Μια νέα επικάλυψη για παράθυρα μειώνει τη θερμοκρασία στον χώρο έως και 7.2°C!

Τις ζεστές ημέρες, η αύξηση της θερμότητας στα σπίτια μας οφείλεται κατά ποσοστό έως και 87% στα παράθυρα. Η υπεριώδης ακτινοβολία του ηλιακού φωτός περνάει εύκολα μέσα από το γυαλί, θερμαίνοντας το δωμάτιο και αυξάνοντας την πιθανότητα να χρειαστεί να ανοίξουμε το κλιματιστικό ή να απαρνηθούμε το φως και τη θέα που ενδεχομένως απολαμβάνουν κάποιοι κλείνοντας τις κουρτίνες ή κατεβάζοντας τα στόρια.

Με τη βοήθεια της Κβαντικής Φυσικής και της Μηχανικής Μάθησης, οι ερευνητές του Notre Dame ανέπτυξαν μια διαφανή επίστρωση για παράθυρα που επιτρέπει την είσοδο του ορατού φωτός, αλλά εμποδίζει την παραγωγή θερμότητας μέσω της υπεριώδους και της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Η επίστρωση όχι μόνο μειώνει τη θερμοκρασία του δωματίου αλλά και την κατανάλωση ενέργειας που σχετίζεται με την ψύξη, ανεξάρτητα από το πού βρίσκεται ο Ήλιος στον ουρανό.

"Όπως συμβαίνει με τα πολωμένα γυαλιά ηλίου, η επικάλυψη μας μειώνει την ένταση του εισερχόμενου φωτός, αλλά, σε αντίθεση με τα γυαλιά ηλίου, η επικάλυψή μας παραμένει διαυγής και αποτελεσματική ακόμη και όταν την γέρνουμε υπό διαφορετικές γωνίες", δήλωσε ο Tengfei Luo, ο οποίος είναι επικεφαλής του εργαστηρίου MÖNSTER (Molecular/Nano-Scale Transport and Energy Research Laboratory) στο Notre Dame και συγγραφέας της μελέτης που περιγράφει το έργο των ερευνητών.

Το 2022, ο Luo και οι συνάδελφοί του κατασκεύασαν μια γυάλινη επίστρωση χρησιμοποιώντας επίπεδες πολυστρωματικές (PML) φωτονικές δομές. Αυτά τα στοιβαγμένα υπέρλεπτα στρώματα έχουν διακριτούς δείκτες διάθλασης που επιτρέπουν στο φως να μεταδίδεται ή να ανακλάται επιλεκτικά ανάλογα με το μήκος κύματός του. Στοιβάζοντας πυρίτιο, αλουμίνα και οξείδιο του τιτανίου σε μια γυάλινη βάση και καλύπτοντας την με ένα λεπτό στρώμα πολυμερούς πυριτίου (PDMS) για την ανάκλαση της θερμικής ακτινοβολίας (της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από μια θερμαινόμενη επιφάνεια προς όλες τις κατευθύνσεις), παρήγαγαν μια διαφανή επίστρωση που, όπως αναφέρουν, ξεπέρασε τις υπόλοιπες επιστρώσεις μείωσης της θερμότητας που κυκλοφορούν στην αγορά.

Οι ερευνητές ήταν αποφασισμένοι να βελτιώσουν την προηγούμενη εργασία τους. Επειδή τα παράθυρα είναι συνήθως τοποθετημένα κάθετα, το άμεσο ηλιακό φως που πέφτει πάνω τους κατά τη διάρκεια της ημέρας αλλάζει καθώς ο ήλιος κινείται. Οι υπάρχουσες επιστρώσεις παραθύρων τείνουν να βελτιστοποιούνται για φως που εισέρχεται υπό γωνία 90 μοιρών, οπότε η ικανότητα τους να εμποδίζουν το φως εξαρτάται από αυτή τη λεγόμενη γωνία ηλιακής πρόσπτωσης. Το μεσημέρι, το θερμότερο μέρος της ημέρας, το ηλιακό φως προσπίπτει σε ένα παράθυρο υπό λοξή γωνία, πράγμα που σημαίνει ότι οι περισσότερες επιστρώσεις είναι λιγότερο αποτελεσματικές στην παρεμπόδιση του.

