Powłoki przyszłością budownictwa? Temat zgoła niepowierzchowny
Naukowcy z Uniwersytetu Herfordshire opracowali np. niedawno nową mieszankę wapienną, o strukturze inspirowanej budową chrząszczy, która może pomóc chronić budynki przed erozją, jak donosi Interesting Engineering. Taka nowa powłoka może tworzyć łańcuch mechanizmów samonaprawiających się, które chronią powierzchnię. Odbywa się to poprzez absorpcję dwutlenku węgla przez mikroorganizmy w procesie fotosyntezy, jak podano w komunikacie prasowym. W rezultacie powstaje dodatkowa bariera z węglanu wapnia, która działa jak bufor i chroni powierzchnię. Obecnie naukowcy pracują nad stworzeniem prototypu. Po ukończeniu prototypu zostanie on przetestowany na wyspie Jura w Szkocji. Oczekuje się, że będzie gotowy w lipcu, a testy mogą potrwać od trzech do sześciu miesięcy. Po zakończeniu testów prototypu firma będzie mogła wykorzystać nową powłokę do ochrony swoich budynków i innych powierzchni.
Naukowcy z Uniwersytetu Northwestern opracowali z kolei, jak podaje „Science Advances”, nowy sposób tworzenia powierzchni odpornych na szron. Punktem wyjścia jest tekstura inspirowana liśćmi, które mają niewielkie wypukłości i zagłębienia, które zapobiegają równomiernemu rozprzestrzenianiu się szronu na powierzchni. W badaniach z 2020 r. zespół odkrył, że dodanie tego rodzaju struktury powierzchniowej w skali milimetrów pomogło zredukować procesy tworzenia się szronu nawet o 80 proc. W nowym badaniu naukowcy poszli o kilka kroków dalej. Dodali bardzo cienką warstwę tlenku grafenu o grubości zaledwie 600 mikrometrów do powierzchni dolin, które miały szerokość zaledwie 5 mm między każdym szczytem. „Tlenek grafenu przyciąga parę wodną, a następnie zatrzymuje cząsteczki wody w swojej strukturze”, wyjaśniał w publikacji Kyoo-Chul Kenneth Park, główny autor badania. „Warstwa tlenku grafenu działa więc jak pojemnik, który zapobiega zamarzaniu pary wodnej. Kiedy połączyliśmy tlenek grafenu z powierzchnią o makrostrukturze, była ona odporna na szron przez długi czas przy wysokim przesyceniu. Hybrydowa powierzchnia staje się stabilną, trwałą strefą wolną od szronu”. Nowa powierzchnia była odporna na tworzenie się szronu w 100 proc. przez ponad 150 godzin, czyli prawie tydzień. Jest to znacznie dłużej niż w przypadku większości innych rodzajów powłok odpornych na lód, a ponadto działa to pasywnie, nie wymagając energii elektrycznej ani aktywnych komponentów.
Wystarczy powłoka na szybie, by regulować temperaturę?
Według Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego, gdyby powłoka okienna blokowała światło słoneczne i wypromieniowywała „ciepło z powierzchni okna o długości fali, która przechodzi przez atmosferę do przestrzeni kosmicznej”, zużycie energii na chłodzenie pomieszczeń mogłoby zostać zmniejszone. Jest to dość trudne zadanie, biorąc pod uwagę, że powłoka nie może ograniczać widoczności przez okno.
Jednak naukowcy z Uniwersytetu Notre Dame w stanie Indiana i Uniwersytetu Kyung Hee w Seulu postanowili zmierzyć się z nim. Według ich opublikowanego w 2022 r. artykułu „High-Performance Transparent Radiative Cooler Designed by Quantum Computing”, opublikowanego w czasopiśmie naukowym „ACS Energy Letters”, zespół ten skonstruował modele komputerowe pokryć szyb okiennych składające się z naprzemiennych cienkich warstw popularnych materiałów, takich jak dwutlenek krzemu, azotek krzemu, tlenek glinu lub dwutlenek tytanu, na szklanej podstawie, pokrytej warstwą polidimetylosiloksanu (1). Zoptymalizowali rodzaj, kolejność i kombinację warstw, stosując iteracyjne podejście oparte na uczeniu maszynowym i obliczeniach kwantowych, które przechowują dane przy użyciu cząstek subatomowych. W ten sposób powstał projekt powłoki, która po wyprodukowaniu przewyższała wydajnością konwencjonalnie zaprojektowane szyby, a także jedną z najlepszych komercyjnych szyb redukujących ciepło dostępnych na rynku.
Naukowcy napisali, że średnia roczna oszczędność energii w badanych miastach w Stanach Zjednoczonych wynosi 50 MJ/m². W miastach o gorącym i suchym klimacie, takich jak Phoenix, TRC może potencjalnie zaoszczędzić około 86,3 MJ/m² rocznie, czyli 31,1 proc. energii zużywanej na chłodzenie w przypadku stosowania tradycyjnych okien. Przeprowadzili oni również takie same obliczenia dla wybranych dużych miast na całym świecie. Chociaż wszędzie widać korzyści, to te położone w regionach tropikalnych uzyskałyby większy efekt chłodzenia. Badacze twierdzą, że przezroczysta powłoka okienna może być stosowana nie tylko na oknach budynków, ale również na szybach samochodowych.
