Отопление и охлаждение зданий требуют огромного количества энергии. Учёные из Техасского университета A&M разработали новый класс гибридных материалов, которые способны накапливать тепло и отдавать его по мере необходимости. Технология может помочь сократить расходы на поддержание комфортной температуры в помещениях, а в перспективе найти применение в аккумуляторах, интеллектуальных окнах и системах преобразования энергии. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Что такое салогели и как они работают?
Новый класс материалов получил название салогели (salogels). Это гибридные структуры, сочетающие полимерную основу с неорганическими солевыми гидратами — соединениями, содержащими воду в своей кристаллической структуре.
Солевые гидраты давно привлекают внимание исследователей благодаря способности накапливать значительное количество тепловой энергии. Они могут поглощать тепло в течение дня, а затем постепенно отдавать его ночью. Кроме того, такие вещества обладают высокой устойчивостью к горению, что делает их перспективными для создания систем теплового хранения.
Однако у традиционных солевых гидратов есть существенные недостатки. При многократном использовании они могут разрушаться, терять стабильность и вытекать из ёмкостей. Это осложняет создание надёжных устройств, рассчитанных на длительную эксплуатацию.
Исследователи из Техасского университета A&M предложили решить проблему с помощью полимерной сетки. Она формирует своеобразный каркас, который удерживает солевой компонент и помогает сохранить целостность материала. При этом, согласно исследованию, такая структура позволяет не жертвовать способностью накапливать тепло.
Иными словами, учёные стремятся объединить лучшие свойства двух компонентов: высокую теплоёмкость солевых гидратов и механическую стабильность полимеров.
Как устроена новая технология?
Исследовательскую работу возглавил научный сотрудник Центра мягких материалов Техасского университета A&M Картик Кумар Раджагопалан (Kartik Kumar Rajagopalan) под руководством профессора Светланы А. Сухишвили (Svetlana A. Sukhishvili), директора этого центра.
Команда несколько лет изучала взаимодействие полимеров и солевых гидратов. Новая работа стала продолжением этих исследований, позволив разобраться в процессах, происходящих внутри гибридного материала.
Одним из наиболее важных результатов стало обнаружение того, что полимерная сетка влияет на процесс кристаллизации солевых гидратов. Она помогает контролировать формирование кристаллов и уменьшать переохлаждение.
Переохлаждение возникает, когда вещество остаётся в жидком состоянии при температуре ниже той, при которой обычно начинается его кристаллизация. Для материалов, предназначенных для накопления тепла, это может быть существенной проблемой: изменение фазового состояния не всегда происходит в нужный момент, что затрудняет предсказуемое управление выделением энергии.
Понимание этих процессов позволит исследователям точнее настраивать характеристики салогелей под конкретные задачи.
Где пригодятся материалы, накапливающие тепло?
Одно из наиболее очевидных направлений применения салогелей — системы отопления и охлаждения зданий. Материал, способный запасать тепловую энергию и отдавать её с задержкой, потенциально поможет сглаживать колебания температуры и эффективнее использовать тепло окружающей среды.
Например, в перспективе подобные материалы можно будет интегрировать в строительные конструкции, чтобы накапливать избыточное тепло в тёплое время суток и использовать его позднее. Это направление требует дальнейшей разработки и испытаний: исследование пока не означает, что готовая технология уже доказала свою эффективность в жилых домах.
Впрочем, строительство — далеко не единственная область, в которой могут пригодиться салогели. Исследователи также рассматривают возможность их использования в следующих технологиях:
- Аккумуляторы и суперконденсаторы. Гибридные материалы могут помочь управлять тепловыми процессами в устройствах хранения энергии.
- Интеллектуальные окна. Такие системы способны изменять свои свойства в зависимости от условий окружающей среды. Тепловые материалы могут стать одним из элементов управления температурным режимом помещений.
- Противообледенительные покрытия. Способность запасать и отдавать тепло может оказаться полезной для предотвращения образования льда на различных поверхностях.
- Системы преобразования энергии. Салогели рассматриваются как потенциальные компоненты устройств, которые используют тепловую энергию в различных технологических процессах.
Как отмечает Раджагопалан, речь идёт о переходе от простого хранения тепла к созданию многофункциональных материалов, способных объединять накопление и преобразование энергии.
Что предстоит сделать учёным?
Несмотря на многообещающие результаты, до практического внедрения технологии ещё предстоит пройти несколько этапов.
В первую очередь исследователи намерены повысить механическую прочность салогелей и дополнительно уменьшить эффект переохлаждения. Это важно для того, чтобы материалы могли сохранять свои свойства при длительной эксплуатации и многократных циклах нагрева и охлаждения.
Ещё одно направление работы — изучение возможностей трёхмерной печати. Если подход окажется эффективным, он позволит изготавливать изделия сложной формы и точнее адаптировать их под требования конкретных устройств.
Наконец, команда планирует исследовать применение салогелей в электрохимическом преобразовании энергии.
Отдельный перспективный инструмент — машинное обучение. Поскольку учёные уже выявили закономерности взаимодействия полимеров и солевых гидратов на молекулярном уровне, эти данные в будущем могут использовать для разработки вычислительных моделей, способных прогнозировать свойства новых материалов.
Такие модели помогут быстрее находить оптимальные сочетания компонентов и сократить количество экспериментов, необходимых для создания эффективных систем хранения тепла.
Почему это важно?
Новые гибридные материалы могут стать ещё одним инструментом повышения энергоэффективности зданий и оборудования. Их главное преимущество заключается в сочетании высокой способности запасать тепло со структурной устойчивостью, которой часто не хватает традиционным солевым гидратам.
Однако пока речь идёт о перспективной исследовательской разработке, а не о готовом решении для массового строительства. Учёным ещё предстоит подтвердить долговечность салогелей, оценить стоимость их производства и проверить эффективность в реальных условиях.
Если эти задачи удастся решить, технология сможет расширить возможности теплового хранения — от регулирования температуры в зданиях до управления энергией в сложных электронных и электрохимических системах.
