10 Minute
Ferestrele sunt esențiale pentru iluminarea naturală și pentru priveliști, dar reprezintă și una dintre cele mai mari surse de pierdere și câștig de căldură în clădiri. Cercetători de la University of Colorado Boulder au dezvoltat un material izolant aproape transparent numit MOCHI, care promite să încetinească transferul de căldură prin sticlă fără a bloca lumina — un pas care ar putea transforma modul în care încălzim, răcim și proiectăm clădiri eficiente energetic.
Ce este MOCHI și de ce contează
MOCHI este acronimul pentru Mesoporous Optically Clear Heat Insulator. Este un gel pe bază de silicon proiectat pentru a conține o rețea vastă de canale microscopice de aer, atât de fine încât aerul reprezintă peste 90% din volumul materialului. Această arhitectură internă permite MOCHI să reunească două proprietăți care rar apar simultan: izolație termică performantă și claritate optică ridicată.
Un avantaj esențial este cel vizual. Spre deosebire de multe materiale izolante care dispersează lumina și estompează priveliștea, MOCHI transmite aproape toată lumina vizibilă, reflectând doar aproximativ 0,2% din radiația incidentă. Pentru proprietarii de clădiri și proiectanți, asta înseamnă posibilitatea de a adăuga izolație la ferestre fără a pierde lumina naturală, vederile solare sau conexiunea vizuală cu exteriorul — un beneficiu major pentru confortul ocupanților și pentru designul arhitectural.
Abram Fluckiger ţine un panou de probă pătrat format din cinci straturi suprapuse ale noului material, un izolator aproape transparent numit MOCHI, proiectat în laboratorul profesorului de fizică Ivan Smalyukh de la CU Boulder. Mostra ilustrează formatul în care materialul poate fi utilizat ca foaie subțire sau panou laminat pentru ferestre sau elemente de fațadă.
Cum se fabrică materialul și cum blochează căldura
La baza performanței MOCHI stă controlul precis al dimensiunii porilor și al aranjamentului acestora. Echipa de cercetare folosește molecule tensioactive într-o soluție lichidă pentru a forma template-uri filamentoase. Moleculele de silicon acoperă acele fire, după care tensioactivul este îndepărtat și înlocuit cu aer, rezultând un schelet complex de silicon cu canale foarte mici umplute cu aer. Smalyukh a descris rețeaua de canale rămase drept „un coșmar pentru instalatori”, subliniind complexitatea arhitecturii interne.
Canalele minuscule introduc gazul într-un regim pe care fizicienii îl numesc mesoporos: dimensiunile porilor sunt comparabile cu lungimea medie de deplasare liberă a moleculelor de aer (mean free path), sau chiar mai mici. La condiții standard, această lungime medie este de ordinul zecilor de nanometri, astfel încât moleculele de gaz nu mai ciocnesc liber între ele, ci lovesc frecvent pereții canalelor. În practică, asta reduce transferul conductiv de căldură prin material în mod asemănător cu modul în care funcționează izolațiile de tip aerogel — cu diferența majoră că MOCHI este proiectat pentru a minimiza dispersia luminii și a rămâne excepțional de transparent.
Pentru a demonstra forța izolatoare, echipa raportează că o foaie MOCHI de 5 mm poate rezista la o flacără aplicată direct, fără a conduce suficientă căldură pentru a provoca arsuri pe cealaltă parte. Această demonstrație dramatică evidențiază cât de eficient poate încetini fluxul termic un material foarte poros, cu o structură controlată atent. Astfel de teste de laboratior indică potențialul pentru valori mici ale conductivității termice, ceea ce este esențial pentru îmbunătățirea performanței energetice a ferestrelor.
Shakshi Bhardwaj ţine în mână blocuri de dimensiuni diferite ale noului material aproape transparent numit MOCHI, proiectat în laboratorul profesorului Ivan Smalyukh. Blocurile arată că materialul poate fi produs în formate variabile, de la foi subțiri pentru retrofit până la panouri mai groase pentru aplicații speciale.
Ferestre, clădiri și amploarea problemei
Clădirile consumă aproximativ 40% din producția globală de energie, iar o parte semnificativă a acestei energii este schimbată prin ferestre. Iarna, aerul cald din interior se pierde către exterior; vara, lumina soarelui și căldura exterioară pătrund prin geamuri. Strategiile tradiționale pentru reducerea acestui schimb includ geamuri duble sau triple, tratamente cu emisivitate scăzută (low-e) și rame izolate — soluții eficiente în grade diferite, dar uneori limitate de cost, greutate, grosime sau pierdere de lumină naturală.
MOCHI vizează o nișă clară: un panou aplicat la interior sau o foaie subțire care poate fi adăugată la ferestrele existente pentru a îmbunătăți rezistența termică păstrând în același timp transparența. Dacă procesul va fi scalabil, o astfel de abordare ar putea reduce cererea pentru încălzire și răcire în clădiri rezidențiale și comerciale, scăzând facturile de energie și emisiile de carbon fără a compromite lumina naturală sau priveliștile — o combinație valoroasă pentru proiectele de retrofit și pentru construcții noi orientate spre eficiență energetică.