Grzejnik jak malowany
Jeśli wczytać się w opracowania na temat nowej generacji powłok w budownictwie, to wynika z tego ogromny boom na wysokowydajne pokrycia funkcjonalne, ze względu na ich trwałość, odporność na warunki atmosferyczne i redukcję kosztów. Powłoki te oferują właściwości chroniące przed promieniowaniem UV, temperaturą, ogniem, korozją oraz samoczyszczące. Są one nakładane na różne materiały, przedłużając żywotność konstrukcji i zmniejszając koszty konserwacji. Innowacje w dziedzinie nanotechnologii i polimerów umożliwiają doskonałą ochronę środowiska, przyczyniając się do zrównoważonych praktyk budowlanych i odpornej infrastruktury. Tzw. inteligentne powłoki wykorzystują czujniki, materiały i nanotechnologię, aby zapewnić samoregenerację, właściwości antybakteryjne i adaptacyjne zarządzanie temperaturą.
Oczywiście nie można nie wspomnieć o farbach, które też są w końcu powłokami. Według niedawnego raportu serwisu CNN, już za pięć lat producenci mogą wprowadzić do sprzedaży farbę, która dzięki reakcji łańcuchów ciekłych kryształów na temperaturę pomaga utrzymać chłód w budynku w ciepłe dni i ciepło w zimne dni. W procesie znanym jako reakcja termochromowa łańcuchy ciekłych kryształów reagują na temperaturę otoczenia. Dodając te kryształy do pigmentu, Joe Doucet z Katonah w stanie Nowy Jork stworzył farbę wrażliwą na temperaturę, która może odegrać rolę w obniżeniu kosztów energii w budynkach, zwłaszcza jeśli zmiany klimatyczne spowodują wzrost ekstremalnych temperatur. Doucet powiedział CNN, że producenci mogą wprowadzić produkt na rynek za pięć do dziesięciu lat.
W przyszłości rysuje się również przejście branży na powłoki wielofunkcyjne. Na przykład system powłok Hempaguard firmy Hempel chroni stal przed korozją i poprawia hydrodynamikę kadłuba statku, zwiększając wydajność napędu, co z kolei zmniejsza zużycie paliwa i emisję CO2. Od momentu pierwszego wprowadzenia na rynek w 2013 roku, Hempaguard został zastosowany na ponad trzech tysięcy statków, co łącznie pozwoliło właścicielom statków zaoszczędzić ponad 9,2 miliona ton paliwa i zmniejszyć emisję CO2 o ponad 27 milionów ton. Istnieje jednak wiele innych farb wielofunkcyjnych. Na przykład powłoki pasywnej ochrony przeciwpożarowej (PFP) poprawiają bezpieczeństwo przeciwpożarowe, pęczniejąc pod wpływem wysokiej temperatury i izolując znajdującą się pod nimi stal. Dzięki temu stal dłużej zachowuje swoją nośność, co daje ludziom więcej czasu na ewakuację budynku, a strażakom dodatkowy czas na ugaszenie pożaru. Kolejnym oczywistym krokiem w rozwoju tej technologii jest stworzenie farb zewnętrznych, które pęcznieją i kurczą się w zależności od warunków pogodowych. Zapewniłoby to dodatkową izolację w razie po-trzeby, zmniejszając zapotrzebowanie na ogrzewanie i chłodzenie.
Do generowania ciepła w budynkach i pomieszczeniach proponowana jest od pewnego czasu farba grafenowa, która według obietnic zapewnia średnio 40 proc. oszczędności energii, jeśli zestawić jej stosowanie z wykorzystaniem tradycyjnych grzejników elektrycznych a nawet pomp ciepła. BeDimensional SpA, partner inicjatywy Graphene Flagship, przedstawił tę innowacyjną powłokę-farbę opartą na grafenie (2) i zdolną, jak zapewnia firma, do generowania ciepła za pomocą energii elektrycznej, przez cienki, łatwy w użyciu system ogrzewania promiennikowego bez elementów mechanicznych. Wydajność tego nowatorskiego rozwiązania została potwierdzona przez zespół profesorów z uniwersytetu w Genui. Badania obejmowały liczne testy techniczne i symulacje, które wykazały wysoką przewodność cieplną, łatwość instalacji i, co najważniejsze, znaczne zmniejszenie zużycia energii: średnio do 40 proc. w porównaniu z tradycyjnymi grzejnikami elektrycznymi.
Fot. stock.adobe.com
Farba grafenowa po nałożeniu i podłączeniu do prostych elektrod miedzianych generuje ciepło dzięki efektowi Joule’a. System, który cicho i równomiernie promieniuje ciepło, zapewnia stabilną dystrybucję ciepła bez stratyfikacji. Emisja odbywa się poprzez promieniowanie podczerwone o długiej fali, które jest formą ciepła o niskiej energii, nieszkodliwą dla zdrowia, która nie ogrzewa powietrza, ale działa bezpośrednio na ciało, tworząc przyjemne uczucie termicznego komfortu. Farba nakłada się jak zwykła farba i dostosowuje się do popularnych materiałów budowlanych, od płyt kartonowo-gipsowych po panele warstwowe.
Doszliśmy więc do powłoki, która nawet nie tyle zastępuje nowy materiał, ile wręcz całe urządzenia i systemy, w tym przypadku grzewcze. Warto jednak zachować ostrożność, gdyż mówimy dopiero o pewnych prototypach i wynikach głównie laboratoryjnych.
Mirosław Usidus
