Динамични смарт прозорци могат да подобрят комфорта и естетиката на помещенията, както и да намалят консумацията на енергия на сградите (снимка: CC0 Public Domain)
Познаваме усещането, когато слънчевата светлина влиза в стаята през прозореца и създава уютна атмосфера. Но понякога слънцето може да бъде твърде ярко или горещо и тогава затваряме прозорците със завеси или щори, за да се предпазим от излишната светлина и топлина. Ами ако можехме да контролираме преминаването на светлина и топлина през прозорците с помощта на електричество, без да прибягваме до механични устройства?
Такива прозорци на бъдещето вече не са измислица, а реалност. Изследователи от Университета на Северна Каролина и Тексаския университет в Остин демонстрираха материал за ново поколение динамични прозорци, които позволяват превключване между три състояния: прозрачни или „обикновени” прозорци; прозорци, които блокират инфрачервената светлина, помагайки за охлаждане на сградата; и тонирани прозорци, които контролират яркостта, като същевременно запазват изглед навън.
Eлектрохромизъм
Динамичните прозорци се основават на явлението електрохромизъм, или промяна в прозрачността в отговор на електрически стимул. Такива прозорци не са нова концепция. Но досега повечето динамични прозорци бяха или прозрачни, или тъмни.
„Нашата работа показва, че има повече възможности”, казва Вероника Августин, съавтор на изследователската статия и професор по материалознание в университета на Северна Каролина. „По-конкретно, ние показахме, че е възможно да се пропуска светлина през прозорците, като същевременно помагаме за охлаждането на сградите и ги правим по-енергийно ефективни”.
Ключът към по-динамичните материали за прозорци е водата. Именно това им придава необичайните свойства. Изследователите откриха, че когато водата е свързана в кристалната структура на волфрамов оксид, образувайки хидрат на волфрамов оксид, материалът проявява неизвестно досега поведение.
Волфрамовите оксиди отдавна се използват в динамичните прозорци. Това се обуславя от факта, че волфрамовият оксид обикновено е прозрачен. Но когато приложите електрически сигнал и инжектирате литиеви йони и електрони в материала, той става тъмен и блокира светлината.
Изследователите сега показват, че могат ефективно да настроят дължините на вълните на светлината, които се блокират, като инжектират литиеви йони и електрони в свързан материал, наречен хидрат на волфрамов оксид.
Когато литиеви йони и електрони се въвеждат в хидратния материал, той първо преминава във фаза на “блокиране на топлината”, позволявайки на видимите дължини на вълната на светлината да преминат, но блокира инфрачервената светлина. Ако се въведат повече литиеви йони и електрони, материалът навлиза в тъмна фаза, блокирайки както видимата, така и инфрачервената дължина на вълната на светлината.
„Наличието на вода в кристалната структура я прави по-малко плътна, така че е по-устойчива на деформация, когато в материала се въвеждат литиеви йони и електрони”, разказва Джанел Фортунато, първи автор на статията и доктор в Университета на Северна Каролина.
„Нашата хипотеза е, че тъй като хидратът на волфрамовия оксид може да поеме повече литиеви йони, отколкото обикновения волфрамов оксид, преди да настъпи деформация, вие получавате два режима. Има режим на „охлаждане” – при който въвеждането на литиеви йони и електрони засяга оптичните свойства, но структурната промяна все още не е настъпила – той абсорбира инфрачервена светлина”, пояснява Фортунато.
По този начин прозорците с хидрат на волфрамов оксид могат да бъдат персонализирани към различни режими в зависимост от нуждите на потребителите. Например, ако искате да охладите стая, но все пак да имате естествена светлина, можете да превключите прозорците си в режим на блокиране на топлината.
Ако искате да намалите отблясъците на слънцето или да създадете уединена среда, можете да превключите прозорците на тъмен режим. А ако искате да се насладите на прозрачност и гледка към улицата, можете да върнете прозорците в нормален режим.
Комфорт и икономии
Такива прозорци не само ще подобрят комфорта и естетиката на помещенията, но и ще намалят консумацията на енергия на сградите. Според Международната агенция по енергетика (IAE), сградите консумират около 40% от цялата първична енергия и са един от основните източници на емисии на парникови газове. Един от начините за намаляване на енергийните разходи на сградата е използването на интелигентни прозорци, които могат да се адаптират към променящите се условия на осветление и температура.
Умните прозорци се персонализират с различни режими според нуждите на хората
(снимка: CC0 Public Domain)
Но съществуващите “умни” прозорци имат своите недостатъци. Например, те могат да бъдат скъпи, трудни за инсталиране и поддръжка или да имат ограничен обхват на настройка. Следователно разработването на нови материали за динамични прозорци е спешна задача за науката и индустрията.
Предимства и недостатъци
Изследователите твърдят, че техният материал има редица предимства спрямо останалите. Първо, той е по-евтин и лесен за производство, тъй като не изисква допълнителни слоеве или покрития. Второ, превключва между режимите по-бързо и по-ефективно, тъй като използва по-малко електроенергия. Трето, по-издръжлив и стабилен е, тъй като не подлежи на разграждане от излагане на вода или кислород.
Разбира се, материалът има и своите недостатъци. Например, не може напълно да блокира видимата светлина, а само да я затъмни. Освен това не може да регулира други дължини на вълните на светлината, като ултравиолетова или синя светлина, които също могат да повлияят на температурата и здравето на човека. Затова изследователите планират да продължат да работят върху подобряване на своя материал и разширяване на неговата функционалност.
Като цяло новият материал за динамични прозорци се разглежда като перспективен за съвременната архитектура. Той може да помогне за създаването на по-удобни, естетически привлекателни и енергийно-ефективни сгради, които се адаптират към нуждите и предпочитанията на потребителите.
Освен това иновативният материал ще допринесе за намаляване на емисиите на парникови газове и за борба с глобалното затопляне. Прозорците на бъдещето са точно зад ъгъла.