Вдохновленные динамическим изменением цвета кожи таких организмов, как кальмары, исследователи Университета Торонто разработали многослойную жидкостную систему, которая может снизить затраты энергии на отопление, охлаждение и освещение зданий.
Платформа, которая оптимизирует длину волны, интенсивность и дисперсию света, проходящего через окна, предлагает гораздо больший контроль, чем существующие технологии, сохраняя при этом низкие затраты благодаря использованию простых, готовых компонентов.
В настоящее время некоторые «умные» строительные технологии, такие как автоматические жалюзи или электрохромные окна, которые изменяют свою непрозрачность в ответ на электрический ток, могут использоваться для контроля количества солнечного света, попадающего в комнату. Но ученые говорят, что эти системы ограничены: они не могут различать разные длины волн света и не могут контролировать, как этот свет распределяется в пространстве.
«Солнечный свет содержит видимый свет, который влияет на освещение в здании, но он также содержит другие невидимые длины волн, такие как инфракрасный свет , который мы можем рассматривать как тепло»
«В середине дня зимой вы, вероятно, захотите впустить и то, и другое, но летом в середине дня вы захотите впустить только видимый свет , а не тепло. Современные системы обычно могут не делают этого — они либо блокируют и то, и другое, либо ни то, ни другое. У них также нет возможности направлять или рассеивать свет в выгодном направлении».
Разработанная система использует возможности микрофлюидики, чтобы предложить альтернативу.
Прототипы состоят из плоских листов пластика, пронизанных множеством каналов миллиметровой толщины, через которые можно перекачивать жидкости. Индивидуальные пигменты, частицы или другие молекулы могут быть смешаны с жидкостями, чтобы контролировать, какой свет проходит — например, видимый или ближний инфракрасный — и в каком направлении этот свет затем распределяется.
Эти листы могут быть объединены в многослойный пакет, при этом каждый слой отвечает за разные типы оптических функций: управление интенсивностью, фильтрация длины волны или настройка рассеяния проходящего света в помещении. Используя небольшие насосы с цифровым управлением для добавления или удаления жидкости из каждого слоя, система может оптимизировать светопропускание.
«Это просто и дешево, но также обеспечивает невероятный комбинаторный контроль. Мы можем проектировать динамические фасады зданий в жидком состоянии, которые делают практически все, что вы хотели бы сделать с точки зрения их оптических свойств»
Биологическое вдохновение для многослойной жидкости: (A) изменение цвета пантеры-хамелеона достигается с помощью многослойной архитектуры активных фотонных кристаллов; (B) Изменение цвета кальмара достигается с помощью скоординированных действий в многослойных пигментных и структурных элементах. Предоставлено: Университет Торонто.
Работа основана на другой системе, в которой используется впрыскиваемый пигмент, разработанной той же командой ранее в этом году . В то время как это исследование черпало вдохновение из способности морских членистоногих изменять цвет, нынешняя система больше похожа на многослойную кожу кальмара.
У многих видов кальмаров кожа состоит из слоев специализированных органов, в том числе хроматофоров, которые контролируют поглощение света, и иридофоров, которые влияют на отражение и радужность. Эти индивидуально адресуемые элементы работают вместе, создавая уникальные оптические характеристики, которые возможны только при их совместной работе.
В то время как исследователи U of T Engineering сосредоточились на прототипах, Ученые построили подробные компьютерные модели, которые анализировали потенциальное энергетическое воздействие покрытия гипотетического здания динамическим фасадом этого типа.
Модели были проинформированы физическими свойствами, измеренными у прототипов. Команда также смоделировала различные алгоритмы управления для активации или деактивации слоев в ответ на изменение условий окружающей среды.
«Если бы у нас был только один слой, который фокусируется на модуляции передачи ближнего инфракрасного света, то есть даже не касаясь видимой части спектра, мы обнаружили бы, что мы могли бы ежегодно экономить около 25% на нагреве, охлаждении и энергии освещения по сравнению со статическим исходный уровень»
«Если у нас есть два слоя — инфракрасный и видимый — это больше похоже на 50%. Это очень значительная экономия».
Дополнительная информация: Рафаэль Кей и др., Многослойная оптофлюидика для устойчивых зданий, Труды Национальной академии наук (2023 г.). DOI: 10.1073/pnas.2210351120
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com