Умные окна из бамбука помогут сократить потребление энергии в зданиях

Современные здания потребляют около 40% всей мировой энергии, а окна являются их самым слабым местом с точки зрения теплоизоляции. Стекло пропускает яркий свет, приводит к перегреву помещений летом и потере тепла зимой. Двойные стеклопакеты частично решают проблему, но увеличивают стоимость, вес конструкций и углеродный след. Группа ученых разработала биоразлагаемое окно из бамбука – одного из самых быстрорастущих растений на планете, – которое ведет себя почти как «живая кожа», темнея при нагревании и становясь прозрачным при охлаждении.

Технология изготовления проста. Бамбуковые пластины вымачивают в специальном растворе для удаления лигнина – вещества, поглощающего свет, – сохраняя при этом несущие волокна целлюлозы. Затем материал сжимают под прессом, уменьшая его толщину на 80%. Полученная панель плотнее натурального бамбука, но сохраняет его природную структуру, что обеспечивает рекордную прочность на разрыв – втрое выше, чем у обычного бамбука, и превосходящую любые другие известные прозрачные биоматериалы. Материал также обладает высокой ударной вязкостью, выдерживая удары, от которых обычное стекло разлетелось бы вдребезги.

После удаления лигнина материал становится белым, но плотная упаковка целлюлозных волокон обеспечивает светопропускание на уровне 78%. При этом достигается полезный эффект «дымки» в 86%, который рассеивает прямые солнечные лучи и делает освещение в помещении более равномерным. Чтобы придать окну «интеллект», на его поверхность наносят тончайшую пленку с частицами диоксида ванадия. При температуре +20°C покрытие пропускает значительную часть видимого и инфракрасного света, а при нагреве до +50°C частицы меняют свои свойства, снижая поступление солнечного тепла почти на 10% без ущерба для дневного освещения.

Компьютерное моделирование с использованием программы EnergyPlus показало, что установка таких окон в стандартном здании позволяет сократить годовые расходы на отопление и кондиционирование на 5,58% в жарком климате Гуанчжоу, на 3,2% в смешанном климате Нанкина и на 1,6% в Пекине. Анализ жизненного цикла показал, что по сравнению с обычным стеклом новый композит снижает потенциал глобального потепления на 35%, образование твердых частиц – на 46%, а показатели токсичности для человека – на 40–60%.

В конце срока службы материал полностью разлагается, а частицы диоксида ванадия могут быть извлечены для повторного использования, что исключает образование отходов. По словам авторов исследования, опубликованного в журнале Journal of Bioresources and Bioproducts, процесс можно масштабировать на существующих линиях по производству бамбуковых панелей. При производстве более 10 000 квадратных метров в год стоимость таких окон может стать конкурентоспособной по сравнению с энергосберегающими стеклами.

Хотя еще предстоит проверить долгосрочную устойчивость к ультрафиолету и пожаробезопасность материала, ученые отмечают, что целлюлоза обладает естественной способностью к обугливанию, что может обеспечить природную огнестойкость. По их оценкам, если оснастить такими окнами 40 миллиардов квадратных метров фасадов зданий в Китае, это позволит ежегодно экономить 150 тераватт-часов электроэнергии – объем, сопоставимый с годовой выработкой крупнейшей в мире ГЭС «Три ущелья».