Polscy naukowcy pracują nad nowymi materiałami do chłodzenia i ogrzewania budynków. Inspiracją jest budowa motyli

Zespół naukowców złożony m.in. ze specjalistów od nanomateriałów, fizyków i zoologów pracuje nad specjalnymi powłokami, które mogą umożliwić zarządzanie ciepłem w budynkach. Ich struktura ma przypominać budowę skrzydeł motyli o ekstremalnie czarnym wybarwieniu oraz niemal białych, które odpowiednio pochłaniają i odbijają światło. Innowacyjny materiał może się sprawdzić nie tylko w zrównoważonym budownictwie, lecz również przykładowo w misjach kosmicznych.

Skrzydła czarnego motyla Troides magellanus pochłaniają światło lepiej niż wiele nowoczesnych materiałów opracowanych przez człowieka – wykazują 98-proc. absorpcję światła widzialnego. Tak wysoki poziom to efekt złożonej mikro- i nanostruktury powierzchni, która działa jak naturalna pułapka na światło. Struktury te odpowiadają także za zdolność silnego odbijania światła słonecznego – w przypadku bardzo białych motyli. Dlatego są kluczowe dla regulacji temperatury ciała tych owadów.

– Nasz projekt jest inspirowany strukturami, które występują w bardzo czarnych motylach i pająkach. To są bardzo małe struktury występujące na ich powierzchni zewnętrznej. Okazuje się, że to, że one są czarne, to nie jest kwestia pigmentu, tylko właśnie bardzo malutkich struktur. Prowadząc badania nad powłokami nanostrukturalnymi, zobaczyliśmy, że struktury, które w nich występują, są bardzo podobne do tych, które występują w naturze. Stąd wziął się pomysł na projekt – mówi agencji Newseria dr hab. Michał Borysiewicz z Centrum Materiałów Funkcjonalnych Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki (IMIF), kierujący projektem Biotherm.

Specjaliści od nanomateriałów, termoelektryki, fizycy, zoolodzy i eksperci od modelowania optycznego pracują nad nowymi, pasywnymi materiałami grzewczymi i chłodzącymi, które mogą znacząco zmniejszyć zużycie energii w budownictwie. W skład konsorcjum, obok Łukasiewicz – IMIF, wchodzą m.in. Politechnika Warszawska i Uniwersytet Jagielloński.

– Próbujemy się zainspirować przyrodą, aby zrobić takie materiały, które będą użyteczne dla człowieka – wyjaśnia dr hab. Michał Borysiewicz. – Jeżeli zrobilibyśmy – co jest naszym celem – powłoki, które są bardzo czarne oraz bardzo białe, będziemy w stanie pasywnie grzać, pochłaniać ciepło oraz pasywnie chłodzić, czyli odbijać ciepło, co może znaleźć zastosowanie w powłokach stosowanych na budynkach. Realną wartością projektu będzie wytworzenie powłok, które mogą być zastosowane do zarządzania temperaturą budynków w sposób pasywny.

– Nasz materiał na słońcu nie będzie się grzał, bo będzie zaprojektowany w taki sposób, żeby odbijał światło, nie absorbował go – mówi prof. Mariusz Zdrojek z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej.

Projekt ma pozwolić lepiej zrozumieć, jak działa regulacja temperatury u owadów. W jego ramach zostaną zebrane owady o bardzo czarnych i bardzo białych skrzydłach. Następnie naukowcy opiszą ich zachowania i środowisko. Zespół planuje wytworzyć nowe materiały na drodze magnetronowego rozpylania katodowego, aby w taki sposób uzyskać struktury analogiczne do tych występujących u owadów – o takich samych właściwościach optycznych i termicznych.

Eksperci z Politechniki Warszawskiej odpowiadają w projekcie za charakteryzację nowych materiałów – będą badać pochłanianie i odbicie światła w szerokim spektrum, czyli ocenią, jak wyglądają właściwości optyczne danego materiału.

– Musimy opisać parametrami fizycznymi, jak biały jest materiał biały, który chcemy zrobić, a jesteśmy w stanie to opisać bardzo dokładnie, oraz jak czarny jest materiał, który badamy. Będziemy mogli dzięki temu porównać materiały, które wytworzymy w projekcie, z tymi, które wytworzyła natura, żeby zrozumieć mechanizmy działające w tych materiałach w kontekście oddziaływania ze światłem. Dzięki temu potem poprawimy te parametry, żeby uzyskać jak najbardziej efektywny materiał – wyjaśnia prof. Mariusz Zdrojek.

Finalnie naukowcy planują opracowanie powłok, które zostaną wykorzystane do budowy modułów termoelektrycznych, a następnie przetestowane w warunkach imitujących działanie słońca.

– Chcemy zbadać, czy pokrycie takiego modułu z jednej strony materiałem absorbującym ciepło, czyli bardzo czarnym, a z drugiej strony bardzo białym, odbijającym ciepło, spowoduje wytworzenie w sposób efektywny energii elektrycznej – mówi dr hab. Michał Borysiewicz. 

– Pokazaliśmy fizycznymi metodami badawczymi, że dany materiał bardzo dobrze odbija światło słoneczne, widzialne, czyli robi to w bardzo podobny sposób jak skrzydła motyli, które w sposób niemalże doskonały odbijają światło – podkreśla ekspert Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej.

Naukowcy podkreślają, że projekt jest na zbyt wczesnym etapie, by deklarować, co zostanie wdrożone. Widzą w nim jednak duży potencjał do zaimplementowania w codziennym życiu, m.in. w zrównoważonym budownictwie mieszkaniowym czy komercyjnym. Powłoki mogą w przyszłości pokrywać elementy budynków lub urządzeń i częściowo zastępować systemy klimatyzacyjne czy grzewcze o wysokim zużyciu energii, bez potrzeby zasilania zewnętrznego. Badacze oceniają, że zastosowanie bioinspirowanych powłok może prowadzić do istotnych oszczędności energii w budynkach, które odpowiadają za około 40 proc. całkowitego zużycia energii w Unii Europejskiej.

– Wytworzone przez nas materiały bardzo czarne będziemy testować w zastosowaniach optycznych, gdzie powinny wyłapywać światło rozproszone, podnosząc wydajność detektorów, obiektywów kamer i tego typu rzeczy. Myślimy też o stosowaniach w technologii kosmicznej, gdzie materiały czarne pozwolą ogrzewać w naturalny sposób na przykład satelity, a materiały białe pozwolą odbijać światło, żeby chłodzić je przy wystawieniu bezpośrednim na słońce – wymienia dr hab. Michał Borysiewicz. – Materiały białe też mogą się przydać do ogniw słonecznych, żeby odbijać więcej światła z otoczenia i kierować je na ogniwa słoneczne, zwiększając ich sprawność.

Całkowity budżet projektu to ok. 2,2 mln zł. Jest on finansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki w ramach konkursu NCN OPUS.