Αντί να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα με την προσέγγιση δοκιμής και αποτυχίας (trial-and-error), οι ερευνητές αξιοποίησαν ένα μοντέλο μηχανικής μάθησης με τη βοήθεια κβαντικών υπολογιστών. Συγκεκριμένα, χρησιμοποίησαν ενεργή μάθηση, ένα υποσύνολο της μηχανικής μάθησης στο οποίο ένας αλγόριθμος μάθησης μπορεί να ζητήσει από έναν χρήστη διαδραστικά να επισημάνει δεδομένα και κβαντική ανόπτηση, η οποία χρησιμοποιεί την κβαντική φυσική για να βρει βέλτιστους συνδυασμούς στοιχείων. Η κβαντικά υποβοηθούμενη προσέγγιση ενεργού μάθησης επέτρεψε στους ερευνητές να βελτιστοποιήσουν τη διαμόρφωση των δομών PML και τους παρείχε ένα σαφές πλεονέκτημα.

Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίλυση πολύ σύνθετων προβλημάτων βελτιστοποίησης και σχεδιασμού. Το πολύπλοκο πρόβλημα βελτιστοποίησης σε αυτή την εργασία μπορεί να είναι δύσκολο να επιλυθεί με τη χρήση συμβατικών αλγορίθμων. 

Με τα εξαρτήματα που είχαν χρησιμοποιήσει προηγουμένως, οι ερευνητές κατασκεύασαν μια διαφανή επίστρωση που εξέπεμπε και αντανακλούσε επιλεκτικά το φως σε ένα ευρύ φάσμα γωνιών πρόσπτωσης. Στη συνέχεια το δοκίμασαν. Παράθυρα με επίστρωση και παράθυρα με κανονικό γυαλί τοποθετήθηκαν κάθετα σε πανομοιότυπους εξωτερικούς θαλάμους. Οι ερευνητές μέτρησαν τις θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της ημέρας σε κάθε θάλαμο. Δοκίμασαν επίσης το γυαλί τοποθετώντας το παράθυρο οριζόντια, με κατεύθυνση προς τον ουρανό, για να μιμηθούν την ηλιοροφή ενός αυτοκινήτου. Το γυαλί με επικάλυψη επέδειξε ανώτερη απόδοση σε σύγκριση με το κανονικό γυαλί, μειώνοντας τη θερμοκρασία μεταξύ 5,4 °C και 7,2 °C σε ένα ευρύ φάσμα γωνιών πρόσπτωσης.

Η γωνία μεταξύ της ηλιακής ακτινοβολίας και του παραθύρου σας αλλάζει συνεχώς. Η επικάλυψή μας διατηρεί τη λειτουργικότητα και την αποδοτικότητα ανεξάρτητα από τη θέση του Ήλιου στον ουρανό.

Για να εκτιμήσουν την εξοικονόμηση ενέργειας για ψύξη χρησιμοποιώντας τη φωτονική δομή τους για παράθυρα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το λογισμικό EnergyPlus για να προσομοιώσουν την κατανάλωση σε τυποποιημένα γραφεία σε διάφορες πόλεις. Απέδειξαν ότι όλες οι πόλεις των ΗΠΑ θα μπορούσαν να εξοικονομήσουν έως και 97,5 MJ/m2 ετησίως. Αυτή η εξοικονόμηση ενέργειας μεταφέρθηκε σε πόλεις σε όλο τον κόσμο, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που βρίσκονται σε τροπικά κλίματα. Οι ερευνητές προβλέπουν πολλές χρήσεις για τη νέα επίστρωση των παραθύρων τους, συμπεριλαμβανομένων εμπορικών και οικιστικών κτιρίων και αυτοκινήτων. Παρόλα αυτά, θα πρέπει να εκτιμήσουν και κατά πόσο είναι εύκολη και οικονομική η παραγωγή και η αξιοποίηση σε μεγάλη κλίμακα.

*Η κεντρική εικόνα προέρχεται από τον Amel Majanovic on Unsplash

[via]