Eldho Abraham, stânga, și Taewoo Lee, dreapta, ţin un nou material de izolație pentru ferestre numit MOCHI, fixat pe o folie subțire de plastic, proiectat în laboratorul profesorului Ivan Smalyukh. Mostra arată aplicabilitatea în sisteme de tip retrofit care se pot monta pe geamuri existente fără intervenții majore.
MOCHI versus aerogeluri și alte materiale izolante
Aerogelurile sunt cei mai cunoscuți izolatori ultraușori și sunt folosite în aplicații de nișă, inclusiv componente pentru nave spațiale ale NASA. Totuși, aerogelurile apar adesea tulburi deoarece porii lor dispersă lumina vizibilă. Echipa de la CU Boulder a structurat deliberat porii MOCHI pentru a reduce dispersia, obținând claritate mai apropiată de sticla convențională, în timp ce menține performanța termică apropiată de izolatorii poroși avansați.
Chimia materialului MOCHI — un cadru de gel de silicon — aduce și avantaje practice: materiile prime sunt relativ ieftine, iar produsul poate fi format ca foi subțiri sau panouri mai groase pentru diferite utilizări. Această flexibilitate chimică și mecanică permite adaptarea la multiple aplicații, de la ferestre rezidențiale la elemente de fațadă pentru clădiri comerciale. Cu toate acestea, fabricarea actuală necesită procese lente și atente, specifice laboratorului. Autorii lucrării publicate în Science subliniază că scalarea producției și simplificarea procedurilor de fabricație vor fi esențiale înainte ca MOCHI să ajungă pe piață la scară largă.
Aplicații potențiale dincolo de ferestre
Deși ferestrele sunt ținta cea mai evidentă, combinația dintre claritate și rezistență termică deschide alte posibilități. Echipa sugerează aplicații care preiau sau gestionează căldura solară: colectoare termice transparente, luminatoare (skylights) izolate, sau sisteme montate pe ferestre care captează lumina solară și convertesc o parte din energie în căldură pentru apă sau încălzire interioară. Chiar și în condiții înnorate, captarea solară parțială combinată cu o izolație mai bună poate produce economii energetice măsurabile.
Cercetătorii notează, de asemenea, potențialul pentru utilizare în carcase pentru electronice, instrumente optice și oriunde o barieră termică transparentă este valoroasă. Deoarece MOCHI reflectă doar o fracțiune foarte mică din lumina vizibilă, ar putea fi integrat în sisteme de fațadă și produse pentru retrofit fără a altera dramatic aspectul clădirii — un avantaj important pentru proiectele în care estetica și transparența sunt prioritare.
Provocări pe drumul comercializării
În ciuda rezultatelor promițătoare din laborator, există obstacole. Sinteza actuală este consumatoare de timp și optimizată pentru probe mici; durabilitatea pe termen lung și stabilitatea la UV în condiții reale de mediu trebuie validate; iar procesele de fabricație trebuie adaptate pentru producție pe suprafețe mari și la costuri competitive. Controlul calității, uniformitatea porozității pe suprafețe extinse și integrarea cu sticlele sau cadrele existente vor trebui rezolvate pentru a crea produse fiabile pentru piață.
Cu toate acestea, echipa rămâne optimistă că simplificările de proces și abordările de tip roll-to-roll sau turnare continuă (castable) ar putea face în cele din urmă din MOCHI o opțiune practică pentru retrofit sau pentru instalare în fabrică. În plus, dezvoltări ulterioare în materiale de protecție UV, tratamente de suprafață și laminări ar putea extinde rezistența în timp și aplicațiile posibile, crescând atractivitatea comercială.
Expertiză și perspective
"MOCHI demonstrează cum proiectarea microstructurii poate reconcilia două cerințe aparent contradictorii — claritatea optică și rezistența termică," spune Dr. Maya Ortega, o cercetătoare în știința materialelor specializată în izolatori poroși (expert fictiv). "Dacă echipa reușește să transpună metodele de laborator într-o producție continuă, aceasta ar putea schimba regulile pentru strategiile de retrofit în clădiri existente și pentru construcțiile noi. Cheia va fi durabilitatea și costul la scară."
Ivan Smalyukh, autorul principal și profesor de fizică la CU Boulder, a enunțat obiectivul simplu: "Indiferent de temperaturile exterioare, vrem ca oamenii să aibă temperaturi confortabile în interior fără a risipi energie." Lucrarea care raportează MOCHI a apărut în Science pe 11 decembrie, semnalând o validare peer-reviewed a conceptului central, în timp ce munca de inginerie și comercializare rămâne de făcut.
Cercetătorii și profesioniștii din domeniul construcțiilor vor urmări cu atenție cum MOCHI evoluează de la demonstrații spectaculoase de laborator la produse practice. Dacă materialul trece această etapă, ar putea permite ferestre mai clare și mai eficiente energetic care păstrează priveliștile și lumina naturală — reducând semnificativ energia necesară pentru încălzire și răcire în clădiri. Integrat în strategiile de eficiență energetică, MOCHI ar putea contribui la reducerea emisiilor de carbon asociate cu consumul energetic în clădiri, susținând obiectivele de sustenabilitate și confort termic.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu