Плитка по образцу кожи слона помогает охлаждать здания без кондиционеров
Исследователи разработали цементную плитку, способную снижать температуру строительных поверхностей благодаря поглощению и постепенному испарению воды. В основе технологии лежит природный принцип, знакомый по коже африканских слонов: сеть мелких углублений и трещин удерживает влагу, не позволяя ей быстро стекать или испаряться.
Над проектом работали архитектор Дорит Авив, материаловед Шу Ян и Кун-Хао Ю из Сиракузского университета. Их разработка предназначена для пассивного охлаждения фасадов и других элементов зданий без вентиляторов, компрессоров и сложных механических систем.
Как слоны используют трещины на коже
Африканские слоны не потеют, однако способны переносить экстремальную жару саванны. Их кожа достигает значительной толщины и покрыта сетью складок и микротрещин. Когда животное обливает себя водой, влага задерживается в этих углублениях, а затем медленно испаряется. Переход воды из жидкого состояния в пар сопровождается поглощением тепла, поэтому кожа постепенно охлаждается.
Именно этот механизм заинтересовал Дорит Авив, исследующую способы повышения энергоэффективности архитектурной среды в условиях глобального потепления. Совместно с Шу Ян она решила проверить, можно ли перенести природный принцип на строительные материалы.
Задача особенно актуальна для городов, где здания большую часть времени подвергаются солнечному нагреву. В США люди проводят внутри помещений около 90% времени, а здания потребляют примерно 40% первичной энергии. Значительная доля этих затрат приходится на отопление, вентиляцию и кондиционирование.
Почему обычные материалы плохо удерживают воду
На первый взгляд пассивное охлаждение с помощью испарения кажется простым: достаточно нанести воду на нагретую поверхность и дождаться её испарения. Однако стандартные строительные материалы не обеспечивают нужного эффекта.
На гладкой или слабо впитывающей поверхности капли собираются в шарики, скатываются вниз либо быстро стекают. В результате вода контактирует с материалом слишком короткое время и не успевает отвести заметное количество тепла.
Исследователи предложили превратить трещины из недостатка в функциональный элемент. В обычном строительстве растрескивание считается признаком старения, ослабления конструкции или неправильной эксплуатации. В новой плитке сеть трещин формируется заранее и выполняет роль множества тонких капиллярных каналов. Они распределяют воду по поверхности, удерживают её и обеспечивают контролируемое испарение.
Из чего сделана охлаждающая плитка
Основой материала служит обычный портландцемент, смешанный с диатомовой землёй. Это пористое вещество состоит из окаменелых остатков микроскопических водорослей и отличается способностью впитывать и удерживать влагу.
После смешивания состав формуют в тонкие плитки. Затем материал частично гидратируют и высушивают в строго заданных условиях. В процессе усадки внутри плитки возникают напряжения. Если управлять скоростью высыхания и составом смеси, напряжения высвобождаются по определённому сценарию, формируя регулярную решётку трещин.
Такая технология позволяет получить не случайные повреждения, а заранее рассчитанную систему каналов. Размер, плотность и направление трещин можно настраивать в зависимости от требований к водопоглощению и скорости испарения.
Хранение воды и её перемещение - разные задачи
Во время испытаний учёные пришли к выводу, что материалу необходимо одновременно решать две проблемы. Первая - принять достаточное количество воды. Вторая - распределить её по поверхности и удержать на нужный срок.
Пористая диатомовая земля хорошо справляется с накоплением влаги, но сама по себе не гарантирует равномерное движение воды. Трещины, напротив, работают как капиллярная сеть и помогают доставлять жидкость в разные зоны плитки. Объединение этих свойств позволило создать материал, который не просто впитывает воду, а использует её для длительного охлаждения.
Результаты температурных испытаний
В эксперименте плитки подвергались инфракрасному нагреву и периодическому увлажнению. Температура поверхности конструкции с разработанным материалом оставалась примерно на уровне 32 °C.
