Большая часть энергии, потребляемой зданием, расходуется на его обогрев и охлаждение, однако новая система динамического затенения, разработанная исследователями из Университета Торонто, могла бы помочь в решении этой проблемы. Вдохновленная кожей криля, новая технология использует ячейки с изменяющимся пигментом, которые могут блокировать свет по требованию.

Сравнение размеров и форм узоров при различной скорости подачи красящего вещества в ячейки с минеральным маслом.  Raphael Kay, Charlie Katrycz

Крили — это мелкие морские ракообразные, чаще всего прозрачные, но обладающие способностью перемещать пигменты в клетках под своей кожей. Например, в яркий солнечный день они могут становиться темнее, чтобы защитить себя от негативного воздействия ультрафиолетового излучения. По мнению команды из Университета Торонто, подобная технология была бы полезна при строительстве окон и фасадов современных зданий.

Прототип, вдохновленный крилем, построен из оптофлюидических ячеек, которые при относительно небольшом потреблении энергии могут менять степень прозрачности по требованию. Внутри ячейки между двумя листами пластика находится 1-мм слой минерального масла. Чтобы сделать его темнее, в ячейку через специальные капилляры подается небольшое количество воды, содержащей пигмент или краситель.

При подаче жидкости образуются своеобразные узоры, которыми можно управлять с помощью цифрового насоса. Так, например при небольшой скорости потока образуется расплывающиеся круги, а при более высокой - ветвящиеся древовидные структуры. Впоследствии пигмент можно выкачать обратно, и вернуть ячейку в первоначальное состояние.

"Нас интересовало, как жидкости в замкнутых средах из экологически чистых, устойчивых химикатов могут быть использованы для изменения характеристик материала", - говорит Бен Хаттон, руководитель исследования. "Это очень универсально: мы можем не только контролировать размер и форму воды в каждой ячейке, но и изменять химические или оптические свойства красителя в воде. Это может быть любой цвет или любая степень прозрачности, которые мы захотим".

По замыслу команды, сеть таких оптофлюидических ячеек может быть использована в окнах или фасадах зданий в качестве энергосберегающей системы терморегуляции. В жаркий летний день ячейки для защиты от солнечных лучей систему можно полностью переключить в непрозрачный режим, а после захода солнца снова удалить лишний пигмент.

Авторы смоделировали, насколько хорошо такая система будет работать в масштабах здания, и сравнили потенциальную экономию энергии с двумя другими решениями - моторизованными жалюзи или электрохромными окнами, меняющими прозрачность стекла под действием электрического напряжения.

"Мы подсчитали, что наша система способна сократить потребление энергии на отопление, охлаждение и освещение более чем на 30% по сравнению с двумя другими вариантами", - рассказывает Рафаэль Кей, автор-корреспондент проекта. "Это в первую очередь объясняется тем, что наша технология позволяет гораздо тоньше контролировать степень и время естественного затенения. Словно сотни крошечных ставень открываются и закрываются в разное время и в разных местах фасада. И все это мы добились с помощью простой, масштабируемой и недорогой жидкостной технологии".

Команда также утверждает, что оптофлюидические дисплеи могут быть использованы для создания крупномасштабных произведений искусства.

Результаты данного проекта были представлены в международном издании Nature Communications.
Работу ячеек можно увидеть на видео ниже.

Демонстрация скорости потока - оптофлюидическая ячейка

Источники: Университет Торонто, журнал Nature Communications

1. (https://www.nature.com/articles/s41467-022-31527-6)
2. (https://news.engineering.utoronto.ca/dynamic-building-facades-inspired-by-marine-organisms-could-reduce-heating-cooling-and-lighting-costs/)