Холод уходит, как дым: изобретение, которое делает окна теплее стен

Новый теплоизолятор MOCHI разработали учёные из Университета Колорадо — профессор Иван Смалюх

Первые испытания нового материала для окон, способного значительно повысить энергоэффективность зданий, уже дали впечатляющие результаты. Учёные из Университета Колорадо в Боулдере представили разработку под названием MOCHI — прозрачный теплоизолятор, который работает по принципу высокотехнологичной пузырчатой плёнки. Об этом сообщает Tech Xplore.

Новое слово в теплоизоляции

MOCHI — это мезопористый оптически прозрачный теплоизолятор, который выпускается в виде плит или тонких листов. Их можно крепить на внутреннюю поверхность окон, улучшая теплоизоляцию без потери прозрачности. В отличие от существующих решений, которые часто делают окна мутными, этот материал остаётся почти полностью прозрачным и не мешает обзору. Похожие принципы структуры наблюдаются и в других инновационных материалах, например, в экспериментах с пенообразными структурами, где изучалось поведение пузырьков под давлением.

"Чтобы предотвратить теплообмен, можно использовать много утеплителя в стенах, но окна должны быть прозрачными", — пояснил ведущий автор исследования, профессор физики Иван Смалюх из Университета Колорадо в Боулдере. "Найти прозрачные изоляторы — действительно сложная задача".

Здания по всему миру потребляют почти 40% всей произведённой энергии, а значительная её часть теряется через окна. Исследователи надеются, что новый материал позволит снизить эти потери, не нарушая привычного внешнего вида помещений.

Как работает MOCHI

Основой MOCHI является силиконовый гель с особой структурой. Он содержит миллионы микроскопических пор, заполненных воздухом. Эти поры настолько малы, что эффективно блокируют передачу тепла. Для сравнения, слой MOCHI толщиной всего 5 миллиметров способен защитить руку от открытого пламени.

"Независимо от температуры на улице, мы хотим, чтобы люди могли поддерживать комфортную температуру внутри помещений, не тратя при этом энергию впустую", — отметил Смалюх, научный сотрудник Института возобновляемой и устойчивой энергетики (RASEI).

Секрет технологии

Учёные называют MOCHI родственником аэрогелей — сверхлёгких материалов, применяемых даже в марсоходах NASA. Однако аэрогели обычно рассеивают свет, поэтому кажутся мутными. Команда Смалюха добилась иного результата: они научились формировать структуру, где пузырьки воздуха расположены строго упорядоченно, благодаря чему свет проходит почти без преград.

Процесс создания MOCHI основан на химических взаимодействиях между поверхностно-активными веществами и силиконом. Вначале формируется жидкая смесь, где молекулы выстраиваются в тонкие нити. Затем силикон "обволакивает" их, а после удаления лишних компонентов остаётся прочная сетка микротрубок, наполненных воздухом. Этот замысловатый процесс Смалюх шутливо называет "кошмаром сантехника".

Удержание тепла и прозрачность

Передача тепла через газы происходит за счёт столкновений молекул. Но поры MOCHI настолько малы, что молекулы воздуха внутри них просто не успевают сталкиваться, а значит, тепло почти не проходит. В итоге материал отражает лишь 0,2% света, оставаясь практически невидимым.

"У молекул нет возможности свободно сталкиваться друг с другом и обмениваться энергией", — поясняет Смалюх. "Вместо этого они ударяются о стенки пор".

Такой эффект делает MOCHI особенно перспективным для использования в зданиях, где важно сочетание теплоизоляции и эстетики — например, в офисных центрах с панорамными окнами или современных домах с энергоэффективными фасадами.

Перспективы применения

Разработчики уверены, что потенциал у MOCHI огромен. Прозрачный материал может не только сохранять тепло, но и использоваться в солнечных коллекторах. Он способен улавливать солнечную энергию даже в пасмурную погоду, направляя её на подогрев воды или отопление помещений. Похожие экологичные подходы применяются и при создании искусственных фотосинтетических систем, которые превращают солнечный свет в чистое топливо.

"Даже в пасмурный день можно собрать много энергии и использовать её для обогрева воды и внутренних помещений здания", — подчеркнул Смалюх.

Хотя пока производство MOCHI остаётся лабораторным и требует значительных усилий, исследователи считают, что технологию можно масштабировать. Все компоненты недороги и доступны, что открывает путь к промышленному выпуску.

Сравнение с другими теплоизоляторами

По сравнению с традиционными теплоизоляционными материалами — пенопластом, минеральной ватой и плёнками — MOCHI выигрывает в прозрачности и долговечности. Обычные решения не могут использоваться на стекле без потери света, а MOCHI сохраняет видимость при высокой эффективности. В то же время себестоимость его производства может стать ниже, если технология будет поставлена на поток.

Плюсы и минусы технологии

К преимуществам MOCHI можно отнести:

прозрачность, не влияющую на освещённость помещений;
высокий уровень теплоизоляции;
экологичность и низкую стоимость сырья;
долговечность и устойчивость к ультрафиолету.

Из недостатков — сложность массового производства и пока что ограниченный масштаб испытаний.

Советы по применению теплоизоляционных материалов

Для окон предпочтительнее выбирать прозрачные решения, чтобы сохранить естественное освещение.
При установке важно учитывать толщину слоя и коэффициент теплопроводности.
В регионах с холодным климатом эффективнее сочетать теплоизоляционные покрытия с энергосберегающими стёклами.
Следует избегать материалов, ухудшающих видимость или вызывающих искажения цвета.