Под палящим летним солнцем крыша здания, нагреваемая солнечными лучами, потребляет огромное количество энергии для поддержания прохлады внутри. Теперь ответ на эту проблему, возможно, скрывается в маленьком насекомом, обитающем в лесах Юго-Восточной Азии. Исследовательская группа Гонконгского политехнического университета (PolyU), вдохновившись чешуйками самого белого жука на Земле — жука-листоеда Cyphochilus, успешно разработала новый материал из пассивной радиационной охлаждающей керамики, коэффициент отражения солнечного света которого достигает 99,6%, что почти соответствует теоретическому «идеальному» уровню. Это прорывное исследование было опубликовано в ведущем международном академическом журнале Science.

Учиться у самого белого цвета в природе

Ярко-белый цвет жука Cyphochilus обусловлен не пигментами, а уникальной иерархической пористой структурой внутри его чешуек. Эта структура чрезвычайно эффективно рассеивает свет, превосходя по этому показателю многие искусственные белые поверхности. Руководитель исследовательской группы, заместитель проректора (по исследованиям и инновациям) Гонконгского политехнического университета профессор Ван Цзуанькай вместе со своей командой глубоко изучил тайны этой биологической системы рассеивания.

Ключевое новшество их работы заключается не в простом копировании химического состава жука, а в «переводе» геометрической логики рассеивания света на керамический материал. Благодаря биомиметическому дизайну команде удалось создать иерархическую пористую структуру, аналогичную чешуйкам жука, что позволило добиться эффективного рассеивания всего спектра солнечного света. Профессор Ван Цзуанькай отметил: «Наша работа по созданию охлаждающей керамики является примером огромной силы обучения у природы, она заполняет пробел в области пассивного радиационного охлаждения, связанный с высоким коэффициентом отражения солнечного света».

Почти идеальная отражательная способность и прорывное подавление эффекта Лейденфроста

Эксплуатационные характеристики этой биомиметической охлаждающей керамики впечатляют:

Рекордный коэффициент отражения солнечного света 99,6%: Для сравнения, стандартные белые кровельные покрытия обычно отражают только около 80-90% солнечного света. Эта, казалось бы, небольшая процентная разница представляет собой огромный разрыв в энергопотреблении — более высокая отражательная способность означает, что меньше солнечного тепла поглощается зданием, что напрямую снижает зависимость от систем кондиционирования.

Способность подавлять эффект Лейденфроста: Это еще одна важная техническая особенность данного исследования. Когда жидкость контактирует с очень горячей поверхностью, температура которой значительно превышает ее точку кипения, образуется изолирующий слой пара, препятствующий передаче тепла. Новая керамика обладает супергидрофильностью: капли воды при контакте немедленно растекаются и быстро проникают в ее пористую структуру. Исследования подтвердили, что в процессе испарительного охлаждения эта керамика может подавлять эффект Лейденфроста при высоких температурах свыше 800°C, что является первым случаем глубокого изучения этого эффекта в области материалов для пассивного радиационного охлаждения.

«Универсальный» материал для устойчивого будущего

Помимо выдающихся оптических и тепловых свойств, эта охлаждающая керамика обладает и высокой практической ценностью:

Отличная атмосферостойкость и механическая прочность: Способна выдерживать воздействие солнечных лучей, дождя и значительные перепады температур, что делает ее пригодной для длительного наружного применения.

Самоочищающиеся свойства: Способствуют поддержанию ее эффективных охлаждающих характеристик.

Простота производственного процесса: Обладает возможностью вторичной переработки и регулируемым цветом, что делает ее экономически эффективным, долговечным и многофункциональным решением.

Изменение тепловой среды городов и энергетической структуры

Перспективы применения этой биомиметической технологии чрезвычайно широки и могут оказать глубокое влияние на многие области:

Зеленое строительство и охлаждение городов: В качестве нового материала для наружных стен или крыш зданий может значительно снизить температуру внутри помещений, уменьшить потребление энергии на кондиционирование и способствовать достижению углеродной нейтральности зданий. Ее эффективные характеристики пассивного охлаждения также имеют большое значение для смягчения эффекта городского теплового острова.

Наружное электроэнергетическое и коммуникационное оборудование: Может использоваться для пассивного терморегулирования ключевых наружных объектов, таких как подстанции, базовые станции связи, центры обработки данных, повышая эффективность работы и срок службы оборудования.

Транспортировка и хранение в холодовой цепи: Применение в рефрижераторах, контейнерах или временных складских помещениях позволяет снизить энергопотребление на охлаждение за счет уменьшения внешней тепловой нагрузки.

Терморегулирование в экстремальных условиях: Ее свойство подавлять эффект Лейденфроста открывает потенциальные возможности применения в промышленных высокотемпературных средах и даже в системах терморегулирования космических аппаратов.