Для сравнения, коммерческая штукатурка с естественными трещинами нагревалась до 42 °C, а аналогичная штукатурка без трещин - до 52 °C. Таким образом, пассивная система обеспечила снижение температуры на 6-11 °C относительно традиционной отделки.
Разница особенно важна для фасадов, крыш, внутренних двориков и других участков, которые долго находятся под прямыми солнечными лучами. Более холодная оболочка здания уменьшает теплоприток внутрь помещений и потенциально снижает нагрузку на кондиционеры.
Чем технология отличается от кондиционирования
Механические системы охлаждения отводят тепло из здания наружу. При этом они потребляют электричество, а работа компрессоров сопровождается дополнительными выбросами тепла во внешнюю среду. Если электроэнергия производится за счёт ископаемого топлива, растёт и углеродный след здания.
Цементная плитка действует иначе. Она охлаждает непосредственно наружную поверхность за счёт испарения воды и не требует постоянной подачи энергии. В системе отсутствуют движущиеся детали, компрессоры и вентиляторы, поэтому потенциально уменьшаются затраты на обслуживание и риск механических неисправностей.
При этом материал не обязательно должен полностью заменить кондиционирование. Его можно использовать как дополнительный слой пассивной защиты, который уменьшает нагрев стен и сокращает продолжительность работы климатического оборудования.
Где такая плитка может пригодиться
Наиболее очевидная область применения - фасады зданий в жарком и сухом климате. Материал также может использоваться для крыш, навесов, наружных стен, павильонов, остановочных комплексов и других конструкций, регулярно подвергающихся солнечному воздействию.
Технология способна оказаться полезной в районах с ограниченным доступом к электричеству. Пассивное охлаждение не требует сложной инфраструктуры, хотя ему необходим источник воды. Поэтому особенно важна разработка режимов периодического увлажнения, при которых расход жидкости будет минимальным.
В городах плитка может стать частью систем климатической адаптации. В сочетании с озеленением, светлыми покрытиями и естественной вентиляцией она способна снижать локальный перегрев зданий и уменьшать выраженность эффекта городского теплового острова.
Основные ограничения разработки
У технологии остаются вопросы, требующие дальнейшего изучения. В первую очередь необходимо определить, сколько воды потребуется материалу в течение суток, как часто его нужно увлажнять и насколько эффективным будет охлаждение при высокой влажности воздуха.
Испарение работает лучше в сухом климате. В регионах с влажной атмосферой воздух быстрее достигает состояния насыщения, поэтому вода испаряется медленнее, а охлаждающий эффект снижается. Кроме того, необходимо оценить долговечность трещин, устойчивость плиток к циклам намокания и высыхания, морозу, загрязнению и механическим нагрузкам.
Важен и вопрос качества воды. Растворённые соли и примеси могут постепенно закупоривать поры и капилляры, уменьшая способность материала впитывать влагу. Следовательно, для практического применения потребуется проверить работу плитки при разных источниках водоснабжения.
Перспективы масштабирования
Преимущество разработки заключается в использовании доступных компонентов - цемента и диатомовой земли. Это создаёт предпосылки для относительно недорогого производства. Однако лабораторные образцы ещё предстоит испытать в реальных условиях: на крупных фасадах, при ветре, осадках, неравномерном солнечном нагреве и сезонных перепадах температуры.
В дальнейшем исследователи могут оптимизировать ширину и плотность трещин, подобрать разные пористые добавки и создать плитки с различной скоростью испарения. Одни варианты будут быстро охлаждать поверхность после увлажнения, другие - дольше сохранять воду и обеспечивать более стабильный эффект.
Главная идея проекта заключается в переосмыслении дефектов материала. Трещины, традиционно воспринимаемые как начало разрушения, здесь становятся частью инженерной системы. По аналогии с кожей слона они превращаются в сеть каналов, которая помогает зданию удерживать воду и самостоятельно отдавать тепло окружающей среде.
