В изобретении используется сочетание механики и материаловедения, чтобы использовать или излучать свет определенных длин волн. В зависимости от условий ролики перемещают лист вперед и назад, обнажая либо удерживающие тепло материалы на одной половине, либо охлаждающие материалы на другой.
Специально разработанный в наномасштабе, один материал поглощает солнечную энергию и улавливает существующее тепло, а другой отражает свет и позволяет теплу уходить через атмосферу Земли в космос.
«Я думаю, что мы первые продемонстрировали обратимый тепловой контакт, который позволяет нам переключаться между двумя режимами нагрева и охлаждения», – сказал По-Чун Сюй, доцент кафедры машиностроения и материаловедения Duke и руководитель группы. «Это позволяет материалу перемещаться, сохраняя при этом хороший тепловой контакт со зданием, чтобы либо вводить, либо отводить тепло."
Результаты появились в Интернете 30 ноября в журнале Nature Communications.
Около 15% потребления энергии в США.S., и более 30% во всем мире приходится на отопление и охлаждение зданий, на которые приходится около 10% мировых выбросов парниковых газов. Тем не менее, до сих пор большинство подходов к минимизации углеродного следа касались только отопления или охлаждения.
Это оставляет умеренные климатические зоны мира, которые требуют как отопления, так и охлаждения в течение года, а иногда и в течение 24 часов, на морозе. В новой статье Сюй и его команда демонстрируют устройство, которое потенциально может держать нас уютно или прохладно при изменении погоды.
Специально разработанный лист начинается с полимерного композита в качестве основы, которая может расширяться или сжиматься, пропуская через него электричество. Это позволяет устройству поддерживать контакт со зданием для передачи энергии, сохраняя при этом возможность отключения, так что ролики могут переключаться между режимами.
Охлаждающая часть листа имеет ультратонкую серебряную пленку, покрытую еще более тонким слоем прозрачного силикона, которые вместе отражают солнечные лучи, как зеркало. Уникальные свойства этих материалов также преобразуют энергию и излучают инфракрасный свет средней дальности, который не взаимодействует с газами в атмосфере Земли и легко проникает в космическое пространство.
Когда из-за перемены погоды возникает потребность в обогреве, электрический заряд высвобождается, и ролики тянут лист по рельсовому пути. Это меняет местами охлаждающую отражающую половину листа на теплопоглощающую половину.
Чтобы обогреть здание под ним, инженеры использовали ультратонкий слой меди, покрытый слоем наночастиц цинка и меди.
Делая наночастицы определенного размера и располагая их на определенном расстоянии друг от друга, они взаимодействуют с медью под ними таким образом, что свет улавливается на их поверхности, позволяя материалу поглощать более 93% тепла солнечного света.
Сюй и его команда рассматривают устройство как нечто, что могло бы работать с существующими системами HVAC, а не как полную замену.
«Вместо того, чтобы напрямую нагревать и охлаждать здание, мы могли бы использовать водяную панель для подачи горячей или холодной воды в тепловой насос или котельную систему», – сказал Хус. "Я также предполагаю, что с помощью дополнительных инженерных работ это можно также использовать на стенах, образуя своего рода переключаемую оболочку здания."сказал Сюй.
Двигаясь вперед, команда работает над несколькими аспектами дизайна, чтобы продвинуть его от прототипа до масштабируемого для производства.
Среди них, пояснил Сюй, – опасения по поводу долговременного износа движущихся частей и стоимости специализированных материалов. Например, они будут исследовать, может ли более дешевый алюминий заменить серебро, а также работают над статической версией, которая может переключать режимы химически, а не механически.
Несмотря на множество препятствий, Сюй считает, что эта технология может стать благом для энергосбережения в будущем. И он не одинок.
«Мы уже работаем с компанией, чтобы определить идеальные места для развертывания этой технологии», – сказал Хсу. «И поскольку почти каждая климатическая зона в Соединенных Штатах требует как обогрева, так и охлаждения в определенный момент в течение года, преимущества двухрежимного устройства, такого как это, очевидны."