koniec únikom tepla: Inovatívna náhrada skla izoluje okná lepšie ako steny

KĽÚČOVÉ ZISTENIA:

• Znižuje energetické straty budov o 50 %.

• Materiál obsahuje viac ako 90 % vzduchu.

• Životnosť izolácie presahuje 20 rokov.

Okná sú odjakživa Achillovou pätou energetickej efektivity budov. Hoci zaberajú len približne 8 % vonkajšieho plášťa priemernej budovy, sú zodpovedné až za takmer polovicu všetkých tepelných strát a ziskov. V zime cez ne uniká drahocenné teplo a v lete cez ne preniká nežiaduce slnečné žiarenie, čo zvyšuje náklady na klimatizáciu.

Vedci z University of Colorado Boulder však prichádzajú s revolučným riešením, ktoré by mohlo tento problém definitívne vyriešiť. Vyvinuli nový materiál s názvom MOCHI (Mesoporous Optically Clear Heat Insulator), ktorý dokáže izolovať okná rovnako efektívne ako hrubá stena, pričom zostáva takmer dokonale priehľadný.

Zdroj foto: Glenn Asakawa/CU Boulder

Tento materiál predstavuje svätý grál v stavebníctve – izoláciu, ktorú nie je vidieť. Jeho aplikácia by mohla zmeniť spôsob, akým navrhujeme presklené fasády a okná v domácnostiach. MOCHI je v podstate high-tech verzia aerogélu, známeho ako "zmrazený dym", ktorý sa používa napríklad v roveroch NASA na Marse.

Klasické aerogély sú síce vynikajúce izolanty, ale majú jednu zásadnú nevýhodu – sú mliečne zakalené a rozptyľujú svetlo. Táto vlastnosť ich robí nepoužiteľnými pre bežné okná, kde je kľúčová čírosť a neskreslený výhľad.

Tím pod vedením profesora Ivana Smalyukha však dokázal tento problém obísť vytvorením štruktúry s presne definovanými mikroskopickými pórmi. Tieto póry sú menšie ako vlnová dĺžka viditeľného svetla, vďaka čomu materiálom prechádza svetlo bez akéhokoľvek rozptylu alebo skreslenia.

Výsledkom je materiál, ktorý vyzerá ako sklo, ale správa sa ako polystyrén. Tajomstvo izolačných vlastností MOCHI spočíva vo fyzike plynov na nanoúrovni. Materiál je tvorený sieťou dutých silikónových nanorúrok, pričom vzduch tvorí viac ako 90 % jeho objemu.

Pevná silikónová kostra zaberá len 5 až 15 % priestoru, čo minimalizuje vedenie tepla pevnou látkou. Ešte dôležitejšie je, že póry v materiáli sú tak malé (približne 60 nanometrov), že obmedzujú pohyb molekúl vzduchu.

V bežnom priestore molekuly vzduchu do seba narážajú a prenášajú teplo, no v póroch MOCHI nemajú dostatok priestoru na voľný pohyb. Namiesto toho narážajú do stien pórov, čo drasticky spomaľuje prenos tepelnej energie. Tento jav, známy ako Knudsenov efekt, spôsobuje, že materiál vedie teplo horšie ako stojatý vzduch.

Testy preukázali, že tenké vrstvy MOCHI prepúšťajú viac ako 99 % viditeľného svetla, čo je dokonca viac ako bežné okenné sklo, ktoré prepúšťa menej ako 92 %. Vysoká priepustnosť svetla je kritická pre pasívne solárne zisky a prirodzené osvetlenie interiérov.

Materiál je možné vyrábať vo forme veľkých dosiek alebo tenkých filmov, ktoré sa dajú dodatočne nalepiť na existujúce okná z vnútornej strany. Tým sa otvára obrovský trh pre rekonštrukcie starších budov, kde by výmena celých okien bola príliš nákladná.

V laboratórnych podmienkach dokázal 5-milimetrový plát MOCHI ochrániť ľudskú ruku pred priamym plameňom. Táto demonštrácia jasne ukazuje extrémne izolačné schopnosti materiálu aj pri malých hrúbkach. Okrem tepelnej izolácie ponúka MOCHI aj ďalšie benefity.

Zdroj foto: Glenn Asakawa/CU Boulder

Materiál je superhydrofóbny (odpudzuje vodu), nehorľavý a dokáže výrazne tlmiť hluk – testy ukázali redukciu hluku až o 35 decibelov pri určitých frekvenciách. Zlepšenie akustickej pohody je vítaným bonusom v rušných mestských prostrediach.

Výroba materiálu prebieha procesom samoskladania molekúl, kde sa špeciálne povrchovo aktívne látky zmiešajú s tekutým silikónom a vytvoria mikroskopické vlákna. Tieto vlákna sa následne vymyjú a nahradia vzduchom, pričom po sebe zanechajú pevnú silikónovú mriežku. Tento proces je škálovateľný a využíva relatívne lacné suroviny, čo sľubuje dostupnú cenu pri masovej výrobe.

Jednou z najväčších obáv pri nových stavebných materiáloch je ich životnosť. Zrýchlené testy starnutia naznačujú, že produkty na báze MOCHI by mali vydržať minimálne 20 rokov, čo je štandardná životnosť bežných izolačných skiel.

Vzorky nalepené na vnútorných oknách v reálnych podmienkach vydržali bez zmeny vlastností už päť rokov, pričom odolali prachu, UV žiareniu aj chemikáliám. Potenciál využitia MOCHI siaha ďaleko za hranice bežných okien. Materiál by mohol nájsť uplatnenie v solárnych tepelných systémoch, kde by umožnil prechod slnečného žiarenia na absorbér, ale zabránil by úniku tepla späť do okolia.

V experimentoch dosiahli absorbéry chránené MOCHI teploty blízke 300 stupňom Celzia iba pomocou slnečného žiarenia. Taktiež sa uvažuje o využití v skleníkoch, kde by lepšia izolácia predĺžila pestovateľskú sezónu a znížila náklady na vykurovanie.

Ďalšie aplikácie zahŕňajú ochranné odevy pre extrémne podmienky alebo izoláciu v chladiarenskom priemysle. Ak sa podarí spustiť masovú výrobu, MOCHI má potenciál znížiť globálnu spotrebu energie budov o desiatky percent.

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ:

Budovy spotrebujú približne 40 % všetkej energie na svete. Masové nasadenie izolácie MOCHI by mohlo radikálne znížiť náklady na vykurovanie a klimatizáciu bez nutnosti meniť vzhľad budov. Ide o technologický prielom, ktorý mení okná z energetických "dier" na tepelné štíty.

^{Zdroj: thebrighterside.news foto: Glenn Asakawa/CU Boulder}

Zobrazit Galériu