Вдохновленные динамическим изменением цвета кожи таких организмов, как кальмары, исследователи Университета Торонто разработали многослойную жидкостную систему, которая может снизить затраты энергии на отопление, охлаждение и освещение зданий.

Платформа, которая оптимизирует длину волны, интенсивность и дисперсию света, проходящего через окна, предлагает гораздо больший контроль, чем существующие технологии, сохраняя при этом низкие затраты благодаря использованию простых, готовых компонентов.

«Здания используют массу энергии, чтобы нагреть, охладить и осветить пространство внутри них», — говорит Рафаэль Кей, который недавно получил степень магистра машиностроения на факультете прикладных наук и инженерии и является ведущим автором новой опубликованной статьи. в журнале ПНАС.

«Если мы сможем стратегически контролировать количество, тип и направление солнечной энергии, поступающей в наши здания, мы сможем значительно сократить объем работы, которую должны выполнять обогреватели, охладители и освещение».

В настоящее время некоторые «умные» строительные технологии, такие как автоматические жалюзи или электрохромные окна, которые изменяют свою непрозрачность в ответ на электрический ток, могут использоваться для контроля количества солнечного света, попадающего в комнату. Но Кей говорит, что эти системы ограничены: они не могут различать разные длины волн света и не могут контролировать, как этот свет распределяется в пространстве.

«Солнечный свет содержит видимый свет, который влияет на освещение в здании, но он также содержит другие невидимые длины волн, такие как инфракрасный свет , который мы можем рассматривать как тепло», — говорит он.

«В середине дня зимой вы, вероятно, захотите впустить и то, и другое, но летом в середине дня вы захотите впустить только видимый свет , а не тепло. Современные системы обычно могут не делают этого — они либо блокируют и то, и другое, либо ни то, ни другое. У них также нет возможности направлять или рассеивать свет в выгодном направлении».

Разработанная Кей и командой под руководством доцента Бена Хаттона, система использует возможности микрофлюидики, чтобы предложить альтернативу. В команду также входили к.т.н. кандидат Чарли Катрич, оба на факультете материаловедения и инженерии, и Алстан Якубец, доцент факультета архитектуры, ландшафта и дизайна Джона Х. Дэниэлса.

Прототипы состоят из плоских листов пластика, пронизанных множеством каналов миллиметровой толщины, через которые можно перекачивать жидкости. Индивидуальные пигменты, частицы или другие молекулы могут быть смешаны с жидкостями, чтобы контролировать, какой свет проходит — например, видимый или ближний инфракрасный — и в каком направлении этот свет затем распределяется.

Эти листы могут быть объединены в многослойный пакет, при этом каждый слой отвечает за разные типы оптических функций: управление интенсивностью, фильтрация длины волны или настройка рассеяния проходящего света в помещении. Используя небольшие насосы с цифровым управлением для добавления или удаления жидкости из каждого слоя, система может оптимизировать светопропускание.

«Это просто и дешево, но оно также обеспечивает невероятный комбинаторный контроль. Мы можем проектировать динамические фасады зданий в жидком состоянии, которые делают практически все, что вы хотели бы сделать с точки зрения их оптических свойств», — говорит Кей.

Работа основана на другой системе, в которой используется впрыскиваемый пигмент, разработанной той же командой ранее в этом году . В то время как это исследование черпало вдохновение из способности морских членистоногих изменять цвет, нынешняя система больше похожа на многослойную кожу кальмара.

У многих видов кальмаров кожа состоит из слоев специализированных органов, в том числе хроматофоров, которые контролируют поглощение света, и иридофоров, которые влияют на отражение и радужность. Эти индивидуально адресуемые элементы работают вместе, создавая уникальные оптические характеристики, которые возможны только при их совместной работе.

В то время как исследователи U of T Engineering сосредоточились на прототипах, Якубец построил подробные компьютерные модели, которые анализировали потенциальное энергетическое воздействие покрытия гипотетического здания динамическим фасадом этого типа.

Модели были проинформированы физическими свойствами, измеренными у прототипов. Команда также смоделировала различные алгоритмы управления для активации или деактивации слоев в ответ на изменение условий окружающей среды.

«Если бы у нас был только один слой, который фокусируется на модуляции передачи ближнего инфракрасного света, то есть даже не касаясь видимой части спектра, мы обнаружили бы, что мы могли бы ежегодно экономить около 25% на нагреве, охлаждении и энергии освещения по сравнению со статическим исходный уровень», — говорит Кей.

«Если у нас есть два слоя — инфракрасный и видимый — это больше похоже на 50%. Это очень значительная экономия».

В самом последнем исследовании алгоритмы управления были разработаны людьми, но Хаттон отмечает, что задача их оптимизации была бы идеальной задачей для искусственного интеллекта — возможного будущего направления исследований.

«Идея здания, которое может учиться — которое может самостоятельно регулировать этот динамический массив, чтобы оптимизировать сезонные и ежедневные изменения солнечных условий, — очень интересна для нас», — говорит Хаттон.

«Мы также работаем над тем, как эффективно масштабировать это, чтобы вы могли покрыть все здание . Это потребует работы, но, учитывая, что все это можно сделать с помощью простых, нетоксичных и недорогих материалов, это сложная задача, которую можно решить.»

Хаттон также надеется, что исследование побудит других исследователей более творчески подойти к вопросу о новых способах управления энергией в зданиях.

«В глобальном масштабе количество энергии, потребляемой зданиями, огромно — оно даже больше, чем то, что мы тратим на производство или транспорт», — говорит он. «Мы считаем, что создание умных материалов для зданий — это задача, которая заслуживает гораздо большего внимания».